电子脱扣器

电子脱扣器（通用7篇）

电子脱扣器 篇1

0 引言

近年来，许多工厂和企业都发生过脱扣器非故障动作导致低压断路器无故跳闸问题，由此引发的停电事故，不仅威胁设备和人身安全，而且造成了严重的经济损失。调查发现，这些低压配电网的负荷主要为大容量UPS、变频调速电机、整流器、电弧炉等典型的非线性负荷，它们在工作过程中电流会产生严重的畸变，这是导致脱扣器非故障动作的主要原因之一。IEEE电力系统可靠性委员会也曾对低压断路器的可靠性进行了调查，结果表明断路器脱扣器的脱扣校准故障率最高，为其他故障(机械故障、电触头故障)的2倍甚至更高[1]。低压断路器脱扣器可分为热磁脱扣器、电子脱扣器以及智能脱扣器，目前在用的低压断路器中使用最多的仍是电子脱扣器。文献[2]指出，电子脱扣器能否用在电流发生畸变的情况下，取决于其电流检测方法，因为不是所有的方法都能检测电流的有效值(又称方均根值或RMS值)。常见的峰值传感器和均值传感器均不能准确反映畸变情况下电流的有效值。国内外已经有针对低压断路器脱扣器的研究，主要集中在以下几个方面：一是电压暂降或失压对脱扣器的影响[3,4]，二是低压断路器脱扣特性仿真分析[5]，三是低压断路器脱扣器的可靠性分析[6]，四是智能脱扣器设计[7]。畸变电流对电子脱扣器动作特性影响方面的研究还较少，且主要为定性分析[8]。低压配电网中大容量非线性负荷的种类和数目越来越多，电流畸变日益严重[9,10,11]，这对普通电子脱扣器的动作准确性是一个巨大的威胁。所以，定量分析畸变电流对电子脱扣器校准误差的影响具有重要意义。

本文基于三段电流保护特性曲线来说明电子脱扣器的电流保护原理，针对常用的峰值电流检测和均值电流检测方式，利用峰值系数KP和波形系数KW两个特征量，定量分析了两种典型畸变电流(三角波和矩形波)情况下两种检测方式的脱扣校准误差，得到峰值检测校准误差曲线和均值检测校准误差曲线。指明了通过谐波畸变率(Total harmonic distortion,THD)来分析畸变电流下电子脱扣器校准误差的误导性。校准误差曲线可作为畸变电流下电子脱扣器动作值整定的重要依据。

1 电子脱扣器保护特性

电子脱扣器的保护特性包括：三段式电流保护，欠电压保护，单相接地保护，单相金属性短路、三相不平衡电流和发电机的逆功率保护等。由于谐波电流主要影响其中的电流保护，所以在此仅讨论电子脱扣器的三段电流保护特性。

电子脱扣器具有过载长延时保护、短路短延时保护以及短路瞬时保护等三段电流保护特性，常用如图1所示的三段电流-时间特性曲线来描述[12]，图中横坐标表示过电流(指有效值)倍数，纵坐标表示动作时间。脱扣器的额定电流In与被保护线路的计算电流Ic之间存在如下关系：

电子脱扣器三段电流保护的动作电流整定值和动作时间整定值均可调。过载长延时保护电流整定值Ir与In之间的关系为

短路瞬时保护具有定时限动作特性，动作时间为50 ms以内(一般为10～20 ms)，短路瞬时保护电流整定值Ii为

当短路电流超过整定值时，瞬时保护立即启动。

短路短延时保护由反时限和定时限两部分组成，电流整定值Is为

一般以8Ir为分界点，当短路电流小于8Ir时，具有反时限动作特性；当短路电流大于8Ir时，具有定时限动作特性。定时限的动作时间一般为300 ms以内，反时限特性满足式(5)。

式中：t为动作时间；I为过电流值；tS为短延时整定时间。

过载长延时保护具有反时限动作特性，其数学表达式为

式(6)中：tL为长延时动作时间整定值；其余变量同式(5)中定义。

通过以上分析可知，电流保护的动作值都是基于电流有效值来设定的，准确计算出线路电流有效值是保护正确动作的必要前提。而目前在用的断路器电子脱扣器大多检测电流峰值或平均值，再按纯正弦波进行校准的方式得到线路电流的有效值。所以，当电流波形发生畸变时，会产生脱扣校准误差，导致过流保护或低阈值短路保护误动作。

2 典型非线性负荷波形分析

2.1 单相非线性负荷

单相非线性负荷广泛分布于商业和民用供电系统中，其中典型的有电子荧光灯、开关电源以及单相整流器等，图2给出了几种典型负荷的电流波形。电子荧光灯由于使用了电子镇流器，其输入电流波形发生严重畸变，波形如图2(a)所示，为明显的三角尖脉冲。个人计算机、打印机、电视机以及其他单相电子设备普遍采用开关电源，其交流侧电流3次谐波含量很高，波形如图2(b)所示，呈现很短的尖脉冲。单相整流器为获得较平稳的输出电流，通常带有大电感，其输入电流波形如图2(c)所示，为矩形方波。

2.2 三相非线性负荷

三相非线性负荷广泛应用于工业和大型商业场所，典型的有大功率UPS、变频调速电机以及三相整流器等，图3给出了几种典型负荷的电流波形。

大功率UPS的输入侧电流会发生畸变，波形如图3(a)所示，呈现“双拱”形。变频调速电机在出力较大(低速)时的输入侧电流将产生严重的畸变，波形如图3(b)所示，呈现出“双三角”形。三相整流器直流侧有大电感时，输出波形较平稳，交流侧电流波形如图3(c)所示，呈近似的矩形方波。

2.3 畸变波形简化分析

通过分析典型非线性负荷的电流波形，按其特征可归纳分为两大类：一类是尖顶波，一类是平顶波。由于多数畸变波形的精确表达式难以求得，因此可采用分段线性化的方法来简化分析，如图4所示。

图4(a)所示的尖顶波与纯正弦波相比已产生严重畸变，用分段线性化的方法对其进行近似拟合，可等效为三角波。图4(b)所示的平顶波与纯正弦波相比也有明显畸变，同样用分段线性化的方法将其近似等效为矩形方波。

3 电子脱扣器校准误差定量分析

在分析畸变波形时，通常仅仅考虑THD这一指标，而由THD值只能定性说明谐波电流对电子脱扣器的影响，且具有一定的误导性(这将在本文第4节予以详细说明)。另外，文献[13]也指出，用THD表征电流畸变可能会造成误导。THD仅包含了谐波的幅值信息，而缺少相位信息，不能有效反映波形的外部特征(如波峰值)。所以，应选用其他指标来定量分析电子脱扣器的校准误差。

3.1 峰值系数KP和波形系数KW

图5所示为等效后典型电流畸变波形，其正、负半波镜对称。图中正半周波峰值为Ip，周期为T，半周导通时间为ton，三角波峰值出现时刻与起始导通时刻差值为t0，有效值为IRMS，正半周波均值为Iav。

则波形占空比为

峰值系数为

波形系数为

利用式(8)和式(9)可求得三角波和矩形波的峰值系数及波形系数两个特征量，它们只与波形占空比α有关。三角波、矩形波与纯正弦波的峰值系数和波形系数对比如表1所示。

基于峰值检测的电子脱扣器通过检测到的电流峰值乘以系数K(通常为纯正弦波峰值系数的倒数，即0.707)来得到电流有效值；基于均值检测的电子脱扣器通过检测到的均值乘以系数K'(通常为纯正弦波的波形系数，即1.111)得到电流有效值。对于标准正弦波，两种检测方法均能正确反映实际电流有效值，但当波形发生畸变时，两种方法所得到的电流有效值有很大误差，可能引起电子脱扣器误动作。峰值系数KP和波形系数KW两个特征量，分别反映了波形峰值和均值与有效值之间的关系，可用以定量分析畸变电流下基于峰值检测和均值检测两种电流检测方式的脱扣校准误差。

3.2 峰值因子PF和波形因子WF

为了直观、定量地分析畸变电流下电子脱扣器的脱扣校准误差，定义峰值影响因子(简称峰值因子)为

均值影响因子(简称均值因子)为

则有

由式(12)可以看出，电流有效值为峰值与峰值因子的乘积或均值与均值因子的乘积。

纯正弦波与两种典型畸变波的峰值因子对比如图6所示，当波形占空比α从0到1逐渐增大时，三角波和矩形波的峰值因子均单调递增。其中三角波的峰值因子始终小于纯正弦波的峰值因子(0.707)；而矩形波在占空比α小于0.5时，峰值因子小于0.707；占空比α大于0.5时，峰值因子将大于0.707。

正弦波与两种典型畸变波的波形因子对比如图7所示，当波形占空比α从0到1逐渐增大时，三角波和矩形波的波形因子均单调递减。其中三角波的波形因子始终大于纯正弦波的波形因子(1.111)；而矩形波在占空比α小于0.81时，峰值因子大于1.111；占空比α大于0.81时，峰值因子将比1.111略小。

3.3 校准误差分析

峰值检测校准误差可表示为

均值检测校准误差可表示为

式(13)和式(14)中的IRMS0、PF0、WF0分别为纯正弦波对应的电流方均根值、峰值因子、波形因子。由式(13)和式(14)可以求得峰值检测校准误差和均值检测校准误差，它们只与波形占空比α有关。

三角波和矩形波在不同占空比α下的峰值检测校准误差曲线如图8所示。三角波的峰值检测校准误差始终为正值，说明对三角波采用峰值检测并按标准正弦波进行校准求得的电流有效值比实际值偏大，并且随着三角波占空比的减小，峰值检测校准误差会越来越大。当占空比α为0.2时，误差已经达到了173.9%，即峰值校准得到的电流有效值是真实值的2.739倍，这会被误认为是一个过流信号甚至是一个小短路信号，从而引起过载保护或低阈值短路保护误动作。

矩形波在占空比α小于0.5时，峰值检测校准误差为正，峰值校准得到的电流有效值比真实值大；当占空比α大于0.5时，峰值检测校准误差为负，表明峰值校准得到的电流有效值比真实值小。从图中还可以看出，矩形波的峰值检测校准误差明显小于三角波，当占空比α为0.2时才达到58.11%。

三角波和矩形波在不同占空比α下的均值检测校准误差曲线如图9所示。三角波的均值检测校准误差始终为负值，表明对三角波采用均值检测并按标准正弦波进行校准求得的电流有效值比实际值偏小，并且随着三角波占空比的减小，均值检测校准误差越来越大，当占空比α为0.2时，误差达到了-56.98%，即均值校准得到的电流有效值是真实值的0.430 2倍，这样的过流会被误认为是正常电流，从而使得过载保护拒动作。

矩形波在占空比α小于0.81时，均值检测校准误差为负，均值校准得到的电流有效值比真实值小；当占空比α大于0.81时，均值检测校准误差为正，表明均值校准得到的电流有效值比真实值大。从图中还可以看出，矩形波的均值检测校准误差略小于三角波，当占空比α为0.2时也达到了-50.33%，而且当占空比α为1时，矩形波出现最大为11.07%的正的均值校准误差。

由峰值检测校准误差曲线和均值检测校准误差曲线可得如下结论：

(1)峰值检测校准误差和均值检测校准误差可统一为脱扣校准误差。对于三角波和矩形波而言，脱扣校准误差仅与波形占空比α有关，并且随占空比α单调变化。

(2)脱扣校准误差为正值时，电子脱扣器检测到的线路电流有效值比真实值大，将会影响过载保护和低阈值短路保护，表现为脱扣器在正常工作电流下误动作。脱扣校准误差为负值时，电子脱扣器检测到的线路电流有效值比真实值小，将使脱扣器在过载电流下拒动作。

(3)三角波具有正的峰值校准误差和负的均值校准误差，且误差绝对值随波形占空比α的减小而增大。矩形波的峰值校准误差和均值校准误差均有正有负，但在波形占空比α趋于0时的误差绝对值要比α趋于1时的误差绝对值大得多。

(4)根据上述脱扣校准误差分析，可依据所带负荷类型适当调整电子脱扣器的电流保护整定值，以消除脱扣校准误差引起的保护装置误动作。

4 谐波总畸变率的误导性

下面将分别讨论利用三角波和矩形波的谐波总畸变率来分析电子脱扣器脱扣校准误差的误导性。对图5(a)所示的三角波，定义峰值偏移度β为

由高等数学基本知识可知，只要三角波的波形占空比α和峰值偏移度β恒定(即形状一定)，则其谐波组成不变，总谐波畸变率也恒定。而起始导通时刻的变化(即波形的平移)，实质为各谐波分量在不同的相位进行了叠加。

对占空比为α、峰值偏移度为β的三角波，将起始导通时刻作为计时零点，其傅里叶级数表达式为

式中：

总谐波畸变率为

图10给出了三角波总谐波畸变率与占空比α及峰值偏移度β之间的关系。THD值随占空比α的增大而减小，同时关于峰值偏移度β=0.5对称。当α值较小时，THD值在β=0.5处最大；当α值较大时，THD值在β=0.5处最小。这样，同一个THD值可能对应多个α值；即使对于同一占空比α，THD值也可能不同。

对图5(b)所示的矩形波，占空比为α，起始导通时刻为计时零点，其傅里叶级数表达式为

式中：

则总谐波畸变率为

式中，

图11给出了矩形波总谐波畸变率与占空比之间的关系。从图中可以看出，THD与占空比α有关，但非单调变化。α<0.74,THD值随着α的增大而减小；α>0.74,THD值随着α的增大而增大。这样，将会出现同一个THD值对应两个不同波形占空比α的情况。

从上面分析可知，对于三角波和矩形波，其波形系数、峰值系数及电子脱扣器脱扣校准误差均仅与占空比α有关，且存在一一对应关系，而总谐波畸变率与占空比α不是一一对应关系，即同一THD值可能对应多个不用波形占空比α，亦即对应多个不同脱扣校准误差值。所以，通过总谐波畸变率THD的值来反映畸变电流下的脱扣校准误差，只能定性分析，且具有误导性。

5 实例分析

以工业中广泛使用的电弧炉负荷为例，分析畸变电流引起的脱扣校准误差。利用Matlab/Simulink搭建电弧炉系统的仿真模型[14]，得到如图12所示的电弧炉熔化期电流波形。

该波形为典型的尖顶波，可用三角波近似等效，等效三角波的占空比为0.7。波形的正半周波峰值为2 900 A，正半周波均值为1 160 A，有效值为1 530 A。该波形对应两种检测方式的校准误差与近似三角波的校准误差值如表2所示，近似三角波与实际波形的校准误差相当。电弧炉电流峰值校准得到的有效值为2 048 A，均值校准得到的有效值为1 289 A。

由于电弧炉在熔化期电流值最大，而熔化期电流有效值为1 530 A，用于电流保护的断路器可以选择DW914(AH)-2000型号配电子脱扣器的低压断路器。在未考虑畸变电流下的脱扣校准误差时，断路器电子脱扣器的动作电流和动作时间整定值可按表3所示进行设置。

根据表3可知，过载长延时保护将在电流超过1.2Ir(即1 920 A)时动作。在电弧炉熔化最大电流值时，根据峰值检测校准得到的电流有效值为实际电流有效值的1.339倍(即2 048 A)，已超过过载长延时保护的动作值，将会引起电子脱扣器误跳闸。这是因为电子脱扣器的峰值检测校准误差为正，即过高估计了线路电流，导致实际动作电流值小于整定值。此时，若考虑脱扣校准误差，按1.339倍的负载额定电流来进行保护整定，即可避免脱扣器误跳闸。

6 结论

本文将典型的非线性负荷电流波形简化为三角波和矩形波，利用峰值系数和波形系数这两个特征量，定量分析了采用峰值检测和均值检测的电子脱扣器的校准误差，得到了峰值检测校准误差曲线和均值检测校准误差曲线。对于三角波和矩形波而言，其波形系数、峰值系数以及电子脱扣器的脱扣校准误差仅与波形占空比α有关，且存在一一对应关系。而谐波畸变率(THD)和波形占空比α之间并非一一对应，所以通过THD值来分析畸变波形下的脱扣校准误差具有误导性。总之，虽然电子脱扣器的校准误差是由波形电流畸变引起的，但却不能通过谐波畸变率来评估校准误差；而根据脱扣校准原理，从峰值系数和波形系数入手，可得到校准误差的精确表达式，以此可定量分析脱扣校准误差。

电子脱扣器的动作电流整定值允许在一定范围内自行调节，这样只要知道负载波形特征，就可以根据其校准误差曲线对动作电流整定值进行适当的调整，即可避免非线性负荷波形畸变造成的脱扣器误动作或拒动作现象。

电磁式漏电保护装置的脱扣器检测 篇2

以电磁式漏电脱扣器为例,介绍脱扣器相关的检测项目和实现方法。

1 检测参数

1.1 脱扣器工作过程

电磁式漏电脱扣器由永久磁铁和软磁材料组成磁回路进行工作,磁回路中的衔铁依靠永久磁铁的磁性吸合在磁轭工作面上,在磁轭中有一脱扣线圈,脱扣线圈直接与漏电互感器二次输出相连,即漏电信号直接驱动脱扣器工作。脱扣器结构见图1。

在正常状态衔铁是吸合在磁轭工作面上的,如a)所示,当有漏电信号且达到预设值时,脱扣线圈产生的磁场抵消永久磁铁产生的吸合磁场而使衔铁释放,脱扣器工作如b)所示,序9带动机构使保护装置跳闸,切断故障电路,并且机构再使脱扣器复位,即推序9使脱扣器从b)状态回到a)状态。

电磁式脱扣器的动作特性曲线如图2所示。

在衔铁没有释放之前,弹簧拉力Fs是一个定值且保持不变,随着释放电流i的增加,衔铁的吸力不断变小,吸力Fe与释放电流i之间存在一函数关系,当衔铁吸力Fe变小到与弹簧拉力相等时,衔铁开始释放,随着衔铁的释放,衔铁与磁轭吸合面气隙不断增大,吸力Fe急剧变小直到0。

在释放电流i=0时,即没有漏电信号,各参数满足:Φ=Um/Rm。Φ为永久磁铁(序6)产生的磁通;Um为永久磁铁(序6)磁势;Rm为磁回路总磁阻。

Fe为永久磁铁(序6)对衔铁(序4)的吸力;S为导磁体(序3)截面积,即磁回路截面积;K为系数。

将Φ代入式(1)得:Fe=(K×Um×Pi)2/(5 0002×S),Pi为磁导系数,即1/Rm。

当释放电流i≠0时,即去磁线圈有去磁磁势,:I2×W2=Φi×li/(μi×S)。W2为线圈绕组匝数;Φi为去磁线圈内产生的交变磁通;li为去磁线圈磁路长度;μi为脱扣器导磁体的磁导率。永久磁铁的B、H值要发生变化(即工作点变化),吸力公式变为:

Pc为假想的直流(永久磁铁产生的)磁导系数;Pcm为由永久磁铁与去磁线圈交链的平均磁通及永久磁铁的磁势Um所决定的磁导系数;Pcc为去磁线圈的磁导系数。Pc、Pcm、Pcc分别为:

式中:Pm为永久磁铁的磁导系数;Pe2为衔铁与导磁体极面之间气隙的磁导系数;Pe1为永久磁铁与导磁体极面的磁导系数;Pe为漏磁导系数。

对于高灵敏的漏电保护装置,除要求互感器有良好的输出特性,脱扣器有足以使主开关跳闸的弹簧反力和一定的保持力之外,动作功率P要小。P=I22×ZL,ZL为线圈阻抗。脱扣器动作功率、线圈阻抗与线圈匝数的关系曲线如图3所示。

1.2 工作特性参数

从脱扣器工作过程中可以知道脱扣器工作时脱扣线圈的电流i是一个重要指标,吸力Fe与i之间存在函数关系,吸力Fe与弹簧拉力Fs相等时是衔铁释放的标志(即脱扣器动作),Fs是通过设计而确定的。

通过对脱扣器各参数相互关系的分析,建立数学模型,试图寻找到影响脱扣器工作的关键特征参数,从而得出哪些是设计参数,哪些是加工参数。对脱扣器生产厂家来说,当各设计参数设计确定之后,就要对加工参数以及因种种原因造成飘移的参数通过直接或间接的方法进行检测控制,以保证实际脱扣器工作状态没有偏离设计目标,以确保产品工作的稳定性和可靠性。

通过分析,列出以下工作特性参数:(1)最小脱扣功率Pmin;(2)去磁线圈直流电阻R;(3)工作点阻抗Z;(4)标准条件下最小动作功率Smin;(5)标准条件下最大动作功率Smax;(6)工作点动作电流i(I2)。

1.3 尺寸配合参数

从脱扣器工作过程的介绍中,可以知道,脱扣器衔铁释放时脱扣力(即弹簧拉力Fs)要能够推动漏电保护装置机构的锁扣,使机构解锁,达到断开主触头的目的,衔铁释放后进入下一个工作周期还需要机构的复位件让衔铁复位,使衔铁重新吸合于磁轭极面,这个即是脱扣器的复位力,这个复位力大小要合适,若复位力过大会造成衔铁工作面损伤,改变吸合工作面的状态,使脱扣器工作点漂移,造成漏电装置脱扣电流不稳定,并且会大大降低脱扣器的使用寿命,若复位力过小,又会造成衔铁复位失败,以致机构不能够正常再扣,出现“滑扣”故障,产品不能正常使用。

所以脱扣器配合参数除了安装配合尺寸以外还有力度之间的配合:(1)安装尺寸;(2)推杆行程s;(3)推力(推杆行程s=0.2 mm)Fu;(4)推力(推杆行程s=1.5 mm)Fi;(5)复位力Fr。

2 检测方法

通常对于脱扣器的工作参数需要使用专用检测设备测试,彼此相互独立,比如去磁线圈直流电阻和阻抗用电桥测量,脱扣功率用功率表测量,动作电流用电流表测量,对动作功率的范围按常规方法测试会很麻烦,因为需要对永久磁铁进行定量退磁,在退磁过程中测量相应参数,安装尺寸可以使用投影仪测量或者使用专用检测器具进行检测,推杆行程可以使用红外线检测方法确定,推力和复位力使用测力计配合专用夹具进行测量,对于衔铁吸合面状态使用脱扣器动作一致性测试仪进行检验。

按着传统的方法对脱扣器参数进行检测耗时耗力,需要很多检测设备,并且还要制作专用夹具、检具,需要浪费很多人工,对检测的结果也不方便统计、整理、分析,并且按着生产厂家实际情况也难以实行全数检查,抽查检测又给品质带来风险,不利于脱扣器质量的控制。

所以需要设计一套能够检测所有参数的装置,脱扣器的装夹、检测、退出全部实现自动化,检测项目以及结果全部由程序自动完成,并且几十个工位同时操作,这是国外公司对脱扣器检测的做法。

具体操作过程是:脱扣器装夹的过程就对安装尺寸进行检测,若尺寸不合格,装夹不能成功,脱扣器自动退出。在确定衔铁释放时,脱扣电流、推力、推杆行程参数就全部测出,在夹具使脱扣器复位时检测复位力。测试装置带自动充、退磁功能,能够定量充、退磁,以确定脱扣功率和动作功率的范围,在退磁调整到工作点状态时,测量线圈直流电阻和脱扣阻抗。

脱扣器的定量充退磁是整个检测系统的核心,工作特征参数大多与之相关,充退磁调整曲线如图4所示。

其工作原理是通过控制对大电容充放电,产生瞬间高压作用于一环形线圈,线圈产生足够强的磁场使脱扣器永久磁铁磁化,接着给线圈一个逐渐衰减的交流电压,对永久磁铁退磁,通过对衰减的交流电压大小的控制,达到定量退磁的目的。

整个充退磁过程通过软件由程序自动完成,通过计算得出各动作功率值,并将检测结果存入数据库。

通过多次对永久磁铁充退磁操作,达到“磁锻炼”的目的,以使永久磁铁的工作点稳定。

3 结语

通过对电磁式漏电脱扣器工作过程的分析,找出脱扣器各参数之间的相互关系,确立设计参数与加工参数,列出关键检测指标,介绍检测方法。

电子脱扣器 篇3

某智能式SF6断路器配用的是一种以强力弹簧作为储能元件的机械式操动机构,合闸非常可靠,但使用一段时间后,断路器不能合闸。主控室出现该断路器“控制回路断线”信号,初步判断是控制回路的问题。于是对断路器机构进行检查,发现合闸脱扣器线圈被烧毁。

1 原因分析

通过进一步的检查,发现合闸脱扣器线圈被烧毁有以下两个原因:

(1)合闸脱扣器动铁芯生锈卡涩。该断路器整个操动机构装在耐腐蚀、结构紧凑的铝壳内,储能时电机通过减速装置使弹簧储存机械能。合闸棘爪释放简图如图1所示,合闸时,合闸铁芯撞击杠杆使合闸棘爪释放掣子,已储存的弹簧能量通过传动机构使断路器动静触头闭合。检查发现合闸脱扣器动铁芯已生锈,合闸时线圈虽然有DC 220V的额定电压,但由于生锈的铁芯卡涩造成撞击力不够,无法打开杠杆,致使合闸线圈长时间得电被烧毁。卡涩则是由于加热器电源故障已无法加热,导致断路器机构箱内不能保持干燥,引起铁芯生锈。

(2)合闸铁芯没装复位弹簧。该断路器合闸脱扣器动铁芯的行程在7mm左右,若没加装复位弹簧,则合闸后,铁芯就不能准确返回原位。再次合闸时,同样会由于铁芯撞击力不够,导致断路器无法合闸而烧毁线圈。

2 防范措施

针对引起故障的原因,提出以下几点防范措施:

(1)加强对加热器电源的管理,防止机构箱内的设备受潮生锈;

(2)对没有加复位弹簧的脱扣器加复位弹簧,如图2所示;

(3)定期检查脱扣器铁芯有无卡涩,行程是否在规定范围之内。

通过以上处理后,断路器正常合闸。

因此,建议出厂时断路器的分合闸脱扣器加装复位弹簧,以保证脱扣器的行程。

3 结束语

目前,断路器的机构故障所占比例非常大,而机构控制回路故障更为突出,因此,《预防高压开关事故措施》(技术措施)第4条规定:“分合闸铁芯应在任意位置动作灵活,无卡涩现象,以防拒分拒合”。因此对断路器分合闸铁芯卡涩、行程、动作情况必须加强防范。

摘要：介绍某变电站智能式SF6断路器不能合闸的情况。通过分析找出其原因,并提出脱扣器应加装复位弹簧和加强对加热器电源管理的措施。

欠电压分励一体化脱扣器的设计 篇4

关键词：欠电压,分励,脱扣器

欠电压脱扣器是一种断路器保护性附件,当受保护电路中电源电压发生一定的电压降时,能自动断开断路器,使该断路器以下的负载电器或电气设备免受欠电压的损坏[1]。一般万能式低压断路器的附件包括分励脱扣器、合闸电磁铁和欠电压脱扣器。HSW1-1000万能式低压断路器只有分励脱扣器和合闸电磁铁两个安装位置,没有设计欠电压脱扣器的安装空间。随着我国工业的发展,自动化程度的普及,对电网质量要求越来越高,许多用户也要求HSW1-1000万能式低压断路器具有欠电压保护功能。为此,文中就HSW1-1000万能式低压断路器在分励脱扣上集成欠电压脱扣功能,使欠电压脱扣器和分励脱扣器合二为一,为HSW1-1000万能式低压断路器增加欠电压保护功能进行了论述。

1 欠电压分励一体化脱扣器的组成

欠电压分励一体化脱扣器主要有控制电路和脱扣器两部分组成。

1.1 控制电路

控制电路如图1所示,由电源电路1、吸合脉冲产生电路及场效应管驱动电路2、释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路3、储能滤波电容4、欠电压检测控制电路5、分励信号检测控制电路6组成。

电源电路1输入端为欠电压脱扣器的进线端。欠电压脱扣器的电源电压经过电容C8和压敏电阻RV滤除干扰信号后经整流桥VD1输出脉动直流电,一路给欠电压检测控制电路5供电;一路经二极管V1隔离后给吸合线圈和释放线圈供电。该电源又经电阻R2限流,稳压管VW1稳压,电容C1滤波给吸合脉冲产生电路及场效应管驱动电路2和释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路3供电。

吸合脉冲产生电路及场效应管驱动电路2由电容C4、电阻R3、三极管V7组成的微分脉冲电路和三极管V8、场效应管VT1组成场效应管驱动电路组成,场效应管驱动吸合线圈吸合。

释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路3与吸合脉冲产生电路及场效应管驱动电路2基本相同,仅在输入端多加了一级由电阻R7、R8、三极管V9组成的反相器,场效应管驱动释放线圈释放。

储能滤波电容4由高压电容C2组成,并联与电源电路1的高压输出端,既是高压电源的滤波电容,又是欠电压失电后,释放线圈和释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路的能量提供者。

欠电压检测控制电路5输入信号一路来自电源电路1的整流桥输出,该路既是控制电路的电源提供者,又是欠电压信号的提供者;另一路来自分励信号检测控制电路6。该电路主要是由电阻、稳压管、三极管组成的滞回比较电路。输出分两路:一路给吸合脉冲产生电路及场效应管驱动电路2;另一路给释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路3。

分励信号检测控制电路6输入端为分励脱扣器的进线端。分励脱扣器的电源经电阻R13和R13′限流,整流桥VD2整流,电容C6、电阻R21滤波后驱动光耦N1,光耦N1输出端去控制欠电压检测控制电路5。

1.2 脱扣器

脱扣器部分如图2所示。

由铁芯1、盖板2、端盖3、吸合/释放线圈4、弹簧5、垫片6、磁铁7、外壳8组成。

吸合/释放线圈由两个绕组组成,两绕组极性相反,一个绕组用于铁芯吸合,另一个绕组用于铁芯释放。铁芯吸合后由磁铁保持吸合状态。

2 欠电压分励一体化脱扣器的工作原理

2.1 欠电压脱扣器部分工作原理

欠电压脱扣器加电时,当欠电压电源电压低于35%额定电压时,欠电压检测控制电路5中的稳压管VW2截止,三极管V12也截止,由于三极管V13基极电位始终高于集电极电位,因此当电源电压低于35%额定电压时,三极管V13始终导通,输出低电平,驱动释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路3,释放线圈释放,以达到断路器要求在35%额定电压时不能合闸的要求;当欠电压电源电压上升到85%及以上额定电压时,欠电压检测控制电路5的稳压管VW2导通,三极管V12导通,三极管V13截止,输出高电平,驱动吸合脉冲产生电路及场效应管驱动电路2,吸合线圈吸合,吸合后由磁铁保持,保证断路器要求在85%及以上额定电压时,断路器能合闸;当欠电压电源电压下降到70%~35%额定电压范围内时,欠电压检测控制电路5中的稳压管VW2截止,三极管V12也截止,三极管V13导通,输出低电平,驱动释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路3,释放线圈释放,以达到断路器的欠电压保护功能;当欠电压电源失电时,动作过程与欠电压基本相同,仅是释放脉冲产生电路及场效应管驱动电路的能量提供方式不同,失电动作的能量由储能滤波电容提供[1]。

2.2 分励脱扣器部分工作原理

欠电压脱扣器正常运行时(欠电压电源电压在85%额定电压及以上时),吸合线圈吸合后由磁铁保持,这时由分励脱扣器加电,分励信号检测控制电路6中的光耦N1输入二极管得电,输出开关管导通,把欠电压检测控制电路5的滞回比较电路的输入电位拉低,相当于欠电压的失电,驱动后续电路及释放线圈释放,断路器断开;当分励脱扣器加电结束,分励信号检测控制电路6中的光耦N1输入二极管失电,输出开关管截止,欠电压检测控制电路5的滞回比较电路的输入电位变高,相当于欠电压脱扣器上电,驱动后续电路及吸合线圈吸合,吸合后由磁铁保持,使断路器能再次合闸。

3 结语

该设计方案使一个脱扣器同时具有欠电压脱扣和分励脱扣的功能,采用永磁保持,使线圈在正常运行时不通电、节能、无噪音、线圈无温升且保持力由磁铁决定,保持力恒定,不受电网电压波动影响,运行可靠性比传统的欠电压脱扣器有了极大的提高,保障了供电质量。

参考文献

电子脱扣器 篇5

低压脱扣器作为电网在出现欠压、失压等故障时的保护设备,其安装面广、使用量大,在电网的日常运行中发挥了重要作用。另一方面,电网在实际运行中的电压暂降问题日益突出,已成为最严重的电能质量问题［１－４］。电力系统主网发生短路故障时, 所产生的电压暂降会渗透传播至配电网,导致配电网侧发生大范围的低压脱扣器误跳闸事件,给电力用户带来严重的负荷损失［５－７］,同样,配电网侧的电压暂降也可能导致类似事件的发生。因此,抛开电压暂降产生与传播的机理,系统地研究低压脱扣器在电压暂降作用下的动作特性(即电压暂降敏感度),具有重要的科研意义和应用价值。

长期以来,国内外学者围绕诸如交流接触器［８－１０］、调速驱动装置［１１］、计算机［１２］、照明灯具［１２－１３］等设备的电压暂降敏感度进行了大量试验研究,但尚未针对低压脱扣器开展暂降敏感度研究。同时, 考虑到现行国家标准GB/T 22710—2008［１４］在电压暂降试验方面明确指定以GB/T 17626.11— 2008［１５］作为参考标准,且该标准在设备电压暂降敏感度试验方面作了详细明确的规定与指导,因此具备开展低压脱扣器电压暂降敏感度试验研究的可行性。

另一方面,文献[8-13]的研究成果表明:暂降起始点相位是影响设备电压暂降敏感度的重要因素, 用暂降幅值、持续时间二维特征量已无法充分全面地描述设备的电压暂降敏感度。上述文献对同类型不同款式敏感设备进行了试验研究,但并未充分挖掘试验数据,建立该类型设备通用的三维(暂降幅值、持续时间、起始点相位)敏感度模型,因此所得结论不具有普遍适用性。

基于此,本文在考虑暂降起始点相位的基础上, 采用试验方法研究低压脱扣器在电压暂降作用下的动作特性,建立其通用暂降敏感度三维模型。在国内外研究成果［８－１３］基础上,依据文献[15]相关规定, 本文设计了低压脱扣器电压暂降敏感度试验平台和试验步骤,对市场上主流的6款低压脱扣器进行敏感度试验,形成37 653组试验数据。对同一款低压脱扣器在不同起始点相位下的试验结果作纵向比较,以及对不同款低压脱扣器在同一起始点相位下的试验结果作横向比较,结果表明:低压脱扣器电压暂降敏感度与暂降起始点相位及款式密切相关。综合考虑各款式低压脱扣器的试验结果作极值化处理,利用MATLAB曲面拟合工具箱sftool,从暂降幅值、持续时间及起始点相位3个维度上,建立适用于各款低压脱扣器的电压暂降敏感度三维模型。

1低压脱扣器工作机理

作为电磁一体化的保护设备,低压脱扣器是由控制电路和电磁系统构成,其中电磁系统主要是由铁芯、线圈、弹簧等组成。图1给出了低压脱扣器的基本结构图(实物图详见附录A图A1)。

根据GB 14048.1—2006［１６］对低压脱扣器性能的规定,同时结合其基本结构,对低压脱扣器工作机理进行如下分析。

1)当外施电压下降至额定工作电压的70% ~ 35%时,线圈的电磁力小于弹簧的反作用力,铁芯向上运动,推动断路器牵引杆,使断路器断开。

2)当外施电压等于或高于其额定工作电压的85%时,线圈的电磁力等于或大于弹簧的反作用力, 铁芯静止,断路器保持吸合状态。

此外,文献[16]还规定,当外施电压低于额定工作电压的35%时,低压脱扣器应防止断路器闭合。

由此可见,文献[16]从电压幅值的维度上对低压脱扣器的动作特性作了明确规定,而实际上除了幅值外,电压暂降的特征量还包括持续时间、起始点相位等,因此低压脱扣器在电压暂降作用下的动作特性亟待进一步深入研究。

2电压暂降起始点相位

2.1基本概念

电压暂降起始点相位是指发生电压暂降时,电压波形在该时刻所对应的相位。图2给出了暂降起始点相位θ 分别为0°和90°时的电压暂降波形示意图,其中u为电压暂降幅值,Uｅ为额定工作电压,t为持续时间。

2.2对设备电压暂降敏感度的影响

目前,设备电压暂降敏感度通常用幅值—持续时间平面上的电压耐受曲线(voltage tolerance curve,VTC)进行刻画。国内外学者对设备电压暂降敏感度进行了大量试验研究［８－１３］,成果表明:暂降起始点相位对设备VTC的分布影响显著。鉴于篇幅所限,以交流接触器为例作分析讨论。

文献[8]通过大量试验对交流接触器电压暂降敏感度进行研究,并绘制了其在不同暂降起始点相位θ 下的VTC。

图3给出了文献[8]中交流接触器在暂降起始点相位为0°,45°,90°时的VTC,VTC上方表示交流接触器电压暂降作用下的不动作区域,VTC下方表示动作区域。可以看到,起始点相位不同,交流接触器电压暂降敏感度差异明显,例如:当电压暂降持续时间为2个周期(40 ms),幅值为10%Uｅ时,若起始点相位为90°,交流接触器会确定动作;若起始点相位为0°和45°,则交流接触器确定不动作。

由此可见,暂降起始点相位是影响设备电压暂降敏感度的重要因素,仅用电压幅值—持续时间二维平面上的VTC无法充分描述设备电压暂降敏感度。

2.3国标规定

文献[15]在电压暂降试验方面,对暂降起始点相位作了明确规定,认为对于暂降敏感度试验,优先选择暂降发生在电压过零处(即暂降起始点相位为0°),若需要,也可附加测试几个角度,每相优先选择45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°。

基于上述分析,本文选择暂降幅值、持续时间、 起始点相位3个特征量表征电压暂降,通过试验方法,深入研究低压脱扣器电压暂降敏感度。

3低压脱扣器电压暂降敏感度试验

3.1试验平台

文献[15]规定了被测试设备电压暂降敏感度试验平台原理图(如图4所示),作为设计低压脱扣器电压暂降敏感度试验平台的依据。

图4中,电压暂降发生器产生暂降信号,提供给被测试设备,伏特表示波器用于监测暂降信号,确保其准确、可靠。关于电压暂降发生器,文献[15]提供了3种不同样式,即调压器与开关组合、波形发生器与功率放大器组合、抽头变压器与开关组合,具体的拓扑结构可参考文献[15],在此不做展开。本文以图4为依据,建立了低压脱扣器电压暂降敏感度试验平台(实物图详见附录A图A2),电压暂降发生器采用自行研制的、基于现代电力电子技术的大功率电压暂降发生装置［１７］,为低压脱扣器提供电压暂降信号,其技术参数如下:带负载容量为三相/单相AC 380V/50A,暂降模式为三相暂降/单相暂降, 幅值为1% ~95% (步长为0.2%),持续时间为10ms~1 min(步长为1 ms),起始点相位为0°~ 359°(步长为1°),暂降信号间隔时间为5 ms~ 1min(步长为1ms),触发模式为手动,电源为AC 220V(50Hz)。采用监测性能更好的日置HIOKI 3196代替图4中的伏特表示波器,监测电压暂降信号;低压脱扣器选择目前市场上主流的6种款式,其基本信息见表1。

3.2试验步骤

试验步骤的设计基于如下两点考虑。

1)试验目的是测试低压脱扣器在暂降幅值、持续时间、起始点相位3个特征量组合作用下的动作情况。

2)考虑到低压脱扣器在某些电压暂降信号作用下的动作情况可能存在不确定性(既可能动作,也可能不动作),文献[15]规定了同一暂降信号应该重复3次提供给被测试设备。为进一步提高精度,本试验重复10次,观察记录低压脱扣器动作情况。

所设计试验步骤具体如下。

1)调节电压暂降发生器,使其输出电压幅值为低压脱扣器额定工作电压Uｅ,待低压脱扣器通电稳定运行后开始测试。

2)电压暂降起始点相位θ 从0°开始,以15°为步长,由小到大进行调节,调节范围为0°~360°。

3)电压暂降幅值u从10%Uｅ开始,以5%Uｅ为步长,由小到大进行调节,调节范围为(10% ~ 90%)Uｅ。

4)针对每个θ 和u,电压暂降持续时间t从10ms开始,以1ms为步长由小到大进行调节,调节范围为10ms~1min。

5)由u和θ 以及t组成的测试信号重复10次提供给低压脱扣器,观察低压脱扣器动作情况,记录下持续时间tｍｉｎ和tｍａｘ(即t≤tｍｉｎ时低压脱扣器始终不动作,t≥tｍａｘ时低压脱扣器的动作次数等于测试信号频次,tｍｉｎ<t<tｍａｘ时低压脱扣器动作,但动作次数小于测试信号频次),作为试验结果。

3.3试验环境

为保证试验顺利进行,结合低压脱扣器通常的工作条件［１６］,给出本试验的环境条件如下:电磁环境为环境1(文献[16]将低压电器工作的电磁环境明确分为两类,即环境1与环境2,并且规定了每种环境下辐射发射和传导发射限值,具体值详见文献[16]),气候环境中温度为-5~35 ℃,相对湿度为10%~75%,标准大气压为101kPa。

3.4试验规模

试验过程中电压暂降发生器累计共输出37 653组测试信号,即产生了37 653组试验数据与之对应,其中,低压脱扣器始终保持不动作的试验数据共计22 812组;低压脱扣器动作且动作次数小于测试信号频次(即动作情况模糊不确定,或者动作, 或者不动作)的试验数据共计11 055组;低压脱扣器动作且动作次数等于测试信号频次的试验数据共计3 786组。各款式低压脱扣器的试验规模见表2。

3.5试验结果

从37 653组试验数据中,提取各款式低压脱扣器在不同u及θ 下对应的tｍｉｎ和tｍａｘ。考虑到篇幅所限,以T１款低压脱扣器为例,给出其在θ 为0°~ 90°时的试验结果,以及θ 为90°时T１至T６款低压脱扣器的试验结果,如表3和表4所示。

注:电压幅值大于50%Uｅ时,持续时间在10ms~1min变化时,T1款低压脱扣器始终不动作。

注:电压幅值大于50%Uｅ时,持续时间在10ms~1min变化时,T1,T2,T3,T4,T6款低压脱扣器始终不动作;电压幅值大于35%时,持续时间在10ms~1min变化时,T5款低压脱扣器始终不动作。

4试验结果分析

4.1纵向比较分析

为便于对同一款低压脱扣器在不同暂降起始点相位下的动作特性作纵向比较分析,根据表3中数据,绘制T１款低压脱扣器在 θ 为0°~90°时的VTC,如图5所示。

由图5可得出如下结论。

1)对于每个起始点相位,T１款低压脱扣器的动作区域与不动作区域之间存在明显的中间过渡地带(模糊区域),说明低压脱扣器电压暂降作用下的动作特性存在动作区域、不动作区域、模糊区域。

2)起始点相位不同,T１款低压脱扣器VTC差异明显,说明起始点相位也是影响其电压暂降敏感度的重要因素,即低压脱扣器电压暂降作用下的动作特性是由暂降幅值、持续时间、起始点相位等特征量综合决定。

3)结合表3中数据,进行综合分析可知:10°≤ θ≤90°时,u在[10%,50%]Uｅ变化时,θ 为60°时所对应的tｍｉｎ和tｍａｘ总体上均达到最大,即当θ 为60° 时动作区域最小,不动作区域最大,说明此时T１款低压脱扣器电压暂降敏感度最小,最不易动作;2θ 为15°时所对应的tｍｉｎ和tｍａｘ总体上均达到最小,即 θ 为15°时其动作区域最大,不动作区域最小,说明此时T１款低压脱扣器电压暂降敏感度最大,最容易动作。

4.2横向比较分析

针对不同款式低压脱扣器在同一暂降起始点相位下的动作特性,可作横向比较分析。根据表4中数据,绘制T１至T６款低压脱扣器在θ 为90°时的VTC,如图6所示。

由图6可得出如下结论。

1)不同款式低压脱扣器,其VTC差异较大,说明款式不同,低压脱扣器的电压暂降敏感度明显不同。

2)结合表4中数据,针对6款低压脱扣器的动作区域及不动作区域作比较分析,可知:1T５款低压脱扣器的动作区域最小,不动作区域最大,说明其电压暂降敏感度最小,发生电压暂降时,最不容易动作;2T２款低压脱扣器的不动作区域最小,动作区域最大,说明其电压暂降敏感度最大,发生电压暂降时,最容易动作;3其他款式低压脱扣器的电压暂降敏感度介于二者之间。

4.3敏感度模型建立

4.3.1极值化处理

基于试验结果的纵横向比较分析可知,起始点相位以及低压脱扣器款式都是影响其暂降敏感度的重要因素。为建立低压脱扣器电压暂降敏感度模型,必须要考虑上述两种因素。

为得到通用于各款低压脱扣器的确定动作区域及确定不动作区域,可对试验结果作极值化处理。

假设tｍｉｎ（ｉ）和tｍａｘ（ｉ）为Tｉ(i=1,2,…,6)款低压脱扣器在某一幅值u和起始点相位θ 的试验结果tｍｉｎ和tｍａｘ,分别取tｍｉｎ(i)和tｍａｘ(i)极小值和极大值表示为tmin(eq)和tmax(eq),即

利用上述公式处理6款低压脱扣器试验结果, 求出相应的tmin(eq)和tmax(eq)。

4.3.2曲面拟合

曲面拟合可用MATLAB中的拟合工具箱sftool［１８］实现。本文为提高拟合精度,依据大规模试验数据分布特征,对曲面的非线性部分,按照θ 取值范围分为[0°,90°],[90°,180°],[180°,270°], [270°,360°]4个区间进行分片拟合。

图7(a)和(b)分别给出了低压脱扣器电压暂降敏感度曲面的测试结果和最好的拟合结果示意图, 其中图7(a)是根据大规模的试验数据(u,θ,tｍｉｎ（ｅｑ）) 和(u,θ,tｍａｘ（ｅｑ）)绘制而成,图7(b)是利用sftool工具箱拟合而成。曲面1上方区域表示低压脱扣器的确定不动作区域,曲面2下方表示低压脱扣器的确定动作区域,曲面1和2之间区域表示低压脱扣器模糊区域。

鉴于篇幅所限,以曲面2的非线性部分在θ 取[0°,90°]为例,说明拟合过程以及拟合曲面与测试曲面的误差。拟合过程如下。

1)根据大规模的试验数据(u,θ,tｍｉｎ（ｅｑ）)和(u, θ,tｍａｘ（ｅｑ）),兼顾拟合函数复杂程度及数据分布特征,选择二次多项式、三次多项式、指数函数、正弦函数、指数函数与多项式组合、正弦函数与多项式组合等6种类型函数,分别进行拟合,具体拟合步骤详见文献[18],建立函数关系u=U２(θ,t)。

2)由于函数关系中包含两个自变量θ 和t,对每种类型函数可能存在的多种数学表达均作拟合,选择其中拟合精度最高的作为该类型函数的拟合结果。

至于拟合精度,sftool工具箱提供了评价曲面拟合精度的4个指标:残差平方和(SSE)、均方根误差(RMSE)、决策系数、校正后的决策系数,SSE和RMSE越小,决策系数越接近于1,说明拟合精度越高［１８］。表5给出每种类型函数所对应的拟合精度。

从表5可以看出:不同类型拟合函数,其拟合精度存在明显差异;函数类型为三次多项式时,决策系数指标最接近于1,且SSE和RMSE最小,拟合精度最高,误差最小。因此,选择三次多项式作为曲面2的非线性部分在θ 取[0°,90°]时的拟合结果,具体为:

按上述拟合过程,可得到曲面1和2在θ取值为其他区间时,非线性部分最好的拟合曲面及相应的数学表达U1(θ,t)和U2(θ,t)。

因此,电压暂降发生时,根据电压暂降特征量(幅值为u０,持续时间为t０,起始点相位为θ０),按θ０和t０代入最好的拟合曲面1和2的数学表达式,得到U１(θ０,t０)和U２(θ０,t０),然后根据如下规则评估低压脱扣器动作特性。

1)若u０>U１(θ０,t０),则低压脱扣器确定不动作。

2)若u０<U２(θ０,t０),则低压脱扣器确定动作。

3)若U２(θ０,t０)≤u０≤U１(θ０,t０),则低压脱扣器动作情况不确定,既可能动作,也可能不动作。

5结论

1)基于国家标准GB/T 17626.11—2008,设计了电压暂降敏感度试验平台和步骤,对主流的6款低压脱扣器进行37 653次试验。结果表明:低压脱扣器的暂降敏感度是由暂降幅值、持续时间、起始点相位等特征量以及款式等因素综合决定。

2)利用曲面拟合方法,从暂降幅值、持续时间、 起始点相位3个维度上建立了通用于各款低压脱扣器的暂降敏感度模型。 大量试验数据的获取及MATLAB拟合工具箱的应用确保了模型准确可靠。所建模型可全方位评估低压脱扣器在电压暂降下的动作特性,也为低压脱扣器抗暂降干扰的优化设计、运行管理提供了重要理论支持。

3)本文为全面综合考核设备电压暂降敏感度提供了一种重要思路,可借鉴本文所设计的试验平台、 步骤及建模思路,实现对其他设备电压暂降敏感度的全面综合评估。

电子脱扣器 篇6

欠电压脱扣器是指配电线路的电压降至某一规定范围时, 使断路器断开的一种脱扣器, 为了避免用电设备在欠电压情况下, 非正常运行而受到损坏, 断路器一般都配有欠电压脱扣器。但在实际运行中, 因欠电压脱扣器的质量参差不齐, 稳定性不好, 和电网供电质量的影响, 欠电压脱扣器发生故障时, 断路器不能工作。特别是万能式断路器影响面大, 给用户和生产商造成很大难题, 甚至因原因不清、责任不明而产生纠纷, 在此结合十几年生产万能式断路器的经验和用户质量反馈, 对万能式断路器的脱扣器常见故障进行分析, 并摸索出一套解决的方案, 供大家参考。

1 欠电压脱扣器自身质量故障的原因

欠电压脱扣器是断路器附件里结构复杂、技术要求高且最易损耗的附件, 因为它直接与主回路连接, 属于长期工作状态。即独立工作又易受外界干扰。欠电压脱扣器由动静铁芯线圈、外壳、电子线路板组成, 有助吸式和自吸式两种型式。

1) 助吸式欠电压脱扣器的优点与缺点:优点是无复杂电子线路板, 无需担心电网干扰。缺点是由于工艺精度不够和材料原因, 与断路器本体配合时, 助推力不正时, 会造成动静铁芯吸合不可靠, 运行时出现交流噪音, 线圈电流变大, 铁芯铁损加剧, 最后导致线圈自行发热烧毁。有时推杆变形或推杆行程不够, 铁芯无法吸合, 导致断路器无法合闸。还有在欠压线圈绕制中, 拉得过紧, 匝间绝缘破坏, 长期通电或电网出现过电压时, 烧损欠电压脱扣器线圈, 或线圈引线焊接不牢固、虚焊, 运行一定时期后发生断线故障, 导致断路器无法正常工作。

2) 自吸式欠电压脱扣器的优点与缺点:优点是安装简单、方便, 受用户喜爱, 近几年大量使用。缺点是此结构采用比较复杂的电子线路, 当电子控制部分电子元件筛选不严、老化不够、在运行中失效或受外界干扰时, 欠电压脱扣器易损坏, 致断路器无法正常工作。都是制造商在设计、生产中出现的人为质量原因, 需加强管理、严格控制, 把故障降到最小。

2 电网质量引起的故障

1) 电压波动幅度过大引起脱扣器线圈烧毁。我国电网发展很快, 配电设备比较先进, 正常运行时, 低压端电压是400 (1±0.05) V左右波动, 电压波幅在欠电压脱扣器的 (85%～110%) Ue允许的范围内, 断路器正常运行。但是, 如晚上或者节假日, 运行的重负荷设备停用, 电网电压就会上升到460～470 V;使脱扣器在非正常电压下运行, 长时间会发生线圈温度过高而烧毁事故。

2) 过电压引起电子控制线路损坏。过电压是电网中常见的故障之一, 在电网运行中, 某大型感性负荷副边突然断线, 造成感性负荷向原边放电, 产生瞬间过电压, 或者雷电感应和电网谐振的原因均可产生过电压。有的过电压是瞬态的, 有的是持续较长时间的相间或相对地过电压, 对电子元件造成严重损伤, 使欠电压脱扣器失效。

3) 电网谐波的影响。随着科技进步, 现代电力系统中非线性负载越来越多, 如整流器、逆变器、大容量的电力晶闸管、电容性设备等。这些在传递、变换、吸收电力系统所提供的基波能量的同时, 向电力系统发送出大量高次谐波。谐波对电网危害很大, 对供电设备和控制元件都有损耗和干扰, 特别是7次、5次、3次谐波会使脱扣器控制线路中的电容过热, 发生“胀肚”等故障, 使脱扣器失效, 影响断路器的使用。

4) 欠频的影响。电网欠频现象虽然不多, 但也偶有发生, 具资料记载, 有时电网严重欠频时, 频率只有24 Hz, 使欠电压脱扣器控制线路中的电容损坏, 使脱扣器失效。

综观万能式断路器欠电压脱扣器的故障原因, 发现产品上市初期, 欠电压脱扣器本身质量问题较多, 随着技术攻关和改进, 质量逐步稳定。相反电网质量的原因, 不断上升。如图1所示, 随着万能式断路器产量逐步增大, 欠电压脱扣器已由单一的产品质量问题上升为设计、生产、用户三者利益关系, 应引起大家高度重视。

针对万能式断路器欠电压脱扣器质量问题, 从实际情况出发, 采取设计院、生产厂、用户三方综合解决的措施, 取得良好的效果。

首先, 必要性。设计院在选用万能式断路器欠电压保护功能时, 应考虑负载情况是否必需。如公司接到此类订单时, 会与用户沟通, 说明欠电压脱扣器的优缺点, 请慎重选择, 如果必须采用则提醒设计院, 在线路设计时, 应采取消除电网故障的措施, 如抑制谐波、预防雷电、过压等, 从系统上消除对欠电压脱扣器的影响。

其次, 严格控制欠电压脱扣器的质量。近几年根据用户的质量反馈, 进行不断改进。对电磁线圈进行真空浸漆, 提高绝缘性。修改电子线路设计提高欠电压脱扣器的电压应用范围, 防止过电压。尽量减少电容元件, 以增强抗谐波能力, 通过一系列的改进, 欠电压脱扣器自身故障大幅降低, 运行稳定。

电子脱扣器 篇7

1 脱扣器结构组成及原理

HSM1z-160脱扣器主要有:壳体、端板、推杆、衔铁、垫块、导磁片、磁钢、称套、线圈、弹簧、轴组成。脱扣器结构如图1所示。脱扣器是一种含有复位装置的断路器脱扣装置,它将磁性元件、导磁体、线圈、衬套、储能器、驱动元件等紧凑地安装在一个体积很小的壳体内,并由磁性元件、壳体、导磁片、动作元件组成一个特定的磁回路。在常态下,衔铁在永磁体作用下保持吸合状态,即该磁回路将储能器处于最大的势能状态,当控制器检测到主回路过载或短路,给脱扣器一个一定强度短时持续脉冲信号(持续时间由软件控制)使线圈通有电流而产生反向磁通破坏了脱扣器内的磁回路,储能器释放能量,衔铁弹出推动推杆,推杆再推动断路器上的牵引杆执行动作,从而使断路器可靠分闸。

2 脱扣器零件设计时应注意的问题

对脱扣器零件选择时应注意以下几点:

(1)弹簧力同断路器脱扣力相比应有一定裕度,这个裕度不能太大,否则又增加了再扣力,使断路器不能可靠合闸,反之,虽减小再扣力,使断路器能可靠合闸,但却不能使断路器可靠分闸,因此弹簧力必须适中。

(2)线圈串接在线路中,流过的电流大,为减少对电路的影响,线圈的导线应粗,匝数少。

(3)在选择壳体及铁芯材料的导磁性同时,应考虑其价格及流通度;在实际设计中,因受体积及材料价格限制,参考脱扣力、磁钢参数应先确定。

(4)脱扣器与断路器之间的行程设计也应合理,否则,会影响到脱扣器对断路器的冲击力,及再扣时断路器对脱扣器的作用力。

3 结构零件技术参数分析比较

以智能型断路器生产的各个规格的脱扣器为例比较,大致可分为两种,一种是把储能器放在执行部件里面,且放在磁回路里面(暂且称作A);另一种是把储能器放在执行部件外面,且不放在磁回路里面(暂且称作B)。规格A适用于结构紧凑、体积小的壳架电流,规格B适用于规格A以外的整个壳架系列,HSM1z-160脱扣器属于规格A。

因HSM1z-160智能型断路器空间关系,要求脱扣器的设计必须体积小。这样脱扣器的各个零件设计要求也比较严格,也就是说要作为关键件或主要件设计。在设计中,虽然每个零件都很重要,但在实际生产中对脱扣器影响较大的却是个别,在最初生产的几千只HSM1z-160脱扣器中发现,影响比较大的零件是壳体、衔铁。由于最初壳体和衔铁的选材为铁镍软磁合金,不是常备材料,加工前要求真空退火处理,加工后又要真空退火处理,所以不但加工周期长,而且价格比较贵,再加上铁镍软磁合金易变形,除加工成形时有报废,电镀时更易变形,虽然工艺上从滚镀改为吊镀有所改变,但同端板铆合时还会变形,壳体变形导致壳体密封性降低,也就增大了磁路气隙,进而影响脱扣脉冲电压不稳定。壳体的密封不一致比材料对整体的影响更大,所以应选择具有一定导磁性又不易变形的材料作壳体更恰当,如B规格就选择比较常见的冷轧钢板作壳体材料,虽然导磁性降低,但一致性较好。脱扣器在设计轴时应考虑同端板的配合,轴径偏小,装配后虽能保证可以自如进出,但会左右摆动,从而影响产品的可靠性。在实际设计中用实践与理论相结合的方法解决了轴孔配合问题。

下面对两种规格的脱扣器设计参数作一比较,如表1所示。

注:零件材质相同。

4 功能技术参数分析比较

脱扣器的驱动电路一致,都是通过脉冲信号控制MOS管,再利用MOS管的开关功能来控制脱扣器中衔铁动作。脱扣器的结构设计对实现脱扣器应达到的功能有很大的影响。功能技术参数比较如表2所示。

注:同一电压(15 V)下测试。

当然,线圈匝数对脱扣器技术参数也有一定的影响,对规格A产品来说,曾试验过将匝数减少一定数量,其对脱扣器技术参数的影响来看不是非常明显。

在实际使用中施加在规格A与规格B上的持续脉冲都应有限,原因有两点:

(1)导通时流过线圈的电流比较大,线圈容易发热。

(2)导通时主回路电流过大,而总功率一定,这样主回路电压拉低,使控制器不能正常工作。

5 实际生产情况分析及改进

在已逐渐投入生产的产品中,对于现有的技术指标同国内外差距不大,但是质量不稳定,因此提高可靠性及产品质量不仅是用户的要求,也是企业进行国内外竞争的需要。

在最初的实际生产中,规格A,其零件、成品的报废率持高不下,不仅浪费了财力、物力,提高了产品的成本,也严重影响了产品的正常供货。脱扣器零件都作为主要件或关键件要求生产,但在现有的生产条件下,加工出的零件合格率偏低,每一点不足都可能导致成品的报废或不稳定。这就不适合在现有条件下的批量生产,必将失去产品的竞争力,因此产品的改进势在必行,现主要对以下三方面进行改进。

5.1 对壳体的改进

针对壳体来讲,首先对材料改进,原先用铁镍软磁合金带,虽然导磁性好,但材质较软,在加工及装配过程中易变形,且供货周期较长,而且冲加工前和加工后技术上都要求真空热处理,后改为冷轧钢板,技术上也不用真空热处理;其次对表面处理的改进,原先表面处理为Ep.Ni10Cr0.3,改为Ep.Zn12.c2C,以上两方面的改进后,壳体易变形现象大大改进,同端板铆合时保持性较好,这就解决了脱扣器脉冲电压不稳定现象,提高了产品的合格率,不但节约了成本,还缩短了加工周期。

5.2 对衔铁的改进

原先衔铁用铁镍软磁合金棒,后来更改为通用的电磁纯铁棒,技术上要求真空热处理,改为取消真空热处理,表面处理为Ep.Ni10Cr0.3,改为Ep.Zn12.c2C,以上改进,同样不但节约了成本,还缩短了加工周期。

5.3 设计上的改进

在实际生产中,发现脱扣器同断路器的配合有不稳定的现象,但是,脱扣器的各零件参数选择几乎达到了极限,于是改变推杆,从原先平面改为圆弧面,利用圆弧面接触面积小的特点,相对增大推杆的推力,这样,在不增大弹簧力的情况下,可解决冲击力不足的现象,从而保证了断路器的可靠分闸和合闸。

6 结语

产品的设计,在理论指导下,并不是个难题,但设计出的东西能适合批量生产才称得上产品。而实际生产中零件加工工艺的优劣,对脱扣器动作检测电压有着很大影响。有时理论设计已非常合理,但往往一个零件加工工艺稍不太理想,就会引起脱扣器检测电压偏出范围,所以只有经过反复摸索试验才能设计出可适合现有条件下大批量生产的产品。

综上所述的是一种塑料外壳式断路器脱扣的执行机构,属于低压电器制造技术领域。在塑料外壳式断路器有限空间内,其设计具有体积小、功耗低、动作快及工作可靠性高等特点,这将对低压电器向智能化、模块化、小型化、通信化方向发展,起着巨大的作用。

参考文献