消防断路器过载报警不脱扣功能信号输出方式的探讨

陆胜利

【摘 要】近年來社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。随着经济社会的发展，对电力系统的可靠性、稳定性、经济性等也有更高的要求。断路器是电网重要的控制和保护设备，也是能够应对电力系统中最多种类任务和需求的开关装置，一旦发生故障，可能带来重大的经济损失。因此，如何及时准确地发现断路器的缺陷和故障，保障断路器的正常运行，成为电力系统的重大问题。本文就消防断路器过载报警不脱扣功能信号输出方式展开探讨。

【关键词】消防;断路器;过载;不脱扣功能

引言

塑壳断路器具有过载和短路保护功能，在低压供配电系统中应用广泛。随着供配电系统不断发展，在有些重要的应用领域（如消防、化工、医疗等特殊场合）由于过载后断电会带来重大损失，为了更好地满足客户和市场供电连续性的要求，断路器过载后不能跳闸断电，而是输出过载信号，这在国家标准GB/T50054—2011《低压配电设计规范》第6.3.6条有相应规定。

1只报警不脱扣的剩余电流动作断路器工作原理及使用场合

只报警不脱扣的剩余电流动作断路器应用在一些特殊场合：不因漏电而影响紧急情况的使用电源;用户得到漏电报警信号，可根据需要适时检修漏电的原因，排除故障。主要应用场合：消防电源，如消防用电梯、消防水泵、消防报警等设备，消防及照明;防盗报警的电源;医院手术室的电源以及不允许停电的特殊设备及停电会造成巨大经济损失的设备。

2机械控制方案

（1）机械控制式断路器结构。机械杠杆式过载报警不脱扣断路器主要由绝缘外壳、操作手柄、动/静触头、灭弧室、操作机构、热双金属片、发热元件、牵引杆、支撑件、复位弹簧、信号转换杠杆、信号转换模块等部件组成，结构紧凑，报警信号转换可靠，成本低。（2）机械杠杆式报警信号转换原理。根据国家标准GB/T14048.2—2008的要求，当主线路负载端发生短路时，断路器可以通过短路保护装置来进行保护脱扣，切断主电路来保护线路负载设备;当主线路出现1.05倍额定电流的过载电流时，2h内线路不应有报警信号输出;当主电路负载端任一相出现超过1.3倍额定电流的过载电流，断路器要具有一定的承载能力，同时也避免误报警信号输出，报警信号输出持续时间≥0.5h，且<2h。断路器内部通过发热元件使热双金属片受热膨胀弯曲，推动信号转换杠杆，从而推动报警信号转换模块装置，至用户加装的信号灯或警报器发出报警信号，实现报警功能。机械杠杆式热过载报警不脱扣断路器主要利用断路器热过载系统中热双金属片受热膨胀后把热能转换机械能。热双金属片是用两种不同热膨胀系数的材料粘合在一起而成的复合材料。一般普通热双金属片低膨胀层（被动层）使用Ni-Fe合金，高膨胀层（主动层）使用Ni-Mn-Cu合金或者Fe-Ni-Cr合金。

3智能控制系统方案

3.1基于规则的识别系统

该系统根据制定的规则进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程。将从电流信号获取的振动事件的时间与电流幅值的信息综合，设置阈值判定断路器的故障类型。基于规则的识别系统适用于确定性或有严格逻辑关系的判断，由于断路器系统复杂、采集的信号具有分散性、工况条件下的实测数据少等原因，基于规则的识别系统有时难以准确识别故障。

3.2振动监测仪的选择

振动监测仪，通常用于对机械振动的振动加速度等参数进行测量，能够在变压器、断路器和GIS设备等环境中稳定运行，其优点在于不仅操作简单方便携带，且具有很高的灵敏度，对振动信号因设备缺陷、零部件松动等故障造成的变化，能够灵敏反映。

3.3智能控制式断路器结构

智能控制式断路器主要由断路器本体、灭弧系统、操作机构、智能控制器、短路保护装置、电流采集器、信号转换模块等核心部件组成。智能控制器主要由CPU核心处理器、继电器驱动电路、继电器、电流采集器、电源采集模块、测量模块、A/D转换模块、MCU模块、人机接口模块、通信模块、报警信号转换模块等组成。智能控制系统方案除实现过载报警等功能外，还可测量电压、功率，从而进行谐波分析，实现电能管理。可根据客户的需求，在主线路出现过载时断路器不脱扣，而是转换成一种信号输出。

3.4人工神经网络

人工神经网络具有良好的容错性和非线性特性，受到国内外学者广泛重视。运用反向传播（BP）神经网络训练振动信号特征量样本，识别正确率较高。径向基函数神经网络在逼近能力、分类能力、学习速度方面占优，适合多变量函数逼近，将其运用于振动信号故障识别，运用融合了密度函数估计和贝叶斯决策理论的概率神经网络进行诊断识别，均取得较好的效果。研究人员常用粒子群算法等训练神经网络以更好地逼近全局最优。神经网络的缺点是需要较大的训练样本，容易陷入过学习和局部最优，导致识别能力下降。

3.5断路器检测系统总体方案

在对断路器进行分、合闸操作时，首先需要进行储能操作，通过电机对合闸弹簧完成储能后，弹簧操动机构维持在储能状态;其次，在执行合闸操作后，合闸弹簧储存的能量被全部释放出来，其中一小部分被用于保证操作的顺利进行，剩余大部分能量被用于分闸弹簧储能操作，以此保证在合闸操作执行完后能顺利执行下一步分闸操作。之后，当合闸弹簧释放能量完成后，再一次进行合闸弹簧储能操作;最后，当弹簧操作机构执行分闸操作时，分闸弹簧将储存的能量全部释放，当执行完后便恢复到初始储能状态。已知测量结果会受传感器安装位置的影响，通过对比其测量结果并进行数据分析后发现，安装位置与测量效果之间的关系为越靠近动力源效果越好。因此，相比于其他安装位置，选择为弹簧操动机构的支架时，数据的保真度更高效果更好。在测量断路器振动信号之前，首先需要人为进行故障设置，将其分别设置为铁芯卡涩、缓冲器无效超程及绝缘拉杆松动等三种故障;之后分别在上述三种故障和正常状态下对断路器进行合闸操作，分别采集100组动作时的振动信号，在振动监测仪将其放大后，传输至主机;最后对其去噪、特征提取及故障诊断。

3.6智能控制器系统

当出现1.05倍整定电流的过载电流时，通过电流互感器、智能控制器系统的微处理器循环采集到主电路电流信号。当主电路电流值未达到过载报警输出电流设定值时，不会发出报警信号;当主电路电流值达到整定值的1.3倍电流时，且未达到短延时或瞬时电流动作值，经过设定可调延时后输出电平信号给智能控制器。智能控制器模块检测到报警电平信号后驱动继电器动作，用户可以通过判定继电器触点开、闭状态或利用继电器控制声、光报警来提醒线路发生过载信号。可根据需求，选择过载电流报警功能和延时报警功能的智能控制器，以满足特殊场合的使用。另外，智能控制式断路器还可带有通信功能。

结语

要保证诊断方法的完备性，也就是要保证实际应用中诊断的准确率满足工程要求，需要深入探索自主诊断方法。通过热双金属片发热膨胀弯曲的机械杠杆原理实现过载报警不脱扣功能，以及通过智能控制系统在断路器内部增加电流互感器采集电流，再通过单片机运算输出报警信号，实现报警不脱扣功能，均能很好地满足用户特殊场合的使用需求，在市场上也得到大量的推广使用。

参考文献：

[1]米尔萨德·卡普塔诺维克.断路器——理论、设计与试验方法[M].王建华，闫静，译.北京：机械工业出版社，2018.

[2]荣强，赵莉华，朱林林，等.基于线圈电流特征量优化的断路器状态评估[J].高压电器，2018，52（6）：199⁃203.

（作者单位：巨邦集团有限公司）