低压气象设备中断路器的选配方法

邹庆彪，黄飞龙，黄桂烨

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

目前，全国范围内已经部署了大量的气象设备用于气象探测。在广东省省级运行监控系统（atmospheric observing system operations and monitoring，ASOM）登记的气象设备中，区域自动站有2 550个，国家级自动气象站86个。大量气象设备组网建成的联合观测体系能极大地提高气象探测的能力，如深圳市已建立的“深圳城市气象综合探测系统”能更加准确全面地获取气象探测数据并帮助人们加深了对城市灾害性天气、城市气候以及大气环境规律、特征、机制的科学认识。

气象设备在各种天气情况下稳定运行是保证气象探测数据质量的基本前提，是保证气象预报质量的根本保障。因此，气象设备都配备了相关的保护装置和维护保障人员。断路器用于保护设备的用电安全，是重要的电源开关装置。然而装备维修保障的过程中，发现存在部分低压气象设备因为雷击、电网电压异常和设备短路而损坏的现象［1-3］，其中部分设备损坏的具体原因是安装的断路器不能及时关断异常回路从而出现设备损坏的情况。前人对断路器进行了深入的研究并总结制定了一系列的标准和规范［4-5］，但对于非专业的台站维护人员只能按照经验对断路器进行安装、维护或更换，如果处理不当会影响断路器的保护功能，容易存在安全隐患甚至导致气象设备的损坏。除此之外，台站的气象设备已经定型，无法为电路板增加保护电路以提高设备的可靠性。因此，为了提出一种简单易懂且便于操作的选配方法，本研究首先从低压断路器的基本原理出发，以自动气象站为例，分析影响低压断路器选择的关键影响因素，然后据此设计了关键影响因素的测试方案，并结合试验结果和低压短路器的基本原理选择满足要求的低压断路器，最后总结提出一种能用于指导低压气象设备断路器的选配方法。该方法原理简单且易于操作，能够为设备维护人员提供一定的经验和技术支持。

1 低压断路器的基本原理

1.1 基本结构及动作原理

低压断路器也称空气断路器，在交流1 200 V，直流1 500 V以下的电路中使用，在正常情况下用作不频繁合、分电路，在线路过载、短路或欠压等故障时能够自动切断电路。断路器由脱扣器、脱扣机构、触头系统和灭弧室等几个部分组成。低压断路器按照设计结构，可以分为框架式（万能式）断路器（ACB）、塑壳式断路器（MCCB）、小型断路器等［6］，其一般的内部结构如图1所示。

由图1可知，不同型号的断路器有不同的适用环境及情况，但主要的工作原理基本相似：短路时，过流脱扣器7将衔铁9吸合，并撞击杠杆5让搭钩3打开从而使主触头1分闸；过载时，过载电流经过加热电阻丝13使金属片12受热弯曲，通过杠杆5将搭钩3顶开；当主电路电压正常时，欠压脱扣器8产生的电磁吸力能够克服弹簧11的拉力而将衔铁10吸合，当主电路电压降低时，欠压脱扣器8的吸引力减小，衔铁10便被弹簧11拉开，同样可以撞击杠杆5和搭钩3，使主电路分闸［7］。

1.2 基本参数

通常在选择低压断路器需要考虑以下几点：

1）断路器的额定工作电压Ue、频率要与回路相适应。

2）在正常运行时，断路器的额定电流In要大于回路的总电流。

3）考虑环境（例如温度等）对断路器的影响。

4）根据负载情况和脱扣器的脱扣电流-时间特征曲线，选用不同的脱扣形式。常见的瞬时脱扣的电流范围［8］和适用情况如表1所示。

5）考虑上下级断路器的配合。

低压气象设备通常都是配电的终端，因此低压断路器只要满足低压气象设备的保护需求基本都可以满足上下级断路器的配合问题。根据低压断路器标识的型号可以获取该断路器的基本参数，如某牌子的断路器，名称为NXB-63 C1 400 V 50 Hz 6 000 A，所表示的意义为是：NXB表示型号，63代表该型号最大额定电流为63 A，C1表示脱扣曲线是C且额定电流In为1 A，400 V表示断路器耐压值，50 Hz表示额定频率为50 Hz，6 000 A表示额定运行短路分断能力为6 000 A（表1）。

表1 瞬时脱扣范围

2 自动站低压断路器的选择

2.1 测试方案设计

由第1章分析可知，低压气象设备的电流是影响断路器选择的关键参数。对于自动气象站来说，输入电压为220 V交流电，因此，为了选择合适的断路器，需要考虑自动站电源输入回路的电流大小。

自动气象站中功率较大的设备和功率主要是：自动站采集器2 W、北斗峰值功率30 W、能见度（含加热）35 W、DTU峰值功率约3 W等。通过粗略估计，自动气象站功率加起来大约100W，如果考虑额外的一些负载或者电网的波动，则电源工作在50%～80%负载为佳，因此自动气象站总的电源功率可按200 W进行计算。由于接入电压为220 V，根据公式I=P/U（I为电流、P为功率、U为电压）可知，最大电流≈0.909 A。

国内常用的过载脱扣器是热脱扣器，它可以实现长延时保护，也可以实现瞬时脱扣。参考某型号断路器的时间-电流特征曲线（脱扣曲线），如图2所示，B型曲线中曲线3、4为过载脱扣器的特征曲线段，曲线4是脱扣器动作机构开始启动的平均时间，曲线3是脱扣器最大的分断时间，曲线4左侧的区域1是不脱扣区域，区域2是瞬时脱扣区域［9］。

通过对比可以发现，B型脱扣曲线在相对较小的电流下就可以触发瞬时脱扣动作。因此为了提高安全性，尝试选用B型脱扣形式，额定电流In选1 A。但通过试验发现，在B1断路器接入电路后，合闸瞬间就发生跳闸，多次实验后结果相同。由于回路中并无大电流的负载，因此考虑是开关电源引起的浪涌电流。

开关电源的输入电路原理如图3所示，交流电经过桥式整流器变成直流，电路的输入电容容量较大且与DC/DC转换器并联。在电路通电的瞬间，输入电容充电电流很大，所产生的浪涌电流值可能达到电源静态工作电流的10～100倍。

图2 某型号断路器脱扣曲线

图3 开关电源简图

由于不能通过改造使其“软起动”［10］从而消除或抑制浪涌电流，因此考虑测量浪涌电流的大小及脉冲宽度并据此选择合适的断路器。

为了测试开关电源对回路电流的影响，目前有几种常见的方法可以测量回路中的电流大小，其中钳形电流表的特点是电流互感器和电流表组合而成，使用方便但精度不高且无法准确显示瞬时信号值；示波器的特点是能够准确且直观地记录信号的强度和波形，精度较高；数字万用表的特点是使用方便，但测电流量程小且无法准确显示瞬时信号值。如果使用钳形电流表或数字万用表进行测量则无法得到浪涌电流的峰值变化情况及脉冲宽度，因此可使用示波器和其标配的电压探头进行测量。

具体的测量方法是：选用电阻值小且额定功率大的电阻R与开关电源串联并接入电源输入回路，将与示波器相连的表笔分别夹持在电阻的两端，测量电阻的电压Ur变化情况，通过公式Ir=Ur/R可计算得到回路的电流Ir。由于示波器可以记录一段时间内的电压变化情况，因此可以得到浪涌电流的峰值变化情况及脉冲宽度。

实验中使用了2个电阻、示波器、接触变压器，测量电路如图4所示。由于浪涌电流可能会达到静态电流的10～100倍，为尽可能减小电阻对回路电流的影响以及避免电阻爆炸，要求电阻阻值尽可能小，额定功率较大，因此实验中使用的电阻阻值均为0.2Ω、额定功率为50 W且将两个电阻并联，则总电阻为0.1Ω。示波器型号为Agilent Technology DSO5032A，探头连接的表笔一端接示波器，另一端接地。如果示波器直接接入图4左侧的交流电源，由于并联电阻的阻值较小，且示波器的探头负极与示波器电源地线相连，测量的时候电流会从被测电阻流过探头负极进入电源地线，造成火线和地线连成回路并产生较大的电流从而导致示波器的电源线烧毁。因此，为了避免上述问题，先将两线路变压器接入电源，然后再将示波器接入变压器，使示波器的地线GND2悬空且与GND1不相连。

图4 测量电路图

2.2 测试过程

部分实物连接如图5所示。图5a中电阻并联后接入电路，示波器的电压探头和接地线分别夹持在并联电阻的两端；图5b中并联电阻置于机盒内并悬空放置，一方面是为了防止电阻过热爆炸而引起的散射，一方面是将其架起防止漏电。

图5 实物连接图

在正式开始测量前先确认整个线路能否正常工作：在正确连接并检查线路无误的情况下，操作人员在附近闭合开关S1，若无异常情况则表示电阻能够承受浪涌电流，再闭合开关S2并启动示波器，如果示波器能正常显示电压变化情况，则可以开始测量。在正式测量时，由于浪涌电流只在电容充电时才会产生，因此将示波器常开以便抓取开关S1闭合瞬间的电压变化情况。示波器数据记录完成后，应打开S1并等待电容放电完毕再开始新的测量。

2.3 测试结果分析

试验过程中多次测试并记录了开关电源在带负载和不带负载下回路电压的变化情况，每次测试得到的结果都与图6相似，其中的一次测试如图6所示。

图6 无负载（a）和有负载（b）情况下电压的变化情况

经过多次测量，统计结果如下：在无负载的情况下，启动瞬间峰值电压均值约为3.98 V，峰值电流均值约为39.8 A左右，脉冲宽度约为1.21 ms；在有负载的情况下，峰值电压均值约为4.01 V，峰值电流均值约为40.1 A，脉冲宽度约为1.17 ms。由此可以看出，负载对于浪涌电流的影响不大，尖峰电流约为40 A左右；脉冲宽度均值约为1.2 ms，持续时间较短。

由测试情况可知，如果断路器的额定电流为1 A，那么浪涌电流40 A达到了断路器的瞬时脱扣范围，就会引起断路器跳闸。因此，根据断路器的脱扣曲线，参考市面上常见的断路器型号，选择额定电流稍大的型号防止断路器频繁跳闸，最终选择了某品牌C型且额定电流为6 A的两线式小型低压断路器。

2.4 外场测试

为了验证选定的断路器能够满足保护要求，先将断路器与浪涌防雷保护器、开关电源和采集器及全部负载设备相连并接入交流电源。对断路器进行反复开合的测试，测试过程中没有出现跳闸的现象。将断路器闭合后进行长时间的试验运行，期间经历了雷雨天气、楼层装修等会引起电源波动的情况，断路器没有出现跳闸且采集器正常工作。

3 低压气象设备断路器的选配方法

通常情况下，大部分气象设备都属于低压设备是配电的终端。除极端情况外，工作温度对断路器的脱扣性能影响不大，因此在选择低压断路器时一般只需要关注其是否满足气象设备的保护要求即可。选择流程如图7所示，根据气象设备的负载情况，结合断路器的额定电流和脱扣曲线，选择断路器的型号。

图7 低压断路器选择流程示意图

具体来说，在考虑气象设备的负载情况时要结合气象设备的特点，通常断路器的额定电压都能满足气象设备的要求，所以主要考虑电源回路的电流情况：1）是否有浪涌电流的出现；2）设备正常工作时的额定电流大小；3）气象设备在允许范围内可能出现的最大电流峰值及脉冲宽度。如果没有办法准确计算，可以按照第2章所述的方法进行电流大小及脉冲宽度的测量。根据实际情况考虑断路器的选择：1）断路器的额定电流是否大于气象设备正常工作时的电流；2）根据脱扣曲线判断瞬时脱扣电流是否大于气象设备在允许范围内出现的最大电流；3）根据上述判断结果调整断路器的额定电流或脱扣类型，增加一定的冗余量，防止出现未考虑到的因素引起频繁跳闸。