负载低压断路器欠压保护模块的研究

　　摘 要：公司早期购买的施耐德负载低压断路器的欠压保护模块故障，致使断路器无法正常合闸，失去功效。但该断路器使用年限已过保修期，而且施耐德公司已不再生产此型号的断路器，无法购买欠压保护模块的替代件。本论文以解决该问题为论题，对负载低压断路器欠压保护模块进行研究，测绘欠压保护模块的电路图，并最终排除电路故障，恢复负载低压断路器欠压保护模块功能，保证断路器顺利合闸。
　　关键词：断路器；欠压保护模块；施耐德
　　1 课题背景
　　负载低压断路器是燃气轮机发电机组的发电机与负载连接的必要电气元件，它的可靠合闸和分断直接关系到燃气轮机发电机组对负载的供电情况[1]。负载低压断路器在电压下降或失压以及随后的电压恢复都将会对人员和财产造成危险，所以需要采取适当的预防措施，这样的保护装置称为负载低压断路器的欠压保护模块。
　　中航动科新能源科技有限公司生产的燃气轮机发电机组产品一贯在负载低压断路器的设计和选型上反复斟酌。但公司部分燃气轮机发电机组所使用的负载低压断路器为早期施耐德公司的产品，该断路器产品的使用年限已经超过保修期，并且该型号的低压断路器在施耐德公司已经下线不再生产。同时施耐德公司产品附件的通用性较差，很难买到相似的替代件。
　　同时，该负载低压断路器在长期使用后，其欠压保护模块出现故障，无法输出标志电压正常的信号，致使断路器无法正常合闸，失去连接发电机与负载的功效。如果只因为欠压保护模块的故障而使整个断路器报废，将会损失不小的资金。所以本论文以负载低压断路器欠压保护模块的研究为题，自行研究和设计施耐德负载断路器欠压保护模块的维护策略从而解决燃气轮机发电机组在服役期间的实际问题。
　　2 负载低压断路器以及欠压保护模块
　　负载低压断路器，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。断路器的动、静触头及触杆设计成平行状，利用短路产生的电动斥力使动、静触头断开，分断能力高，限流特性强。短路时，静触头周围的芳香族绝缘物气化，起冷却灭弧作用，飞弧距离为零。断路器的灭弧室采用金属栅片结构，触头系统具有斥力限流机构，因此，断路器具有很高的分断能力和限流能力。
　　该类型断路器具有复式脱扣器。反时限动作是双金属片受热弯曲使脱扣器动作，瞬时动作是街铁机构带动脱扣器动作。脱扣方式有热动、电磁和复式脱扣3种。
　　当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源。
　　当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推動杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。
　　主触点通过操作机构（手动或电动）使之闭合的，其触点系统由于装有灭弧装置因而不仅能接通或切断正常的工作电流，还能在发生故障时迅速切断比正常工作电流大好几倍的故障电流，从而能有效地保护负载电路。当主触点通过操作机构闭合后，就被锁钩锁在合闸的位置。如果电路中发生故障，则有关的脱扣器将产生作用使脱扣机构中的锁钩脱开，于是主触点在释放弹簧的作用下迅速分断。按照保护作用的不同，脱扣器可以分为过电流脱扣器及欠压脱扣器等类型。
　　在正常情况下，过电流脱扣器的衔铁是释放着的；一旦发生严重过载或短路故障时，与主电路串联的线圈就将产生较强的电磁吸力把街铁向下吸引而顶开锁钩，使主触点断开。欠压脱扣器的工作恰恰相反，在电压正常时，电磁吸力吸住衔铁，主触点才得以闭合。一旦电压严重下降或断电时，衔铁就被释放而使主触点断开。当电源电压恢复正常时，必须重新合闸后才能工作，实现了欠压保护。
　　3欠压保护模块电路的设计
　　3.1 欠压保护模块的设计思路
　　欠压保护模块电路通过对所供电设备电压进行取样检测，如电压出现欠压现象时（欠压值可根据所需设定），保护电路内部的执行继电器延时并释放（保护电路正常工作时，在无欠压情况下内部执行继电器呈吸合状态）。从而达到对用电设备的保护。该保护电路的工作状态图如图1所示。
　　当加入工作电压小于过压状态的最小值，大于欠压状态最高值时，保护电路内部执行继电器呈吸合工作状态。当电网电压低于欠压设定值时，此时保护电路进入延时保护工作状态，延时T（时间）到达后，内部执行继电器由吸合状态转为释放。保护电路根据欠压设定值，对延时保护加入时间可调功能，以满足不同的欠压保护。
　　3.2 欠压保护模块电路技术参数
　　欠压保护模块电路的欠压参数可设置为：376V、364V、352V、340V、328V。针对本论文的论题：动科新能源公司的施耐德负载低压断路器，设定欠压参数围为340V，保护电路延时时间30s可调[3]。通过对现场施耐德负载低压断路器欠压保护模块电路的探测和分析，得出整体电路图如图2所示：
　　4负载低压断路器欠压保护模块的调试
　　针对施耐德负载低压断路器的研究以及电路的模拟，对损坏的欠压保护模块进行维修，寻找故障点。通过排查，确定导致欠压保护模块不动作的原因为芯片MC4541以及部分外围的二极管和电容的损坏。即使功能转换开关K向芯片MC4541的手动复位控制端MR传送开关量信号，MC4541的输出引脚也无法发出高电平，未接收到高电平信号的KA1线圈将不会得电，所以负载断路器将不会得到输出电压正常的信号，所以负载低压断路器无法正常合闸。
　　随后，更换完好的MC4541芯片以及部分外围的二极管和电容，将欠压保护模块电路恢复，并在新能源公司10B-2车载式燃气轮机发电机组上尝试维修后的负载低压断路器的工作情况。在车载式燃气轮机发电机组起动成功后，进行断路器储能以及合闸。通过试验显示，负载低压断路器合闸成功，欠压保护模块工作正常，本论文论题研究完成。
　　5 结束语
　　该欠压保护模块属电压取样检测型保护电路，因不受被保护电器及设备功率大小限制而得到广泛应用。在过压、欠压保护设定较方便，且保护时间准确可调。
　　同时本论文以中航动科新能源燃气轮机发电机组的负载断路器为课题研究平台，通过对欠压保护模块的研究，排除了电路中的故障点，恢复欠压保护功能，负载断路器开合正常，达到预期要求。维修负载断路器欠压保护电路的整个过程，仅花费30元人民币，相对于购买全新的施耐德负载断路器的价格，节省了大量的资金。
　　参考文献
　　[1] 鲍兴财，王长志.燃机装配试车工[M].中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司.2009，1-3.
　　[2] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社.2000，260-263.
　　[3] 施耐德配电电器有限公司.MASTERPACT MT（N2，H，L）使用说明书[M].1995，1-15.
　　作者简介
　　高金巍（1984-），男，黑龙江省哈尔滨市人，民族：汉 职称：工程师，学历：硕士研究生。研究方向：电路与系统。单位：通用电气。
　　（作者单位：通用电气）

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