万能式断路器误动作故障分析及试验方法改进

李洁砾 沈 铭

（宝钢工业技术服务有限公司，上海 201900）

低压万能式断路器作为工矿企业配电网控制与保护的重要电气设备[1-2]，主要用于线路过载、短路或欠电压保护，也可用作不频繁接通和分断电路[3]。过流脱扣器是断路器的保护动作核心部件，它的实时性与精确性决定了断路器的性能[4]。在现有工矿企业供配电系统中，低压断路器用电子式控制器已逐渐取代了传统的过流脱扣器，成为了新一代断路器首选。它具有功能集成化，结构模块化，可靠性好，便维护等优点[5-6]；但同时也存在抗电磁干扰能力较弱等缺点[7]。

过流时，通常电子式控制器控制过流脱扣器使断路器分断，但对于部分型号断路器同时存在电子控制器控制其他类型脱扣器分断的后备保护方式。这种保护方式目前缺乏针对性的试验方法。本文介绍了一种后备保护动作特性验证的断路器新的常规试验方法，利用新方法准确判定一起万能式断路器误动作故障原因。此方法供参考。

1 故障概述

西门子低压万能断路器（型号3WE7381)是某生产厂重要控制设备，已投运近30年，缺少后备件替代。在2015年9月以来，该设备无故多次跳闸。技术人员对现场负载和点检记录查验：断路器分合闸动作正常；无负载接地、相间短路等故障问题。现场继电保护系统无故障报警记录。对万能断路器进行内场大电流整定试验，按原有整定方案进行检查时也未发现智能电子脱扣器存在动作值偏差。将该断路器重新投入运行状态，不久后再次跳闸。

2 原因分析

技术人员从万能式断路器（图 1）上拆下电子脱扣器，并对其进行解体检查分析。该脱扣器除了集成电路板以外，内部还存在S16，S17，S18三副辅助接点（图2）通过插针与控制回路连接。

图1 3WE万能式低压断路器

图2 电子式控制器集成电路和控制接点

通过查阅图纸，过流时电子控制器控制分断方式有两种：①输出过流电信号，控制HA过流脱扣器分断断路器为过流动作主保护方式；②输出过流电信号控制S16、S17辅助接点动作，断开欠压脱扣器控制回路，欠压脱扣器动作分断断路器为过流动作后备保护方式。主保护方式的动作优先度高于后备保护方式。

对断路器电动分闸的所有控制方式进一步分析，以脱扣器型式分有三类。

2.1 用分励脱扣器断开

当分励脱扣器电源电压（在脱扣动作时间测得）保持在额定控制电源电压US的70%和110%之间（交流在额定频率下），在断路器所有工作条件下分励脱扣器应脱扣，使断路器断开。

2.2 用过流脱扣器HA断开

1）过载情况下断开

对于过载控制器所有的电流整定值，HA过流脱扣器应使断路器脱扣。

2）短路情况下断开

对于短路电流控制器所有的电流整定值，HA过流脱扣器应使断路器脱扣。

2.3 用欠电压脱扣器断开

1）欠压脱扣

欠压脱扣器Q01与断路器组合，当外施电压下降，甚至缓慢下降至额定电压的70%至35%范围内，与断路器组合的欠压脱扣器应动作，使断路器脱扣。

2）过载时S16辅助接点控制欠压脱扣器断开

对于过载控制器所有的电流整定值，控制器应发出电信号控制S16辅助接点动作，④-⑤常开接点闭合，保护系统中间继电器K12接触器线圈得电，K12常闭接点动作，欠压线圈Q01失电（图4），断路器脱扣。

3）短路时S17辅助接点控制欠压脱扣器断开

对于短路电流控制器所有的电流整定值，控制器应发出电信号控制S17（图3）辅助接点动作。S17①-②常开接点闭合，K12接触器线圈得电，K12常闭接点动作，欠压线圈Q01失电（图4），断路器脱扣。

图3 电子式控制器保护动作控制电路简图

图4 后备保护控制回路电路简图

其中过流脱扣应用于上述2.2节中的1）、2）和2.3节中的2）、3）这4种情况。

原有的常规试验存在3个问题。首先原过流特性试验只有主保护检测，缺少后备保护同步检测方法；其次控制器辅助接点动作状态无指示器或辅助开关信号协助判定；最后缺少后备保护动作特性判定表。

技术人员设计新常规试验方案如下：

（1）验证欠电压和分励脱扣器动作试验。

（2）过载、短路保护特性试验，断路器整定值脱扣动作判定主保护动作状态。

（3）验证主保护动作特性合格后，再次进行过载、短路保护特性试验时，验证后备保护动作状态。S16，S17辅助接点动作判定辅助保护动作状态。其中S16，S17辅助接点动作状态以中间继电器检测回路来辅助判定。具体实施方案见第3部分第3节1）、第4节 1）和第5节1）。

（4）建立新的断路器过流动作特性表。

3 改进的常规试验方法和动作特性表

大电流整定试验是一种检测低压断路器框架机构动热稳定性、CT和过流控制器功能的电气试验方法。过流时，该试验通过大电流发生装置模拟一次回路大电流，电子控制器对电流互感器感应产生的电量信号进行采集、处理，并根据预定的设定值控制断路器的断开。相对于专用电子控制器测试仪的只能检测某批次型号控制的单一性，大电流整定试验不受断路器型号限制、不受过流脱扣器种类限制（包括电磁脱扣器，热磁脱扣器，电子控制器等[8]）。本次西门子低压断路器过流检测采用大电流整定试验来验证该断路器过载和短路动作特性。

为了保证断开试验完整性，在过流试验前应验证分励和欠压脱扣性能。

3.1 验证分励脱扣器

分励脱扣器装于断路器上进行试验。在周围温度+55±2℃，断路器主电路无电流时，验证分励脱扣器能在70%额定控制电源电压下动作使断路器断开。

3.2 验证欠压脱扣器

欠压脱扣器装于断路器上进行试验。

1）释放电压

当欠压脱扣器外施电压下降时，甚至缓慢下降至额定电压的70%至35%范围内，欠电压断路器应动作使断路器断开。

2）动作极限试验

当外施电源电压低于欠压脱扣器额定电压35%时，应防止断路器合闸。当外施电源电压等于或高于欠压脱扣器额定电压85%，应保证断路器能合闸。

3）过电压情况下性能

在断路器闭合，主电路无电流情况下，对欠压脱扣器施加110%额定控制电压4h，应验证欠压脱扣器能耐受并不损害其功能。

3.3 过载保护特性试验

过载保护特性试验在断路器各极同时通电情况下验证。周围温度不超过40℃，下限为−5℃。

3WE断路器电子控制器具有过载长延时功能，按照反时限动作，设IN为额定电流，其时间-电流特性曲线[9]为

式中，Ir为整定电流；tL为整定时间；I为过流值；T为反时限任意测试时间。根据负载及上下级选择整定值tL为2倍过载长延时时间120s（±10%）。

验证过载主保护动作特性合格后，进行后备保护特性试验。

过载时电子控制器通过第2部分第2.2节1）和第2.3节2）两种控制方式分断。在后备保护动作特性试验时，在原有特性试验基础上接入中继检测回路，验证S16辅助接点动作状态。

1）后备保护特性试验流程

（1）电子控制器X3插件上找出S16的引出插针。

（2）连接中间继电器检测回路。在测试期间继电器K1保持外施额定电压。将S16常开接点④-⑤与检测继电器K1常开接点并联后，与K1继电器控制回路串联形成监测自锁回路。当S16接点动作时，K1继电器得电后K1常开接点自锁，可以使K1继电器保持动作锁定（见图5）。

图5 过载保护特性试验中继检测回路

（3）通2Ir试验电流，检测K1继电器是否动作。

试验结果与表1比对验证电子脱扣器后备保护动作。

2）动作特性表

表1 断路器过载试验动作特性表

3.4 短路保护特性试验

短路保护特性试验在断路器各极同时通电情况下验证。

3WE断路器电子控制器具有短路短延时功能，按照反时限动作，无短路瞬动保护设定。其动作时间为

式中，Ir为整定电流；ts为短延时整定时间；I为过流值；T为定时限任意测试时间。根据负载及上下级要求选择整定值ts为4倍短路短延时时时间0.3s（±10%）。

验证短路主保护动作特性合格后，进行后备保护特性试验。

短路时电子控制器通过2.2.2和2.3.3两种控制方式分断。在原有特性试验基础上接入中继检测回路，验证S17辅助接点动作状态。

1）实施方案

（1）电子控制器X3插件上找出S17的引出插针。

（2）连接中间继电器检测回路。在测试期间继电器K1保持外施额定电压。将S17常开接点①-②与检测继电器K1常开接点并联后，与K1继电器控制回路串联形成监测自锁回路。当S17接点动作时，K1继电器得电后K1常开接点自锁，可以使K1继电器保持动作锁定（见图6）。

图6 短路保护特性试验中继检测回路

（3）通4Ir，检测K1继电器是否动作。

试验结果与表2比对，验证电子脱扣器后备保护动作。

2）动作特性表

表2 断路器短路试验动作特性表

3.5 反时限约定不脱扣特性试验

在基准温度下（上限不超过40℃，下限为−5℃），电流整定值的1.05倍时，在规定的时间内，脱扣器能承载而不动作的规定电流值即约定不脱扣电流[10]。万能式断路器在不脱扣电流试验中应保持＞2h合闸状态。

验证约定不脱扣试验动作特性合格后，进行后备保护特性试验。

约定不脱扣试验时在原有特性试验基础上接入中继检测回路，验证S16、S17辅助接点动作状态。

1）实施方案

（1）电子控制器X3插件上找出S16、S17的引出插针。

（2）连接中间继电器检测回路。在测试期间继电器K1保持外施额定电压。将S16、S17常开接点与检测继电器K1常开接点并联后，与K1继电器控制回路串联形成监测自锁回路。当S16、S17任一接点动作时，K1继电器得电后K1常开接点自锁，可以使K1继电器保持动作锁定（见图7）。

图7 约定不脱扣试验中继检测回路

（3）通1.05Ir，检测K1继电器是否动作。

试验结果与表3比对，验证电子脱扣器保护动作。

2）动作特性表

表3 断路器约定不脱扣试验

4 故障判定及解决方案

按照新的断路器常规试验方法对该故障断路器进行二次检测，并按照表1至表3进行动作特性判定。

在反时限约定不脱扣试验中，断路器分断（＜2h），K1动作自锁定。经对比状态表3可知过流后备保护方式存在故障点。按照后备保护系统图进行故障点排查。S16、S17接点接触良好，电动试验正常；集成电路板检测控制回路开路。经外协检测单位确认，电子式控制器执行电路中电容击穿。更换电容后断路器再次按新的大电流整定试验方法进行测试，判定断路器断开试验动作合格。报告见表4。

表4 断路器整定试验报告简表

5 结论

根据本文的研究，改进了电子式控制器的过流保护特性试验方法，检测出断路器备用保护动作异常，准确查找出断路器误动作故障问题。修复后断路器在现场投送后无误动作情况，运行良好。

参考文献

[1] 尹天文. 低压电器技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.

[2] 高学义. 低压断路器及其参数简介[J]. 内蒙古石油化工, 2014(19): 103-104.

[3] 向波. 我国低压电器现状及发展探讨[J]. 中国高新技术企业, 2016(9): 64-65.

[4] 洪成, 姚骏. 智能脱扣器的硬件电路设计[J]. 仪表技术, 2014(10): 13-16.

[5] 李峰涛, 倪娜, 张敏. 开关电器智能化技术的发展动态与方向[J]. 电子技术与软件工程, 2015(23):138.

[6] 李钢, 肖峰. 框架式断路器常见故障分析[J]. 电子测试, 2016(1): 121-122, 161.

[7] 顾惠民. 断路器过电流保护脱扣器的设计研究[J].电器与能效管理技术, 2016(2): 9-15, 22.

[8] GB 14048.2—2008. 低压开关设备和控制设备[S].

[9] 牛纯春, 赵莉华, 冯政松, 等. 畸变电流下的电子脱扣器校准误差分析[J]. 电力系统保护与控制, 2016,44(21): 115-122.

[10] 李鹏飞. 对一起 ME开关偷跳的原因分析与探讨[J].中国新技术新产品, 2016(23): 34-35.