低压小型断路器防误跳闸技术研究

金瀚濛，朱伟星，朱 涛

(上海奉贤燃机发电有限公司，上海 201499)

低压断路器俗称自动空气开关，当电路中发生短路、过负荷、低电压等故障时，低压断路器都能自动切断电路，在电气设备中的应用十分广泛[1-2]。该种断路器主要采用热脱扣原理跳闸，受环境影响较大，在高温时容易出现误跳闸，这可能会给重要二次控制保护设备带来较大的事故与风险，尤其在电厂励磁设备、给泵凝泵变频设备等区域，有时突发的空开跳闸，可能带来机组失去冗余甚至直接诱发事故的严重问题[3-5]。因此，需要通过一定技术手段来减少环境因素对低压断路器的影响。对低压断路器进行温度补偿以及在低压断路器跳闸前进行预警设计，就能有效防止低压断路器误跳闸带来的事故与风险。本文提出一种利用温度开关设计的具备温度补偿与跳闸预警的新型断路器，可有效提升低压断路器的工作可靠性。

1 现有低压断路器误跳闸原因及分析

1.1 低压断路器保护的工作原理

低压断路器主要由触点系统、操作机构和各种保护元件这三个部分组成。对于低压断路器来说，过电流是定时限保护，不管故障电流多大，超过设置值和延时后，保护就会动作。热脱扣器是反时限保护，这个是模拟被保护设备的发热，用积分的方式累积热量，达到设置值后保护动作，也就是故障电流小，动作时间就长，故障电流大，动作时间就短。反时限特性的本质可以用反比例函数表示，也即双曲线的一支来表示，而定时限特性曲线则可以用一条直线表示，一般应用于断路器的磁脱扣器。从保护原理来说，热脱扣保护的应用更贴近保护目的，因此低压小型断路器一般采用热脱扣原理。

1.2 现有低压断路器误跳闸事故分析

低压断路器具有两种过电流保护方案：电磁跳闸和热跳闸。电磁跳闸用于短路保护，热跳闸用于过载保护。在测试了许多意外跳闸的断路器跳闸特性后，发现几乎所有无法解释的在操作过程中跳闸的断路器几乎都不会改变电磁跳闸电流的参数，并且热跳闸电流参数均显著减小。由此可以看出，低压断路器的误跳闸事故主要是由于热跳闸机构故障引起的，这也进一步表示低压小型断路器一般采用热脱扣原理。部分试验数据如表1所示。

表1 断路器跳闸后的部分试验数据 ms

从表1中可以直观看到，同规格的新品断路器与发生过误跳闸的断路器相比，其大电流跳闸时间无显著变化，而小电流的跳闸时间显著缩短。由此证明大部分误跳闸的断路器，均是由于热脱扣失效导致，低压断路器的脱扣电流与时间的关系如图1所示。由图1可见，有故障的断路器均是热脱扣的反时限保护的电流曲线左移导致。因此，如何防范断路器异常热脱扣，是防范断路器误跳闸的重点。

图1 低压断路器跳闸时间特性曲线

1.3 环境因素对低压断路器的影响

1.3.1 高温对低压断路器热脱扣的影响

低压断路器的过载保护依靠热脱扣器完成，热脱扣器额定电流是制造商依据IEC 898标准，在基准温度为30℃条件下整定的。热脱扣器由一组双金属片制成，受环境因素影响较大，环境温度发生变化就会导致低压断路器的额定电流值发生变化。当线路中流过正常电流时，双金属片刚好可以达到动态平衡状态，不再继续弯曲，但当发生过载，过载电流流过加热电阻丝而使双金属片发热变形弯曲，将搭钩顶开，使断路器跳闸[6-7]。低压断路器一般是排列有序地固定在配电盘或机柜内，如果机柜内的空气散热效果差，造成机柜内因低压断路器的温升使周围环境的空气温度上升，从而导致断路器误跳闸概率会大幅提升[8-9]。

1.3.2 高温对低压断路器工作电流的影响

低压断路器的工作电流受环境温度影响，当环境温度大于或等于额定温度时，必须根据制造商提供的温度与载流能力修正系数表，来修正低压断路器的额定电流值[10]。以某型号C6N/H断路器为例(见表2)，在周围环境为20℃时，C6N/H的额定电流6 A，实际工作电流为6 A；在周围环境为40℃时，实际工作电流则降为4.6 A。由此可以看出，不同的环境温度对于低压断路器的实际工作电流值是有明显的影响。

表2 不同温度下C6N/H的工作电流的部分数据

1.3.3 高温对控制柜的影响

在夏季高温季节，很多控制柜内温度偏高，尤其是柜内装有变频器、电源模块、动力转换设备、变压器的机柜，很多时候局部温度高达60℃以上。如果断路器的跳闸电流未经过环境温度极限值的校核，则极易发生误跳闸事故，很多低压断路器在60℃的环境温度下，有时50%额定电流就会误跳，对此如果更换大一规格等级的断路器，又很容易造成级差配合的困难，即下级故障时上级开关越级跳闸，引发更大的事故风险。

因此，如果对现有技术的低压断路器进行温度补偿，使之能够克服对环境温度的敏感性，同时对断路器脱扣器温度进行监测，当温度接近跳闸门槛温度时提前预警，是解决断路器误跳闸事故的重要手段。

2 低压断路器可靠性提升方案设计

2.1 温度补偿设计

低压断路器依靠热脱扣原理跳闸，环境温度对于热脱扣器的影响不可避免。为此，如果设计两个脱扣器，一个是额定电流较大的主脱扣器，一个是额定电流较小的辅助脱扣器。当环境温度较低时只启用主脱扣器，辅机温度升高至限值后接入辅助脱扣器，将辅助脱扣器与主脱扣器并联运行，则整个断路器的动作电流值升高，抵消因环境温度升高导致的脱扣电流减小。温度补偿法是将参考端温度乘以一个修正系数k作为修正值对断路器实际运行温度进行修正，修改后的温度t公式为

t=t1+kt2

(1)

式中t——被测量实际温度，℃；t1——断路器的温度，℃；t2——断路器额定温度，℃；k——温度的修正系数。

为了准确地计算k的取值，可采用最小二乘法确定k的最佳估值。将令t-t1=△t，则△t=kt2，根据最小二乘法，可得式(2)：

(2)

根据式(2)可取n个t2值和与之对应的△t，并按式(3)求得k值：

(3)

由式(3)得到温度的修正系数k，从而可以精确地设计出辅回路的修正电流。因此，可以采用温度开关与辅助脱扣器配合，利用温度开关感应环境温度，实现断路器的温度补偿。

2.2 温度监测

为了保证低压断路器的正常跳闸，需要对断路器脱扣器温度进行监测，并且可以通过在线监测仪直观观察低压断路器热脱扣的温度变化。目前对温度的监测方法有两大类：一类是接触式测温；还有一类是非接触式测温。工业上普遍采用接触式测温，该方法不太适用于热脱扣这种经常动作的元件，对于热脱扣的温度监测可采用红外线测温的方式，此方法具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点。对测量结果也可比对DL/T 664—1999《带电设备红外诊断技术应用导则》中的要求，方便值班人员实时观察温度的变化情况[11-12]。

2.3 跳闸预警设计

一般低压断路器通过辅助接点实现跳闸报警，但仅能在跳闸以后实现告警，无法在断路器内部脱扣器温升接近跳闸值之前提前预警，因此无法防范断路器突发跳闸导致的二次设备运行异常。对此，可在断路器内部脱扣器上安装独立的报警发信温度开关如图2所示，将该发信温度开关的动作温度定值设置为略低于脱扣器跳闸温度，则可以在一定程度上实现跳闸预警。

图2 防误跳闸低压断路器结构

2.4 整体方案设计

本文提出的新型低压断路器防误跳闸方案，基于现有低压断路器的部件，通过将两个不同的脱扣器分为一主一辅，再加上补偿用温度开关与发信温度开关，构成一个具备温度补偿与跳闸预警能力的低压断路器，该结构包括主脱扣器、辅助脱扣器、补偿温度开关、发信温度开关。温度开关与辅助脱扣器串联，再与主脱扣器并联，实现环境温度补偿，同时通过红外线测温对断路器脱扣器温度进行监测，方便值班人员观察其温度变化，对于提前预警功能可采用发信温度开关感温部分与主脱扣器相接触，实现与外部设备的信号报警，补偿温度开关为常开接点温度开关，其动作温度在40～50 ℃，发信温度开关动作温度在80～120 ℃，辅助脱扣器的跳闸电流为主脱扣器跳闸电流的20%～30%。

利用辅助脱扣器与补偿温度开关，当环境温度较高时温度开关接通，辅助脱扣器与主脱扣器并联工作，这样整个开关跳闸电流提高，也就克服了现有空气开关对环境温度的敏感性，使之在高温环境下误跳闸的风险降至最低。同时利用发信温度开关，当脱扣器温度升高至接近跳闸温度前，预先发出预警，从而可让工作人员提前预知，避免突然跳闸后导致的设备事故。

3 试验验证分析

为了验证新型方案中低压断路器可靠性提升的效果，利用既有的不同规格的低压断路器，通过与外部温度开关的组合，设计出新型断路器样机，样品组成方式如表3所示。补偿温度开关动作值为45℃，通过不同环境温度下，0.9倍与1.1倍额定电流动作下跳闸时间的测试，比较其与现有断路器的特性，试验结果如表4和表5所示。

表3 样品组成方式

表4 0.9In跳闸时间 s

试验结果表明，在既有断路器基础上，通过温度开关与辅助脱扣器的改进，能够非常有效地提升低电压断路器的保护效果。当环境温度升至45℃以上后，由表4和表5可明显看到，新型断路器均不会在此温度上误跳闸，说明辅助脱扣器的接入有效补偿了热脱扣器的脱扣电流衰减，从根本上防范了高温环境下断路器误动跳闸的风险。对于表4在0.9倍额定电流动作下跳闸时间的数据显示，在环境温度达到60℃后，新型断路器均不会发生误跳闸，说明有效避免了误跳闸概率；对于表5中温度上升至60℃以后，也可看到其跳闸时间明显加长，利用温度开关预警设计，不仅可以有效预防低压断路器的误跳闸，延长了低压断路器的寿命，而且成本低廉，具有较好的实用价值。

4 结语

本文针对低压断路器在环境温度颇高时热脱扣容易发生误跳闸的现象，提出了一种利用温度开关设计的具备温度补偿与跳闸预警的新型断路器，工作人员可以定期通过对热脱扣器红外线测温的方式，观察其温度变化。试验证明这些手段能够有效减少由于误跳闸给重要二次设备带来的事故风险，从而提高了设备运行的可靠性，降低了高温引发的误跳闸概率。