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我国低压电器的几个亟待解决的问题
2006年3月24日 9:56  来源:中国自动化网

   摘 要 文章讨论我国低压电器品种、规格及性能方面存在的难以满足实际工程技术要求的若干问题、并提出进行改进与开发的建议

  关键词 低压电器 隔离 进线方向  断相保护 安全开关
  
  一、概述

  由于我国低压电器品种、规格及性能方面的欠缺与不敷应用、现行设计规范的不尽完善、以及用户的使用偏差,多种低压电器的实际工程应用中存在一些不合理的、甚至错误的用法,导致运行维护困难、故障增多,或留下长期的安全隐患。本文仅对几个具有普遍性的问题做初步讨论,希望引起电器制造厂家及用户的共同关注。
  
  二、低压隔离电器规格不全

  自60年代至今,我国主要隔离器(如HD11)及刀开关(如HD13)系列产品最大规格仅为额定电流1500A。囿于早期国产保护电器的断流容量水平,我国设计规范曾长期限制中/低压配电变压器容量为1000KVA(额定电流1440A)以内,隔离电器水平可满足其需要。近年来随着保护电器产品的长足进步及断流能力的提高,工业及民用电网中都较普遍地使用了单台容量为1250~2500KVA(0.4KV侧额定电流1800~3600A)的配电变压器。现有低压隔离电器已不能满足要求。于是低压侧总电源进线屏及分段母线联络屏的隔离电器普遍地采用了每相以一台3极或2极电器替代的方案(例如每相以一台3极或2极HD13刀开关替代一台三相大规格刀开关)。这种用法的主要弊病有二:(1)刀开关分相操作、增加了因误操作导致断相运行之类故障的机率。故设计规范〔1.2〕提出:“隔离电器宜采用同时断开电源所有极的开关”;(2)使低压配电屏庞大笨重,例如利用PGL屏框架制造的这种进线屏或联络屏,单屏宽度达1200~1600mm。
  近年来,有的厂家推出了引进技术生产的Q系列(QP、QA)具有滚动触头的隔离开关,约定发热电流最大为3150A。但对于工业负载中常见的AC-22及AC-23使用类别,其额定电流将降低约1/2。故除产品尺寸缩小,机械寿命有所提高外,与国产HD系列刀开关相比,额定电流并无实质性的显著提高,并未根本解决问题。因此,亟待开发大容量国产隔离电器开关产品。
  
  三、国产四极电器品种亟待开发

  近年来,出于对运行和检修安全的考虑以及与国际标准接轨的要求,新修订的设计规范〔1.2〕较明确地规定了在许多应用条件下应采用四极低压电器(即断开相线与N线的电器)。比如:有电源转换功能的电器、包括隔离电器、保护电器和操作电器(例如刀开关、断路器和接触器)都应采用四极电器;电网中维护、测试及检修电路或电气设备应采用四极隔离电器;单电源系统的总电源开关,包括变压器低压侧总开关,建筑物或生产车间进线电源总开关(例如刀开关及断路器)应采用四极电器,等等。已有许多文章阐述这一问题,本文不拟重复。
  但是,当前最常用的国产低压电器主导产品几乎都是三极电器,例如,隔离电器的HD系列及引进生产的QP、QA系列;断路器中的DW15、DZ20系列及引进生产的AH、AE、TO、TG系列;CJ20系列接触器等等常用低压电器均为三极电器。故凡需四极电器的地方,目前都不得不采用其它品牌的国外产品或引进产品,或不得不与制造厂家协商特殊制造。可见开发国产四极低压电器系列产品已是当务之急。
  
  四、低压断路器进线方向与断流容量问题

  大多数万能式及塑壳式断路器的电源进线端在上方,馈线(即负载)端在下方。主要原因是灭弧系统设在上方(电源侧),这时若将电源进线接至下方,灭弧条件更为苛刻。这类断路器的额定断流容量乃是上进线时的数据。日本一些电气公司的试验结果表明,断流容量≤20KA的塑壳断路器改为下进线时,断流容量降低约1/3。我国也曾将上进线断路器按下进线作通断能力试验、试品受到极大破坏。国产DW15-200?630;DWX15-200?630;DZ40等型号断路器及引进技术生产的H、TL、TG等系列断路器等等均为上进线断路器,只能应用于上进线条件。
  有些应用条件(如分段母线联络断路器、馈电及受电通用回路断路器等)下,电源引入方向可能改变,必须采用允许上、下进线(即上、下进线额定断流容量相同)的断路器。这类断路器不仅其结构设计采取了特殊技术措施,型式试验中还应将上、下进线互换进行短路通断能力试验。
  我国断路器产品标准规定在产品文件及产品铭牌上应明确说明该产品是否允许上,下进线或标明电源进线端及出线(负载)端。令人遗憾的是我国大多数断路器的产品文件,产品样本,使用说明书及铭牌上并未明确注明其允许的进线方向,必然会对用户产生误导,以为凡未注明进线方向的断路器都允许上,下进线。以致在全国统一设计的几类定型低压屏(如PGL及GGD系列)中的部分方案也有这种错误发生(例如:分段母线联络屏PGL2-06E、07E及GGD1-12B.C、 13B.C;受电馈电通用屏PGL2-03E、GGD1-05B.C等都错误地把只能上方进线的DW15-400及630型断路器当做允许上、下进线断路器使用),此产生的负面影响更为严重。为杜绝这类误用,避免可能产生的恶果。笔者认为亟需尽快解决几个问题:(1)统一规范断路器产品的技术文件和铭牌标识。必须明确注明产品允许的进、出线方向;(2)改进产品结构与性能,力求断路器产品上、下进线断流容量相同;(3)及时组织检查并修正低压屏柜产品的上述类似错误。
  
  五、低压熔断器断相保护问题

  低压电动机损坏事故中约30%是断相运行造成的,而断相运行故障的75%以上是熔断器熔断引起的。导致某相熔断器熔断的主要原因除故障(如单相短路)熔断外,因熔断器触头接触不良、熔体选择不当及熔体熔断特性的分散性等非故障熔断也占很大比例。因此熔断器断相保护问题亟待重视解决。根本的解决办法是熔断器本身应具备断相保护功能。常用措施之一是熔断器附设熔断器撞击(指示)器及微动开关。当任一相熔断器时、通过联动的微动开关动断触头切断接触器控制电源(图1)或输出报警信号。但是国产低压熔断器产品中除一些容量规格较小的型号如RL1B、RT14等以外,多数载流与断流容量较大的如RTO、NT等型号不具备这种功能,不能满足断相保护要求。
  我国低压电动机一般以具有断相保护功能的热继电器作过负荷保护兼断相保护装置。许多设备(如风机、水泵等)常低于额定负荷运行,一般不会过负荷。按设计常规可不设计负荷保护。实际工程中当用作短路保护的熔断器不具断相保护功能时,仍要求设置相应的热继电器作断相保护装置使用。并被认为十分稳妥。实际上效果并不理想。大多数鼠笼型电机(4KW及以上)定子绕组为△接,热继电器只能接于其线电流,并按线电流整定。国产有断相保护功能的热继电器动作特性如表1所示。当熔断器单相熔断造成断相运行时(图2) 假定断相前后功率因数不变,可求出表2中的电流变化关系,I L及IФ1、IФ2(=IФ3)为断相后的线电流与相电流;I Ln、IФn为额定线、相电流,即三相运行且负载率K f=1时的线电流与相电流。I f为断相后最大负序电流。
  对照表1、表2可知,当K f=1或更大时,热继电器动作时间可较短,能较快切除断相故障;Kf≤0?58时发生断相,则热继电器动作时间很长,甚至可能不动作。这时定子中正序电流不大,不致损伤绕组;相对值不大的负序电流则以约2倍额定转速的旋转磁场切割转子绕组感生100Hz的感应电流。此时转子交流电阻比正常运行时约增高6倍,如K f=0?58时,虽然I f /I фn=0?60,转子损耗与额定工况时损耗相比增高达:0?6 2×1+0?62×6=2?52倍,会导致电机过热损坏,对绕线型电机威胁更大。考虑断相后功率因数之恶化,情况更为严重。因此一些引进工程的技术条件中已规定;凡以熔断器作短路保护的动力馈线中,无论是否配置了有断相保护功能的热继电器,其熔断器都必须具备断相保护功能。这一规定是正确的。同样,对于三相四线制民用低压电网,以单相相电压负荷(如照明、家电等)为主,断相运行也将造成三相负荷严重不平衡及中线电位偏移,威胁用电安全。故民用配电干线以熔断器作过负荷与短路保护时,亦应要求具有断相保护功能。因此亟待开发规格容量较大的具有断相保护功能的国产熔断器产品以满足工业及民用配电之需要。
  
  六、机房安全开关及紧急停止开关亟待开发

  随着自动化水平的提高,工厂电气设备集中控制的趋势日渐明显。生产机械的传动控制由远离现场的自控装置(计算机、PLC等)及电动机控制中心(MCC)集中控制,于是机旁安全开关及紧急停止开关在工业化国家应运而生,作为一种机旁专用开关产品逐步完善并广泛应用。工业化国家对其功能及技术要求有明确规定。以欧洲(德、瑞典等国)为例,安全开关(Safety Switches)规定用于检修,安装时人体可能进(伸)入其危险区域的机械设备旁。功能是将传动电机与馈电线路及其它电气部分隔离,防止因意外接通电源造成维修人员人身伤害及设备毁坏事故。开关应装在电源馈线上,手动操作,并有明显的开闭位置指示。且能用锁钥将其闭锁;紧急停止开关(EMER-GENCY STOP Switches)应用于制造与加工机械设备操作位置旁,发生紧急情况时用以切断设备电源,限制事故对人员及设备的危害。要求能切断电路额定电流及过载(例如电机堵转)电流。可手动或电动操作,应有明显的位置指示,并应能用锁钥将其闭锁。可见两种开关都用于安全目的,都要求装在生产设备旁,能隔(切)断电源线路,有明显的位置指示及机械闭锁装置;所不同者在于前者主要用于检修,故不强求具有切合负荷电流之能力,紧急停止开关则必须具有切断负荷电流与过载电流的能力。故紧急停止开关可作安全开关使用,无切合负荷电流能力的安全开关则不能作紧急停车开关使用。例如瑞典ABB公司的SEH系列紧急停止开关,实际是面板上有挂锁装置及位置指示的手动操作负荷开关;其SMH系列安全开关实际是面板上有挂锁装置及位置指示的刀开关。但可由辅助接点实现与电路中接触器的联锁,开关结构保证分闸时辅助接点先于(≥30ms)主触头开断、通过它使接触器切断负荷电流;合闸时辅助接点与主触头同时闭合,准备好接触器合闸回路
  我国迄今尚无专用机旁安全开关及紧急停止开关产品,甚至未将其列入低压电器《电工术语》(GB/T2900·18-92)。这种情况已难适应工业发展的实际需要。
  我国有关设计规范〔2.3〕对机旁开关的设置也作了一些规定,主要是:远方控制的电动机宜有就地控制和解除远方控制的措施;突然起动可能危及周围人员安全时,应在机旁装设应急断电开关或自锁式按钮和起动预告信号。这些规定与作法存在以下主要问题:
  (1)未在机旁切断主电路,不能确保可靠断电。因一般接触器无锁扣装置,即使用自锁钮断开了接触器控制回路,维护人员仍可能在MCC处用螺丝刀等简单工具拨动衔铁(如CJ12、CJ10型)或误接控制回路导致主触头闭合、造成意外通电事故。这正是国外强调机旁安全开关与紧急停止开关切断主回路的原因之一;
  (2)并未达到《电气设备安全设计导则》(GB4064)标准。该标准规定:装于机旁用于保障检修安全或紧急停机的开关必须能强制分断与隔离主电路,具有可靠的闭锁装置及醒目的开关位置标志。
  我国工矿企业现场操作维护人员伤亡及设备损毁事故屡有发生,与机旁紧急断电及安全措施不完善直接相关者为数不少。故修订现行设计规范的有关条款,开发专用的机旁安全开关与紧急停止开关产品都是亟待解决的现实问题。

 
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