一種便攜式外置斷路器檢測裝置的研究和應(yīng)用

馮霞山

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000

0 引言

近年來，我國智能化供電系統(tǒng)建設(shè)取得重大成就，智能電網(wǎng)、智能小區(qū)、智能電表快速發(fā)展，給人們的生活帶來了極大的便利。目前，電能表采集系統(tǒng)普遍采用預(yù)付費(fèi)電能表斷路器（外置斷路器）來實(shí)現(xiàn)用戶用電的控制，自動(dòng)滿足有費(fèi)、無費(fèi)時(shí)線路的通、斷電，欠費(fèi)自動(dòng)分閘，付費(fèi)后自動(dòng)合閘。文章設(shè)計(jì)了一種便攜式外置斷路器檢測裝置，具有功率損耗小、工作可靠性高、抗電磁兼容特性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 電能表外置斷路器原理

預(yù)付費(fèi)電能表外置斷路器主要設(shè)計(jì)依據(jù)是《電氣附件家用及類似場所用過電流保護(hù)斷路器 第一部分：用于交流的斷路器》（GB/T 10963.1—2005 ）。當(dāng)用戶欠電費(fèi)時(shí)，主控電路中的微處理器檢測到預(yù)付費(fèi)電能表輸出的分閘控制信號后，控制驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)電壓低電流信號，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流微電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，直流電機(jī)帶動(dòng)齒輪操作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)使電能表外置斷路器（MCB）分閘，并保持閉鎖狀態(tài)（手動(dòng)無法合閘），從而實(shí)現(xiàn)欠費(fèi)拉閘停電鎖定功能。當(dāng)用戶預(yù)付費(fèi)電能表費(fèi)用充值后，微處理器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合閘控制，恢復(fù)用戶的正常用電功能。

電能表外置斷路器電氣部分主要由開關(guān)電源電路、費(fèi)控表、主控電路（微處理器和驅(qū)動(dòng)電路）、直流電機(jī)、分合閘位置檢測電路、信號反饋電路等構(gòu)成。電路控制電源采用接入付費(fèi)電能表AC 220 V，經(jīng)開關(guān)電源變換，輸出DC 12 V電源，為主控電路、直流電機(jī)、位置檢測電路、信號反饋、指示電路等提供工作電源。微處理器自動(dòng)檢測預(yù)付費(fèi)電能表輸出AC 220 V電源信號脈沖信號狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘狀態(tài)的控制。

2 電能表外置斷路器檢測裝置設(shè)計(jì)

電能表外置斷路器配合南網(wǎng)5（80）A費(fèi)控電能表實(shí)現(xiàn)用戶費(fèi)控，其大規(guī)模使用給產(chǎn)品質(zhì)量管理和現(xiàn)場施工運(yùn)維帶來了新的挑戰(zhàn)：第一，市縣級電力公司缺乏簡單有效的設(shè)備或方法對供應(yīng)商貨物進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督，需要送到省公司進(jìn)行檢測；第二，大型的檢測設(shè)備價(jià)值高、不便攜帶、操作復(fù)雜，不適用于市縣局購置及使用；第三，現(xiàn)場班組缺乏對施工運(yùn)維過程中問題進(jìn)行有效分析及解決的方法或手段，導(dǎo)致問題處理時(shí)間長，甚至將好的斷路器當(dāng)作壞的處理，浪費(fèi)資源；第四，電能表外置斷路器的零線（N）極為可能通斷，三相用戶具有斷零風(fēng)險(xiǎn)，造成重大用戶損失，特別是長期運(yùn)行過程中的斷零風(fēng)險(xiǎn)更是難以發(fā)現(xiàn)[1-3]。

通過對多年來電能表外置斷路器的運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研讀相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對故障原因分類并研究應(yīng)對措施，文章研發(fā)了一套便攜式檢測裝置，填補(bǔ)市縣局及運(yùn)維班組對該產(chǎn)品性能檢測的空白，同時(shí)提升運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 檢測原理

檢測裝置包含控制單元PLC、電壓檢測板、觸摸屏、信號轉(zhuǎn)換模塊、電流源等部件，各部件通過一定的方式連接，其中PLC與各主要部件的通信采用RS485，檢測過程中外部接入現(xiàn)場電能表，以便更真實(shí)地檢測被測品性能；在觸摸屏上顯示和操作檢測流程，直觀地告知檢測人員操作流程和檢測結(jié)果。檢測裝置接線原理如圖1所示。

圖1 檢測裝置接線原理圖

檢測原理為電壓檢測板具有檢測交流電壓大小的功能，其原理與萬用表檢測電壓類似，已知電阻，測量電流值，利用歐姆定律計(jì)算出電壓。當(dāng)市電接入設(shè)備后，設(shè)備內(nèi)部具有直流電源模塊，供直流24 V電源給電壓檢測板工作，電壓檢測板輸入端A、N接市電的火線和零線，檢測電壓市電電壓。

電能表具有控制端C和反饋端F，其控制端的輸出是用于控制被測產(chǎn)品的自動(dòng)分合動(dòng)作的，其反饋端用于接收被測產(chǎn)品的反饋信號，以反應(yīng)被測產(chǎn)品的分合狀態(tài)。其基本原理為電能表控制端C為高電平時(shí)，被測產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)合閘，此時(shí)被測產(chǎn)品的反饋信號應(yīng)為高電平，電能表檢測該反饋信號電壓，如檢測為高，則表示被測產(chǎn)品合閘，產(chǎn)品功能正常；如檢測為低，則表示被測產(chǎn)品分閘，產(chǎn)品功能異?；驒z測異常。電能表控制端C為低電平時(shí)，被測產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)分閘，此時(shí)被測產(chǎn)品的反饋信號應(yīng)為低電平，電能表檢測該反饋信號電壓，如檢測為低，則表示被測產(chǎn)品分閘，產(chǎn)品功能正常，如檢測為高，則表示被測產(chǎn)品合閘，產(chǎn)品功能異?；驒z測異常。

由恒流源產(chǎn)生大電流，對被測產(chǎn)品的N極施加穩(wěn)定電流后，六位半高精度電壓檢測儀的表筆IN1和IN2端檢測N極兩端的電壓降，通過電壓電流計(jì)算出N極的內(nèi)阻，與標(biāo)準(zhǔn)要求值進(jìn)行對比，若遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求值（2倍標(biāo)準(zhǔn)值以上）則判定為“N極具有斷零風(fēng)險(xiǎn)”，若略大于標(biāo)準(zhǔn)要求值則判定為“N極電阻過大”，若小于標(biāo)準(zhǔn)要求值則判定為“合格”[4]。

外置斷路器的快速連接附件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在現(xiàn)場對電能表外置斷路器的檢測過程中，如何快速可靠地把被測產(chǎn)品接入測試環(huán)境中是對檢測裝置的硬性要求，圖2中裝置的兩頭接線端子具有彈性接觸片，該接觸片具有很好的收縮性和足夠的強(qiáng)度，保證試驗(yàn)連接的可靠性，其中一頭接線端子具有推拉手柄，快速完成被測產(chǎn)品的接入和拆下。

圖2 外置斷路器的快速連接附件結(jié)構(gòu)圖

接線端的彈片可以直接通過插接的方式與被測產(chǎn)品連接。推拉手柄與彈片固定在一起，彈片為半圓弧形，半圓弧的直邊與接線端頭焊接在一起。進(jìn)線端是固定的，出線端放在固定的滑槽中，通過推拉手柄操作使出線端進(jìn)出被測產(chǎn)品的接線孔。檢測裝置以斷路器溫升功耗的標(biāo)準(zhǔn)為檢測依據(jù)，判定是否存在斷零風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)結(jié)合費(fèi)控電能表的費(fèi)控控制原理，判定斷路器是否滿足電能表的控制邏輯。系統(tǒng)支持兩個(gè)工位的同時(shí)控制和試驗(yàn)[5]。

2.2 檢測案例驗(yàn)證

（1）檢測斷路器分合閘時(shí)間指標(biāo)。2021年3月12日到湛江市華海物業(yè)公司用戶計(jì)量外置斷路器檢測，檢測裝置顯示合閘時(shí)間1.8 s值，分閘時(shí)間1.2 s，最終診斷該用戶外置斷路器運(yùn)行正常。2021年3月13日到湛江市粵鑫房地產(chǎn)有限公司用戶計(jì)量外置斷路器檢測，檢測裝置顯示合閘時(shí)間2.3 s值，分閘時(shí)間4 s（不符合標(biāo)準(zhǔn)小于2 s的要求），最終診斷該用戶外置斷路器運(yùn)行不合格。分合閘時(shí)間指標(biāo)反映的是外置斷路器對于外界信號變化的響應(yīng)速度，對正常運(yùn)行沒有影響，但可以通過該值側(cè)面反映外置斷路器可能出現(xiàn)的異常，如分閘時(shí)間長，可能是因?yàn)槊摽圻B桿卡滯，長期運(yùn)行將出現(xiàn)連桿斷裂，不能合閘。

（2）檢測斷路器上電延時(shí)指標(biāo)。2021年3月16日到湛江市創(chuàng)佳物業(yè)服務(wù)有限公司用戶計(jì)量外置斷路器檢測，檢測顯示9 s值，最終診斷該用戶外置斷路器運(yùn)行正常。2021年3月17日到黃華文娛樂會(huì)所用戶計(jì)量外置斷路器檢測，檢測顯示4.5 s（標(biāo)準(zhǔn)要求不小于7 s）值，最終診斷該用戶外置斷路器運(yùn)行不合格。上電延時(shí)指標(biāo)反映的是斷路器與電表匹配時(shí)停電后重新上電，斷路器的響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間小于7 s時(shí)，可能出現(xiàn)用電戶在電表欠費(fèi)的情況下出現(xiàn)異常合閘后分閘，如果一次電源斷后再重新送電時(shí)，外置斷路器可能先合閘后分閘，存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。

（3）檢測斷路器每極功耗指標(biāo)（每極接通電阻）。2021年3月19日到湛江日華科技有限公司用戶計(jì)量外置斷路器檢測，檢測顯示1.6 mΩ值，最終診斷該用戶外置斷路器運(yùn)行正常。2021年3月20日到湛江騰達(dá)物流中心用戶計(jì)量外置斷路器檢測，檢測顯示3 mΩ（通過每極功耗計(jì)算要求阻值小于2.1 mΩ）值，最終診斷該用戶外置斷路器運(yùn)行不合格。每極功耗指標(biāo)（每極接通電阻）反映產(chǎn)品使用的導(dǎo)電材料和制作工藝是否符合要求，常見問題包含進(jìn)出線板與軟連接焊接工藝不佳，觸頭終壓力不足，電磁線圈兩頭焊接工藝差。如果這些問題出現(xiàn)在三相四線斷路器的零線極，將出現(xiàn)三相斷零，可能導(dǎo)致電器燒毀。

3 結(jié)束語

通過研發(fā)一種便攜式外置斷路器檢測裝置，可以快速對電能表外置斷路器運(yùn)行相關(guān)性能和指標(biāo)進(jìn)行提取，獲取斷路器電氣連接中的接觸電阻、回路電阻數(shù)據(jù)，尤其是獲取存在虛接、虛焊現(xiàn)象的斷路器的相關(guān)電阻數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)和規(guī)避斷零風(fēng)險(xiǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，充分考慮便攜式檢測裝置的結(jié)構(gòu)和電氣原理的合理布置，使得成本最優(yōu)化，操作更加方便，從而提升運(yùn)維人員處理問題的能力和效率。