低壓氣象設備中斷路器的選配方法

鄒慶彪，黃飛龍，黃桂燁

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

目前，全國范圍內(nèi)已經(jīng)部署了大量的氣象設備用于氣象探測。在廣東省省級運行監(jiān)控系統(tǒng)（atmospheric observing system operations and monitoring，ASOM）登記的氣象設備中，區(qū)域自動站有2 550個，國家級自動氣象站86個。大量氣象設備組網(wǎng)建成的聯(lián)合觀測體系能極大地提高氣象探測的能力，如深圳市已建立的“深圳城市氣象綜合探測系統(tǒng)”能更加準確全面地獲取氣象探測數(shù)據(jù)并幫助人們加深了對城市災害性天氣、城市氣候以及大氣環(huán)境規(guī)律、特征、機制的科學認識。

氣象設備在各種天氣情況下穩(wěn)定運行是保證氣象探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的基本前提，是保證氣象預報質(zhì)量的根本保障。因此，氣象設備都配備了相關的保護裝置和維護保障人員。斷路器用于保護設備的用電安全，是重要的電源開關裝置。然而裝備維修保障的過程中，發(fā)現(xiàn)存在部分低壓氣象設備因為雷擊、電網(wǎng)電壓異常和設備短路而損壞的現(xiàn)象［1-3］，其中部分設備損壞的具體原因是安裝的斷路器不能及時關斷異常回路從而出現(xiàn)設備損壞的情況。前人對斷路器進行了深入的研究并總結(jié)制定了一系列的標準和規(guī)范［4-5］，但對于非專業(yè)的臺站維護人員只能按照經(jīng)驗對斷路器進行安裝、維護或更換，如果處理不當會影響斷路器的保護功能，容易存在安全隱患甚至導致氣象設備的損壞。除此之外，臺站的氣象設備已經(jīng)定型，無法為電路板增加保護電路以提高設備的可靠性。因此，為了提出一種簡單易懂且便于操作的選配方法，本研究首先從低壓斷路器的基本原理出發(fā)，以自動氣象站為例，分析影響低壓斷路器選擇的關鍵影響因素，然后據(jù)此設計了關鍵影響因素的測試方案，并結(jié)合試驗結(jié)果和低壓短路器的基本原理選擇滿足要求的低壓斷路器，最后總結(jié)提出一種能用于指導低壓氣象設備斷路器的選配方法。該方法原理簡單且易于操作，能夠為設備維護人員提供一定的經(jīng)驗和技術(shù)支持。

1 低壓斷路器的基本原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)及動作原理

低壓斷路器也稱空氣斷路器，在交流1 200 V，直流1 500 V以下的電路中使用，在正常情況下用作不頻繁合、分電路，在線路過載、短路或欠壓等故障時能夠自動切斷電路。斷路器由脫扣器、脫扣機構(gòu)、觸頭系統(tǒng)和滅弧室等幾個部分組成。低壓斷路器按照設計結(jié)構(gòu)，可以分為框架式（萬能式）斷路器（ACB）、塑殼式斷路器（MCCB）、小型斷路器等［6］，其一般的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，不同型號的斷路器有不同的適用環(huán)境及情況，但主要的工作原理基本相似：短路時，過流脫扣器7將銜鐵9吸合，并撞擊杠桿5讓搭鉤3打開從而使主觸頭1分閘；過載時，過載電流經(jīng)過加熱電阻絲13使金屬片12受熱彎曲，通過杠桿5將搭鉤3頂開；當主電路電壓正常時，欠壓脫扣器8產(chǎn)生的電磁吸力能夠克服彈簧11的拉力而將銜鐵10吸合，當主電路電壓降低時，欠壓脫扣器8的吸引力減小，銜鐵10便被彈簧11拉開，同樣可以撞擊杠桿5和搭鉤3，使主電路分閘［7］。

1.2 基本參數(shù)

通常在選擇低壓斷路器需要考慮以下幾點：

1）斷路器的額定工作電壓Ue、頻率要與回路相適應。

2）在正常運行時，斷路器的額定電流In要大于回路的總電流。

3）考慮環(huán)境（例如溫度等）對斷路器的影響。

4）根據(jù)負載情況和脫扣器的脫扣電流-時間特征曲線，選用不同的脫扣形式。常見的瞬時脫扣的電流范圍［8］和適用情況如表1所示。

5）考慮上下級斷路器的配合。

低壓氣象設備通常都是配電的終端，因此低壓斷路器只要滿足低壓氣象設備的保護需求基本都可以滿足上下級斷路器的配合問題。根據(jù)低壓斷路器標識的型號可以獲取該斷路器的基本參數(shù)，如某牌子的斷路器，名稱為NXB-63 C1 400 V 50 Hz 6 000 A，所表示的意義為是：NXB表示型號，63代表該型號最大額定電流為63 A，C1表示脫扣曲線是C且額定電流In為1 A，400 V表示斷路器耐壓值，50 Hz表示額定頻率為50 Hz，6 000 A表示額定運行短路分斷能力為6 000 A（表1）。

表1 瞬時脫扣范圍

2 自動站低壓斷路器的選擇

2.1 測試方案設計

由第1章分析可知，低壓氣象設備的電流是影響斷路器選擇的關鍵參數(shù)。對于自動氣象站來說，輸入電壓為220 V交流電，因此，為了選擇合適的斷路器，需要考慮自動站電源輸入回路的電流大小。

自動氣象站中功率較大的設備和功率主要是：自動站采集器2 W、北斗峰值功率30 W、能見度（含加熱）35 W、DTU峰值功率約3 W等。通過粗略估計，自動氣象站功率加起來大約100W，如果考慮額外的一些負載或者電網(wǎng)的波動，則電源工作在50%～80%負載為佳，因此自動氣象站總的電源功率可按200 W進行計算。由于接入電壓為220 V，根據(jù)公式I=P/U（I為電流、P為功率、U為電壓）可知，最大電流≈0.909 A。

國內(nèi)常用的過載脫扣器是熱脫扣器，它可以實現(xiàn)長延時保護，也可以實現(xiàn)瞬時脫扣。參考某型號斷路器的時間-電流特征曲線（脫扣曲線），如圖2所示，B型曲線中曲線3、4為過載脫扣器的特征曲線段，曲線4是脫扣器動作機構(gòu)開始啟動的平均時間，曲線3是脫扣器最大的分斷時間，曲線4左側(cè)的區(qū)域1是不脫扣區(qū)域，區(qū)域2是瞬時脫扣區(qū)域［9］。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，B型脫扣曲線在相對較小的電流下就可以觸發(fā)瞬時脫扣動作。因此為了提高安全性，嘗試選用B型脫扣形式，額定電流In選1 A。但通過試驗發(fā)現(xiàn)，在B1斷路器接入電路后，合閘瞬間就發(fā)生跳閘，多次實驗后結(jié)果相同。由于回路中并無大電流的負載，因此考慮是開關電源引起的浪涌電流。

開關電源的輸入電路原理如圖3所示，交流電經(jīng)過橋式整流器變成直流，電路的輸入電容容量較大且與DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)。在電路通電的瞬間，輸入電容充電電流很大，所產(chǎn)生的浪涌電流值可能達到電源靜態(tài)工作電流的10～100倍。

圖2 某型號斷路器脫扣曲線

圖3 開關電源簡圖

由于不能通過改造使其“軟起動”［10］從而消除或抑制浪涌電流，因此考慮測量浪涌電流的大小及脈沖寬度并據(jù)此選擇合適的斷路器。

為了測試開關電源對回路電流的影響，目前有幾種常見的方法可以測量回路中的電流大小，其中鉗形電流表的特點是電流互感器和電流表組合而成，使用方便但精度不高且無法準確顯示瞬時信號值；示波器的特點是能夠準確且直觀地記錄信號的強度和波形，精度較高；數(shù)字萬用表的特點是使用方便，但測電流量程小且無法準確顯示瞬時信號值。如果使用鉗形電流表或數(shù)字萬用表進行測量則無法得到浪涌電流的峰值變化情況及脈沖寬度，因此可使用示波器和其標配的電壓探頭進行測量。

具體的測量方法是：選用電阻值小且額定功率大的電阻R與開關電源串聯(lián)并接入電源輸入回路，將與示波器相連的表筆分別夾持在電阻的兩端，測量電阻的電壓Ur變化情況，通過公式Ir=Ur/R可計算得到回路的電流Ir。由于示波器可以記錄一段時間內(nèi)的電壓變化情況，因此可以得到浪涌電流的峰值變化情況及脈沖寬度。

實驗中使用了2個電阻、示波器、接觸變壓器，測量電路如圖4所示。由于浪涌電流可能會達到靜態(tài)電流的10～100倍，為盡可能減小電阻對回路電流的影響以及避免電阻爆炸，要求電阻阻值盡可能小，額定功率較大，因此實驗中使用的電阻阻值均為0.2Ω、額定功率為50 W且將兩個電阻并聯(lián)，則總電阻為0.1Ω。示波器型號為Agilent Technology DSO5032A，探頭連接的表筆一端接示波器，另一端接地。如果示波器直接接入圖4左側(cè)的交流電源，由于并聯(lián)電阻的阻值較小，且示波器的探頭負極與示波器電源地線相連，測量的時候電流會從被測電阻流過探頭負極進入電源地線，造成火線和地線連成回路并產(chǎn)生較大的電流從而導致示波器的電源線燒毀。因此，為了避免上述問題，先將兩線路變壓器接入電源，然后再將示波器接入變壓器，使示波器的地線GND2懸空且與GND1不相連。

圖4 測量電路圖

2.2 測試過程

部分實物連接如圖5所示。圖5a中電阻并聯(lián)后接入電路，示波器的電壓探頭和接地線分別夾持在并聯(lián)電阻的兩端；圖5b中并聯(lián)電阻置于機盒內(nèi)并懸空放置，一方面是為了防止電阻過熱爆炸而引起的散射，一方面是將其架起防止漏電。

圖5 實物連接圖

在正式開始測量前先確認整個線路能否正常工作：在正確連接并檢查線路無誤的情況下，操作人員在附近閉合開關S1，若無異常情況則表示電阻能夠承受浪涌電流，再閉合開關S2并啟動示波器，如果示波器能正常顯示電壓變化情況，則可以開始測量。在正式測量時，由于浪涌電流只在電容充電時才會產(chǎn)生，因此將示波器常開以便抓取開關S1閉合瞬間的電壓變化情況。示波器數(shù)據(jù)記錄完成后，應打開S1并等待電容放電完畢再開始新的測量。

2.3 測試結(jié)果分析

試驗過程中多次測試并記錄了開關電源在帶負載和不帶負載下回路電壓的變化情況，每次測試得到的結(jié)果都與圖6相似，其中的一次測試如圖6所示。

圖6 無負載（a）和有負載（b）情況下電壓的變化情況

經(jīng)過多次測量，統(tǒng)計結(jié)果如下：在無負載的情況下，啟動瞬間峰值電壓均值約為3.98 V，峰值電流均值約為39.8 A左右，脈沖寬度約為1.21 ms；在有負載的情況下，峰值電壓均值約為4.01 V，峰值電流均值約為40.1 A，脈沖寬度約為1.17 ms。由此可以看出，負載對于浪涌電流的影響不大，尖峰電流約為40 A左右；脈沖寬度均值約為1.2 ms，持續(xù)時間較短。

由測試情況可知，如果斷路器的額定電流為1 A，那么浪涌電流40 A達到了斷路器的瞬時脫扣范圍，就會引起斷路器跳閘。因此，根據(jù)斷路器的脫扣曲線，參考市面上常見的斷路器型號，選擇額定電流稍大的型號防止斷路器頻繁跳閘，最終選擇了某品牌C型且額定電流為6 A的兩線式小型低壓斷路器。

2.4 外場測試

為了驗證選定的斷路器能夠滿足保護要求，先將斷路器與浪涌防雷保護器、開關電源和采集器及全部負載設備相連并接入交流電源。對斷路器進行反復開合的測試，測試過程中沒有出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象。將斷路器閉合后進行長時間的試驗運行，期間經(jīng)歷了雷雨天氣、樓層裝修等會引起電源波動的情況，斷路器沒有出現(xiàn)跳閘且采集器正常工作。

3 低壓氣象設備斷路器的選配方法

通常情況下，大部分氣象設備都屬于低壓設備是配電的終端。除極端情況外，工作溫度對斷路器的脫扣性能影響不大，因此在選擇低壓斷路器時一般只需要關注其是否滿足氣象設備的保護要求即可。選擇流程如圖7所示，根據(jù)氣象設備的負載情況，結(jié)合斷路器的額定電流和脫扣曲線，選擇斷路器的型號。

圖7 低壓斷路器選擇流程示意圖

具體來說，在考慮氣象設備的負載情況時要結(jié)合氣象設備的特點，通常斷路器的額定電壓都能滿足氣象設備的要求，所以主要考慮電源回路的電流情況：1）是否有浪涌電流的出現(xiàn)；2）設備正常工作時的額定電流大?。?）氣象設備在允許范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大電流峰值及脈沖寬度。如果沒有辦法準確計算，可以按照第2章所述的方法進行電流大小及脈沖寬度的測量。根據(jù)實際情況考慮斷路器的選擇：1）斷路器的額定電流是否大于氣象設備正常工作時的電流；2）根據(jù)脫扣曲線判斷瞬時脫扣電流是否大于氣象設備在允許范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大電流；3）根據(jù)上述判斷結(jié)果調(diào)整斷路器的額定電流或脫扣類型，增加一定的冗余量，防止出現(xiàn)未考慮到的因素引起頻繁跳閘。