“零斷電”更換控制器的實(shí)施——低壓萬(wàn)能式斷路器的新配置

付春秋 卜浩民

（上海良信電器股份有限公司，上海 200137）

1 概述

首先引入一個(gè)新名詞“零斷電”：在低壓斷路器主回路正常運(yùn)行（通電）的情況下，如果作為其控制部分的電子模塊出現(xiàn)故障或故障隱患，能在保持?jǐn)嗦菲魅越油ǖ臓顟B(tài)下帶電更換電子控制模塊，從而保持了供電的不中斷，保證供電的連續(xù)性。

對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了設(shè)備或線路出現(xiàn)故障時(shí)，需要斷路器起動(dòng)保護(hù)、切斷主回路外，其他斷電都是希望避免的，尤其在一些重要用電場(chǎng)合，必須保證供電的連續(xù)性。但受斷路器本身的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)斷路器本身出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)發(fā)生電力系統(tǒng)的被動(dòng)斷電。是否有“零斷電”的解決方案呢？

隨著電子、數(shù)字、智能技術(shù)的進(jìn)步，智能型低壓斷路器以其保護(hù)功能全面、智能化、可通訊、體積小等優(yōu)勢(shì)已逐步替代傳統(tǒng)熱磁式斷路器。但在大量使用中，也逐步暴露出電子產(chǎn)品的不足，老化及干擾影響到產(chǎn)品的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，老化失效是電子產(chǎn)品自身特點(diǎn)決定的，它帶來(lái)保護(hù)及智能化功能的失效；同時(shí)電網(wǎng)質(zhì)量的影響也不容忽視，隨著人們生活水平的不斷提高，各種新型電氣設(shè)備的普及，特別是變頻設(shè)備的大量應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)的質(zhì)量造成了嚴(yán)重的影響，這些都考驗(yàn)著電子器件的穩(wěn)定性，它能否正常工作，直接影響電源供電的質(zhì)量和供電的持續(xù)性。自身老化影響加上外部干擾的影響，縮短了斷路器智能控制器使用壽命。當(dāng)發(fā)現(xiàn)智能控制器有故障或故障隱患時(shí)，現(xiàn)在的做法是切斷電源，更換或維修故障部件。能不能不切斷電源，在保持連續(xù)供電下就可以更換控制器呢?這就是我們要討論的零斷電解決方案—“零斷電”更換智能控制器的斷路器。這也是應(yīng)上海市供電公司的需要而開(kāi)發(fā)的一款派生產(chǎn)品。

2 結(jié)構(gòu)要求

1）能在配電柜門關(guān)閉情況下更換控制器的模塊化結(jié)構(gòu)

由于低壓配電柜與內(nèi)裝萬(wàn)能式斷路器一般都有門聯(lián)鎖，打開(kāi)柜門，斷路器會(huì)自動(dòng)跳閘。這就要求在更換控制器部件時(shí)，不能打開(kāi)配電柜柜門。萬(wàn)能式斷路器裝在配電柜內(nèi)，只有其面罩露在柜門上，因此要求模塊化控制器的整體結(jié)構(gòu)必須在面罩的范圍內(nèi)能取出，且要求簡(jiǎn)單方便。

2）外形及安裝尺寸的協(xié)調(diào)性

因?yàn)槭菍?duì)現(xiàn)有斷路器的改造，所以新控制器的外形尺寸不能超出原有控制器，安裝位置及尺寸不能有變化，內(nèi)部布局可以根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為了同時(shí)能替代已投入運(yùn)行的產(chǎn)品，要求與現(xiàn)有成套柜的安裝具兼容性。因此新控制器要滿足和原有產(chǎn)品相同的安裝尺寸和不大于的外形尺寸。

3）與斷路器本體須連接可靠、解鎖方便、更換迅速

因?yàn)樵谌〕鲈锌刂破鞯叫驴刂破靼惭b到位前的時(shí)間間隔中，相應(yīng)保護(hù)功能會(huì)喪失，若此時(shí)有需要?jiǎng)幼鞯墓收铣霈F(xiàn)，會(huì)失去相應(yīng)的操作指令及保護(hù)動(dòng)作。為此，要求整個(gè)更換時(shí)間越短越好，暫以不超過(guò)15s為目標(biāo)時(shí)間。

機(jī)械連接結(jié)構(gòu)在保證連接穩(wěn)定可靠的前提下應(yīng)便易解開(kāi)，希望通過(guò)最簡(jiǎn)單的操作方式，實(shí)現(xiàn)一鍵解鎖，保證連接可靠和更換快速。據(jù)此，擬盡量不采用傳統(tǒng)的螺釘、螺母連接方式。

4）電氣接觸連接的快速、可靠、耐久

為了滿足能快速更換的要求，相應(yīng)的電氣連接接插件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，常規(guī)的單點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)不能滿足接觸可靠及耐震動(dòng)的要求，也不能滿足快速接插要求。需通過(guò)重新選型或設(shè)計(jì)專用型接插件實(shí)現(xiàn)可靠接觸的要求。

智能控制器通過(guò)電氣接插件連接，即使只有一個(gè)接點(diǎn)接觸不良，就會(huì)導(dǎo)致斷路器部分功能喪失，這種質(zhì)量隱患是不允許的。與控制器的電氣連接，多是通過(guò)弱電信號(hào)，因此降低接觸電阻、保證接觸良好尤為重要。接觸片一般為銅件，表面鍍銀或鍍金，接觸面長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，會(huì)形成低導(dǎo)電率的覆蓋層，導(dǎo)致接觸不良。接插件的上下對(duì)接及滑動(dòng)，有利于去除接觸表面的氧化層，達(dá)到可靠接觸的效果。

因有多回路同時(shí)插拔，為提高多路接插配合的準(zhǔn)確度、接插壽命和抗震能力，此對(duì)接過(guò)程不應(yīng)是硬性（剛性）連接，而是通過(guò)“軟性連接”配合、多點(diǎn)接觸等措施提高其接觸可靠性。

5）有防止非正常誤操作的措施

因新智能控制器的更換簡(jiǎn)便，為了防止非常規(guī)的誤操作而引起的誤設(shè)、誤動(dòng)，在控制器外部擬加設(shè)帶鎖定結(jié)構(gòu)的透明防護(hù)罩，只有指定的專業(yè)人員才能解開(kāi)鎖定，打開(kāi)防護(hù)罩，進(jìn)行設(shè)定操作。

6）控制器安裝和接線到位的外部指示

受產(chǎn)品的空間限制，操作者不可能直接看到控制器裝配是否到位，因此需要能通過(guò)外部燈光或聲音，指示裝配和接線到位的狀態(tài)。

7）電氣接插件的插拔力應(yīng)在合理范圍內(nèi)

電氣接插件的插拔力是受接插件的結(jié)構(gòu)決定的，插拔力太大，影響控制器更換速度，也影響接插件自身及周邊器件的壽命；插拔力太小，影響產(chǎn)品接觸可靠性，會(huì)導(dǎo)致接觸不良而發(fā)熱。應(yīng)根據(jù)不同的斷路器，選擇或設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕硬寮诒ＷC接觸可靠的前提下，力爭(zhēng)提高壽命。

3 性能要求

1）控制器更換過(guò)程的人身安全防護(hù)

因主電路為 AC400V或 AC690V的不安全電壓，在更換控制器時(shí)，必須與操作者有效隔離。操作端可能觸及的部件電壓不得高于 36V，此要求必須貫徹在設(shè)計(jì)中?？赏ㄟ^(guò)絕緣隔離、結(jié)構(gòu)重置、接地等實(shí)現(xiàn)全面安全防護(hù)。

2）確保更換過(guò)程中電子元器件的安全

對(duì)計(jì)算機(jī)等設(shè)備，通常不能帶電更換其外接設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等，否則會(huì)損壞設(shè)備或丟失數(shù)據(jù)等。同樣在斷路器中，帶電插拔控制器時(shí)，更會(huì)有電弧及高電壓產(chǎn)生，這對(duì)相關(guān)電子器件都會(huì)產(chǎn)生一定的損害和破壞，同時(shí)還可能危及操作者的安全。所以需要對(duì)相關(guān)元器件作出有效保護(hù)性設(shè)計(jì)，保證在更換控制器過(guò)程中不產(chǎn)生電弧及高電壓。

3）誤動(dòng)作的防范

智能控制器正常起動(dòng)時(shí)具有自診斷和自保護(hù)功能，當(dāng)卸下控制器時(shí)，因檢測(cè)到外部信號(hào)丟失，會(huì)下達(dá)動(dòng)作指令，使產(chǎn)品跳閘。但在更換零斷電控制器時(shí)必須避免斷路器跳閘，為此就要對(duì)產(chǎn)品的硬件配合邏輯及軟件的程序編寫進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置成報(bào)警不動(dòng)作或延遲一定的時(shí)間后再進(jìn)行檢測(cè)，不但可以保證產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)自身故障，同時(shí)也不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作而導(dǎo)致產(chǎn)品分閘。

4）提高帶電插拔控制器的一致性，滿足更換的匹配性

電子部件和電子部件之間，特別是電子部件與信號(hào)采集部件間的匹配度要高，否則就會(huì)出現(xiàn)新更換的控制器與原有基座之間不相匹配，從而導(dǎo)致誤動(dòng)或拒動(dòng)。所以要求每個(gè)電子部件的一致性要好，保證更換后的控制器與周圍配套件的高匹配性。

5）保證可更換件的機(jī)電壽命

控制器能帶電更換是萬(wàn)能式斷路器的新功能，雖然進(jìn)行更換的周期很長(zhǎng)，更換次數(shù)少，關(guān)于更換件的機(jī)電壽命指標(biāo)沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，但終究應(yīng)按滿足產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行出發(fā)考慮其使用壽命。

6）報(bào)警指示

智能控制器被拆下后，相應(yīng)的功能就喪失了，此時(shí)是保護(hù)的空白期，這時(shí)在產(chǎn)品外部要設(shè)置一個(gè)報(bào)警提示輸出，可以是燈光提示，也可以是聲音提示，提示操作者盡快將新的控制器安裝到位。

4 方案實(shí)施

智能控制器在斷路器中承擔(dān)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，下達(dá)動(dòng)作指令等功能，電子產(chǎn)品的特點(diǎn)是體積小，單元模塊化，輸入輸出接口較集中，與主電路可靠隔離等，這為實(shí)現(xiàn)帶電更換提供了方便。以萬(wàn)能式斷路器為例，圖1是零斷電解決方案的原理框圖。

圖1 原理框圖

圖1中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)全部為模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間，電氣上由插板與雙排插座連接，機(jī)械上由旋鈕及彈跳裝置等連接，結(jié)構(gòu)上，增加了自保護(hù)裝置、鎖定裝置、防誤動(dòng)作裝置、狀態(tài)及報(bào)警指示器、安全隔板及帶鎖定功能的防護(hù)面罩等。

1）自保護(hù)裝置是在更換控制器的整個(gè)過(guò)程中，保護(hù)自身的電子元器件不受高電壓、放電及電弧等損傷。

2）鎖定裝置是實(shí)現(xiàn)“零斷電”的關(guān)鍵，在更換控制器的整個(gè)過(guò)程中，能鎖定主電路的接觸系統(tǒng)及操作機(jī)構(gòu)不發(fā)生分閘動(dòng)作，以避免因更換控制器造成供電中斷。

3）防誤動(dòng)作裝置是防止在更換過(guò)程中，因電子部件自診斷及干擾信號(hào)的影響，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的誤動(dòng)作。

4）狀態(tài)及報(bào)警指示器是對(duì)控制器被拆除和安裝未到位的狀態(tài)發(fā)出報(bào)警信號(hào)的指示，提醒操作者盡快將更換的部件安裝到位。

5）安全隔板是由絕緣材料制成，可將高電壓及大電流的部件進(jìn)行有效隔離，并可防止電弧飛出，以保證操作者的操作安全。

6）帶鎖定功能的防護(hù)罩是安裝在斷路器面罩外，用透明材料制成，以活頁(yè)方式固定，透過(guò)防護(hù)罩可觀察到產(chǎn)品運(yùn)行情況，有掛鎖孔，可鎖定，以防止無(wú)操作權(quán)限的操作者操作。

該方案可推廣到除接觸系統(tǒng)及操作機(jī)構(gòu)以外的其他電子模塊，都可以帶電進(jìn)行安全更換，操作可靠，安全。

5 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)與缺陷

5.1 產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)

1）斷電時(shí)間為零

較高故障率的電子部件實(shí)現(xiàn)了可帶電更換，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常供電，有利于減少供電系統(tǒng)的年停電時(shí)間，同時(shí)通過(guò)定期更換即將老化的電子部件以及不定期的檢查產(chǎn)品運(yùn)行情況，及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時(shí)排除，保證供電持續(xù)性。

2）降低用戶及生產(chǎn)廠家的維護(hù)成本

就常規(guī)抽屜式萬(wàn)能斷路器來(lái)說(shuō)，在通常情況下，控制器的更換步驟為：

斷開(kāi)主電路——打開(kāi)配電柜門——取出搖手柄，搖出本體——擰開(kāi)4個(gè)長(zhǎng)螺釘，卸下面罩

——擰開(kāi)控制器的安裝螺釘——拔出（4個(gè)）互感器插頭——（用鉗子）拔出控制器與二次端子連接的 8—12個(gè)端子——擰開(kāi)固定控制器的 3個(gè)螺釘——取出故障控制器——裝入新控制器——擰緊固定控制器機(jī)構(gòu)的（3個(gè)）螺釘，插入（4個(gè)）互感器連接插頭……，整個(gè)過(guò)程大約需要1h左右。更換的直接和間接（因停電而造成的）成本十分可觀。若采用了零斷電更換控制器，直接打開(kāi)透明蓋板，將2個(gè)安裝旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°，即可取出故障控制器；放入新控制器，將旋鈕壓入并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，即鎖定到位，關(guān)上透明蓋板即完成更換，整個(gè)過(guò)程10s左右即可完成。更換成本大大降低，而不停電帶來(lái)的社會(huì)效益更是無(wú)可估量。

對(duì)于生產(chǎn)廠家的售后維修成本也是大大降低，不但節(jié)省了來(lái)回的差旅開(kāi)支，更節(jié)省了日益昂貴的人力成本。寄個(gè)新的控制器給客戶，客戶自己就可以處理好了。

3）更換過(guò)程不需要任何工具

傳統(tǒng)產(chǎn)品更換時(shí)，不但需要產(chǎn)品自帶的工具—搖手柄，更需要起子、鉗子，甚至電烙鐵，焊錫絲等；零斷電更換控制器則什么工具都不要，僅用雙手就可以輕松操作完成。

4）對(duì)操作者的專業(yè)要求大大降低

對(duì)傳統(tǒng)控制器的維護(hù)，必須由專業(yè)技術(shù)人員才能完成，而對(duì)零斷電更換控制器的維護(hù)，因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單，不涉及電路拆接，所以普通電工就可以輕松完成。

5）降低故障隱患

在更換傳統(tǒng)控制器過(guò)程中，由于產(chǎn)品空間窄小，不但螺釘，墊圈隨時(shí)可能掉進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部，插頭插錯(cuò)、互感器線碰斷等都可能發(fā)生，造成一定質(zhì)量或安全隱患；新型控制器的更換則完全不用擔(dān)心有此隱患，因?yàn)楦鼡Q過(guò)程沒(méi)有任何可以脫落的零部件，也沒(méi)有任何連接需要更換。

6）故障分析不影響連續(xù)供電

非線路故障出現(xiàn)分閘事故時(shí)，可直接更換新的控制器，保證繼續(xù)供電后，再對(duì)卸下的故障控制器從容分析故障原因。沒(méi)有停電時(shí)間。

5.2 產(chǎn)品缺陷及應(yīng)對(duì)

在新控制器更換過(guò)程中，存在約 10s的保護(hù)功能缺失間隙。既然要更換控制器，要求不斷電的同時(shí)保護(hù)也零缺失，在邏輯上是不存在的（總存在更換的瞬間。除非斷路器上配置 2套控制器，1套作為備用，這又帶來(lái)工作程序的復(fù)雜性以及成本的大幅提高）。我們要做的是盡可能縮短保護(hù)缺失時(shí)間。保護(hù)缺失時(shí)段的風(fēng)險(xiǎn)存在，我們可以從系統(tǒng)的（保護(hù)）設(shè)計(jì)和更換時(shí)機(jī)的選擇兩方面著手，把這種風(fēng)險(xiǎn)降到最低：

1）系統(tǒng)功能的保證

在我們的供電系統(tǒng)中，實(shí)際上是實(shí)行分級(jí)保護(hù)的，并力求實(shí)現(xiàn)“選擇性”保護(hù)。所以只要設(shè)計(jì)合理，作為主開(kāi)關(guān)的ACB，如果其下級(jí)某分路出現(xiàn)故障（短路或過(guò)載），則實(shí)際上是相應(yīng)的該下級(jí)保護(hù)電器做出保護(hù)跳閘，此ACB在正常情況下是不需要?jiǎng)樱ㄌl）的，所以這10s的風(fēng)險(xiǎn)得以大大降低；

2）操作時(shí)機(jī)的選擇

故障出現(xiàn)的概率通常是在負(fù)荷高峰的時(shí)段更大些，那么除非控制器徹底失效而必須立即更換外，一般可選擇負(fù)荷低谷時(shí)段更換，則也可降低保護(hù)缺失的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

該實(shí)施方案，雖然是對(duì)智能型萬(wàn)能式斷路器進(jìn)行的，但其原理也適用于所有帶電子部件模塊的低壓斷路器產(chǎn)品，包括智能型萬(wàn)能式斷路器、智能型塑殼斷路器、雙電源自動(dòng)切換裝置等電子智能型產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)外低壓電器廠家，對(duì)具該類功能的產(chǎn)品鮮有研究，更鮮有成熟的產(chǎn)品。我公司從2011年初根據(jù)市場(chǎng)需要開(kāi)始對(duì)該方案進(jìn)行了深入的研究，已研發(fā)出新穎結(jié)構(gòu)的零斷電更換控制器產(chǎn)品，已申報(bào)了兩項(xiàng)發(fā)明專利，已授權(quán)四項(xiàng)實(shí)用新型專利和一項(xiàng)外觀專利，產(chǎn)品已推廣應(yīng)用，市場(chǎng)反應(yīng)良好。圖2為帶零斷電更換控制器的斷路器。

圖2 “零斷電”更換控制器

該“零斷電”更換控制器的出現(xiàn)，是在傳統(tǒng)控制器基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新，能向用戶提供多一種選擇。用戶可根據(jù)自身需要，在承受如上分析的極小的短時(shí)保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)和承受約 1h斷電之間作出選擇。使用“零斷電”更換控制器的用戶，也可拉閘斷電更換控制器，以斷電約 10s的代價(jià)換取約10s的保護(hù)缺失風(fēng)險(xiǎn)。

隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展節(jié)奏的不斷加快，用戶對(duì)低壓電器也不斷提出新的功能需求，低壓電器產(chǎn)品的更新必須滿足市場(chǎng)的需求，零斷電更換控制器的研制就是我們快速滿足用戶需求的產(chǎn)物。