万能式断路器事故剖析
　　 ■ 正泰电器股份有限公司陈添顺
　　万能式断路器，作为电源水平级、配电水平级的开关电器元件，在当今世界低压配电舞台上的作用越来越重要，贡献也越来越大。万能式断路器品种多样，功能齐全，能够满足不同用户的不同需求，市场需求日益上升，在火热、频繁的日常销售、使用的背后，万能式断路器也存在各种各样的现场故障。发生这些故障的原因有多种多样，既有不确定外界因素造成的，也有万能式断路器自身缺陷造成的，当然也有一些由于操作者使用技能水平不到位，或野蛮操作造成的。但无论是什么原因，都必然会影响到万能式断路器的工作，影响到配电网络的工作，影响到供电的持续性、稳定性和可靠性。因此，有必要对一些典型案例进行分析，探讨有关有助于提高产品质量，有助于提高工作可靠性的举措和方法，去正确指导设计、生产、使用，从而最大可能确保整个配电系统的安全、稳定和高效。本篇文章主要对万能式断路器事故的实例分析，希望对读者有一定的帮助。
　　 首先让我们一起复习一下低压电器的一些基本理论知识：
　　 一．事故分析基础知识
　　 １.已知变压器容量,求其各电压等级侧额定电流
　　 容量除以电压值，其商乘六除以十。例:变压器容量1000KVA,额定电压400V,则额定电流约为:1000KVA/0.4KV)×0.6=1500A
　　 ２.已知变压器容量,速算其一、二次保护熔断体（俗称保险丝）的电流值。
　　 配变高压熔断体，容量电压相比求。配变低压熔断体，容量乘以9除以5。
　　 ３.已知三相电动机容量，求其额定电流
　　 容量除以千伏数，商乘以系数0.76。
　　 例:电机功率315KW，额定电压380V，则额定电流=(315KW/0.38KV）×0.76
　　 以上简算法均为实际经验的估算，运用到上述口诀时，该注意以下几点：
　　 （1）上述口诀使用时，容量单位为kW，电压单位为kV，电流单位为A。
　　 （2）上述口诀中系数0.76是考虑电动机功率因数和效率等计算而得的综合值。功率因数为0.85，效率为0.9，此两个数值比较适用于几十千瓦以上的电动机，对常用的10kW以下电动机则显得大些。
　　 （3）专用口诀简便易心算，但应注意其误差会增大。由于上述口诀中系数0.76是取电动机功率因数为0.85、效率为0.9而算得，这样计算不同功率因数、效率的电动机额定电流就存在误差，如果运用到精密计算时，请勿使用上述口诀。
　　 ４、短路类型及短路电流公式
　　 （1）三相短路，短路电流为：
　　 （2）两相短路，短路电流为：
　　 （3）单相短路，短路电流为：
　　 ５、TT、TN、IT系统简介
　　 建筑工程供电使用的基本供电系统有三相三线制、三相四线制等，但这些名词术语内涵不是十分严格。国际电工委员会（IEC）对此作了统一规定，称为TT系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。下面内容就是对各种供电系统做一个扼要的介绍。
　　 1）IEC规定的供电方式符号中，第一个字母表示电力（电源）系统对地关系。如T表示是中性点直接接地；I表示所有带电部分绝缘。
　　 2）第二个字母表示用电装置外露的可导电部分对地的关系。如T表示设备外壳接地，它与系统中的其他任何接地点无直接关系；N表示负载采用接零保护。
　　 3）第三个字母表示工作零线与保护线的组合关系。如C表示工作零线与保护线是合一的，如TN-C；S表示工作零线与保护线是严格分开的，所以PE线称为专用保护线，如TN-S。
　　 5.1TT方式供电系统
　　 TT方式是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称为保护接地系统，也称TT系统。在TT系统中负载的所有接地均称为保护接地，如图1-1所示。
　　 这种供电系统的特点如下。
　　 1）当电气设备的金属外壳带电（相线碰壳或设备绝缘损坏而漏电）时，由于有接地保护，可以大大减少触电的危险性。但是，低压断路器（自动开关）不一定能跳闸，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压，属于危险电压。
　　 2）当漏电电流比较小时，即使有熔断器也不一定能熔断，所以还需要漏电保护器作保护，困此TT系统难以推广。
　　 3）TT系统接地装置耗用钢材多，而且难以回收、费工时、费料。
　　 5.2TN方式供电系统
　　 这种供电系统是将电气设备的金属外壳与工作零线相接的保护系统，称作接零保护系统，用TN表示。它的特点如下。
　　 1）一旦设备出现外壳带电，接零保护系统能将漏电电流上升为短路电流，这个电流很大，是TT系统的5.3倍，实际上就是单相对地短路故障，熔断器的熔丝会熔断，低压断路器的脱扣器会立即动作而跳闸，使故障设备断电，比较安全。
　　 2）TN系统节省材料、工时，在我国和其他许多国家广泛得到应用，可见比TT系统优点多。TN方式供电系统中，根据其保护零线是否与工作零线分开而划分为TN-C和TN-S等两种。
　　 5.2.1TN-C方式供电系统：它是用工作零线兼作接零保护线，可以称作保护中性线，可用NPE表示，如图1-2所示。
　　 5.2.2TN-S方式供电系统：它是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统，称作TN-S供电系统，如图1-3所示。
　　 　　 5.2.3TN-C-S方式供电系统在建筑施工临时供电中，如果前部分是TN-C方式供电，而施工规范规定施工现场必须采用TN-S方式供电系统，则可以在系统后部分现场总配电箱分出PE线，这种系统称为TN-C-S供电系统。
　　 5.3IT方式供电系统
　　 IT方式供电系统为中性点不接地可经一高阻抗接地，如图1-4所示。
　　 　　 6电弧及危害
　　 电弧是一种温度极高、强光发射的导电气体。当在空气中开断电路时，电源电压超过12~20V，被开断电流超过0.25~1A就可以产生电弧。电弧产生的能量非常大，因此电弧的危险性也很高，当电流进出身体形成一条通路时，会使人电击休克，甚至死亡；电弧温度高达数千度，是造成电气火灾的主要原因，还可能发生电弧爆炸等更大的危险。
　　 二、剖析万能式断路器事故实例
　　 简单介绍了电器理论的相当知识后，我们来剖析几个典型的万能式断路器事故实例。
　　 （一）、用户的配电系统严重不合理引起故障
　　 某一小区配电柜发生万能式断路器和变压器线圈一起烧毁，经现场分析和计算如下：
　　 故障现象为：1、DW16-630的产品烧毁；2、变压器线圈烧毁，安全阀动作。
　　 事故调查：根据现场勘察，绘制配电系统图如下图所示：
　　 　　 故障原因分析：
　　 1、在DW16-630的上母线，触头系统，基座的上半部分烧毁厉害，配电柜的母线被烧掉了10cm左右，而下母线及过流铁芯基本完好。从烧毁的情况看，主要是用户配电柜母线与断路器母线接触不好，温升过高，引起基座老化，绝缘基座的绝缘强度降低，最终导致绝缘击穿，使断路器烧毁。由于事故点在断路器过电流脱扣器的上面，断路器无法检测到过电流信号，无法进行保护。
　　 2、变压器低压侧电流为454.7A，选用的配电柜的额定电流为1500A，配电柜中选用的断路器为DW15-1600，额定电流为1600A，瞬时整定为6In，即9600A，由于变压器的容量小，电缆的横切面面积小（现场计算横切面面积为240mm2），短路电流不大，达不到DW15-1600的瞬时动作保护值，不能使DW15-1600瞬时动作进行保护。
　　 3、变压器高压侧电流为18.19A，用户选用的高压熔断器的额定电流为30A，熔断器电流太大，不能保护变压器。由于用户的配电系统严重不合理，最终导致变压器线圈烧毁。
　　 配电系统中存在的问题：1、高压熔断器的额定电流选择不当；2、变压器的容量与配电柜的额定电流严重不匹配，整个配电系统是小马拉大车；3、电缆的横切面小，与配电柜不匹配；4、断路器的额定电流与变压器的电流不匹配，且瞬时动作值整定不合理。
　　 预防措施：1、多与用户沟通，提高用户的安全用电常识；2、建议用户使用由设计院设计，专业配电柜厂家制造的成套配电柜。
　　 （二）用户线路参数整定不当引起故障
　　 某居民区的动力箱处电缆发生短路，处于配电室内做总开关及分支开关的数台DW45断路器未跳闸，而断路器上端变压器处的熔断器熔丝熔断，用户对断路器的保护性能是否可靠提出了质疑……
　　 无锡用户线路故障示意图
　　 　　 2-1电力系统的阻抗：
　　 考虑到整个系统为无限大功率电源，线路的短路容量不小于300MVA。所以设电力系统的电阻Rs=0；电抗Xs=0。
　　 2-2变压器的阻抗：
　　 （1）电阻Rt：
　　 （2）电抗Xb：
　　
　　
　　 2-3电缆线路的阻抗：
　　 线路中电缆为s=150mm2铜芯电缆，长度为200m，查手册其电导率r0=57m/Ω.mm2；x0=0.17Ω/km；
　　 (1)电阻：
　　 (2）电抗：
　　 2-4断路器、铜母线及电流互感器的阻抗不计入其中，若计入时，计算出短路电流将略小于不计入上述值。
　　 2-5计算总阻抗Z：
　　 2-6计算三相短路电流：
　　 则两相短路电流为：
　　 也就是说，即使发生三相短路，万能式断路器也无法跳闸，这就是用户线路参数整定不当引起故障。
　　 （三）、控制回路元件引起故障
　　 一台不带欠电压脱扣器的2500A，三极万能式断路器用于某制造企业。断路器运行半年来，隔一段时间便发生莫名其妙的跳闸，跳闸时实际线路上没有故障。更换多个检验合格的万能式断路器产品，故障依旧。故障分析：更换多个检验合格的万能式断路器产品，故障依旧，说明问题的造成不在断路器本身，而很有可能在万能式断路器的控制线路上。因此有必要对控制线路进行分析，见图四。其中X为断路器的合闸线圈，F为断路器的分闸线圈，1ZK1、1ZK2分别为断路器内部的常闭、常开辅助触点，SB1、SB2为点动按钮，AD为指示灯，J为中间继电器，J1为中间继电器的常闭触点，K为转换开关。万能式断路器准备合闸运行前，转换开关K的1、2端子将切换为导通状态。AD灯亮，中间继电器J线圈受电，其常闭触点J1变为断开状态。万能式断路器合闸运行后，1ZK1为断开状态，1ZK2为闭合状态，J1为断开状态。
　　 控制线路分析：从图四可看出，由于合分闸线路互相独立，互不干扰。合闸线路简明，不含联锁触头回路。分闸线路复杂，含联锁触头回路。而故障的现象是表现在莫名其妙的跳闸上。因此重点应分析分闸线路。而万能式断路器合闸运行时，断路器常开辅助触点1ZK2为闭合状态，点动按钮SB2为断开状态，那么问题的焦点落在J1的状态上。断路器合闸运行时，按常规J1应为断开状态。那么莫名其妙跳闸故障的产生是不是J1断开状态的不稳定所造成的呢？我们来分析一下控制J1状态的中间继电器J线圈受电回路。我们发现指示灯AD有嫌疑。
　　 如图五所示，我们对其拆开分析。指示灯AD发光时其发光部分为AD内，其纯电阻部分为R内。一般情况下AD内、R内的值相对稳定，保持与中间继电器J线圈内阻、功率的匹配。而当指示灯AD受环境温度的影响，R内的值会变化。当温度升高时，R内增大，使得其上所加电压与功率增大。由于AD与J是串联在线路上，加在AD上的电压越大，加在J上的电压越小。当加在J上的电压值低于其工作电压的最小值时，线圈J释放，使得本应该处于按断开状态的J1触头变为闭合态，从而使分闸线路接通，造成万能式断路器莫名其妙的跳闸。解决故障的可行的方案，如图六所示。将原来的J受电回路一分为二，分为AD回路和J受电回路，其中转换开关K的5、6端子的特性与1、2端子特性一致。
　　 三、结论
　　 一个现场故障的产生总会有其原因。万能式断路器因其功能多样、附件种类繁多，位居配电系统的“老大哥”位置，其现场故障影响重大，维护所需知识面要求广，维护时间要求尽可能短。现代万能式断路器从以前粗放型向智能型、环保型、节能型、多功能型方向发展。在我国目前各种万能式断路器百家齐放，产品档次高中低层次分明，极大满足各种用户，不同场合的需求。激烈的市场竞争从单一的价格竞争，逐步上升到品质、服务、价格三者并举的竞争。在把握未来万能式断路器产品的安全性、可靠性、品质性等方面可以从如下几方面进行。
　　 1.抓好人的素质。无论是生产厂商的技术、制造、管理人员，还是用户设计、安装、调试、使用的人员，都应切实了解产品的性能和说明，充分建全效能体制，发挥效能机制，确保各种用电的有效、安全、稳定、高质。
　　 2.要因地制宜，实事求是，理论联系实际。分析问题，解决故障，在更高、更有利、更科学的高度切实解决问题，不断建议、改进与万能式断路器在设计使用中的缺点和不足，虚心总结经验，不断完善各种功能，不断提高生产、工艺、装备、检测、使用水平，与实俱进，全面推进由此带来的低压配电文明进程。
　　 3.不断紧密联系市场，依托市场，挖掘市场需求，服务于市场，循序渐进，利用新科技、新材料，不断发展老产品，推出新产品，以市场化、操作简单化、功能优势化为突破口，积极不断引领市场，充实万能式断路器产品的销售、服务，促进万能式断路器生产企业的发展。