小型断路器过载保护可靠性的快速试验方法研究

 小型断路器过载保护可靠性的快速试验方法研究

 陈凯伦 何挺伟 王卢根

浙江正泰电器股份有限公司

摘要：深入研究了小型断路器在不同多次过载电压下的工作时间，构建了多次过载测试电压和工作时间的关联模式，沿断面对不同多次过载下的响应行为进行了回归分析处理。为了确定标准模型的参数并获得不同类型的国际标准过载，按照断路器在各种国际标准过载倍率下的动态时限相互的关联，提供了一个进行高倍过载测试的等效测试方法来作为国际标准过载特性测试，从而有效地减少了组合式断路器的可靠性测试时限。测试结果显示，组合式断路器在各种过载倍率下的动作时间，以及高过载倍率下的过载测试可以替代标准过载特性相关试验。

关键词：小型断路器；过载保护；实验分析

引言：小型断路器在防护设备上应用较为广泛，其过载保护可靠性会对设备或线路的正常工作产生影响。而过载防护功能也是小型断路器的关键性能之一，它能够在电源线路或设备过载时有效切断短路电流。长延时过载保护器的主要工作部件是在热脱扣器中的热双金属片，它由二个带有不同热膨胀系数的双金属板材所构成。在经过环境温度变化后，热双金属片因热膨胀系数的差异，以及内部热应力分配不均而产生的弯曲变化，使内部热量转变为机械功率，从而驱动脱扣机构，断开断路器的主触头，从而产生了过载保护器的关键作用。

1. 小型断路器的工作特点以及可靠性指标体系

1. 工作特点

小型断路器是用于保护电路和设备的电气保护装置，不同于控制继电器和低功率交流接触器等常用电气控制装置。在电路或电气设备发生过载或短路时，其触发器必须能够及时、可靠地断开电路；在电路或电气设备正常情况下，其主触头能可靠接通，电路接通时，其脱扣器不应失效。此外，小型断路器是很少使用类电气设备，其产品标准中规定的电气设备寿命远低于电气控制和接触器的寿命，通常只有几千次。

2. 可靠性指标体系

基于小型断路器的工作特点分析可知，其可靠性很难用单一的可靠性度量来描述。对于误动故障而言，可以用保护成功率R作为可靠性的衡量标准（成功率是指产品在特定条件下执行特定功能的概率，或在特定条件下测试通过的概率）。对于运行故障来说，运行故障率λ的值可以作为可靠性的一个指标（运行故障率是指产品在时间t之前工作的概率，而单位时间的运行故障发生在时间t之后的概率。中小型断路器设备的保护措施主要分为线路超载保护和短路保护，但由于在线路短路时对设备的损伤程度要比超载时严重得多，而且安全性指标体系也较为复杂并且不能用太多的安全性指数来说明，所以基本上只能看中小型断路器设备在线路出现短路情况时的保护可靠性，即瞬时保护成功率R和运行失效率λ。

2. 小型断路器过载保护特性分析

小型热断路器脱扣器中的双金属元件都会因过热而偏转，当杆F超过所能克服操作阻力的值时，脱扣器随即激活。而根据热动能的守恒定律，双金属片间热平衡的微分方程式是Pdt=cGdt+aSTdt。其中Pdt是双金属片所在时d内的全部发热量，而cGdt则是双金属片的全部蓄热能，aSTdt则是完全散热时的双金属片。国家标准中规范了断路器的过载防护特性。过载的长延时脱扣特性，能够使剩余电流断路器在规定温度下冷合闸管操作正常运行，但同时若其对每个脱扣器同时供给规定的静态电压时，其脱扣电流不能低于所规定的时限。从冷态开始，断路器常规静态电流的温升曲线如图一中曲线I所示，紧接着(即从热态开始)，常规脱扣电压的温升曲线如图一中的曲线II所述，曲线II即为常规脱扣电压从冷态开始的温升曲线。从约定不脱扣电流到约定时间 时双金属片的温升为 ，紧接着从约定脱扣电流至约定脱扣时间 时双金属片的温升为 。根据国家标准对断路器过电流脱扣特性的规定，并结合图1中的温升曲线可知，当脱扣器的动作时间在 与 之间时，双金属片的动作温升 必须位 于 与 之间，即 < < 。

图1 双金属片温升曲线示意图

由图1可以看出，对于不同的动作温升 ，约定的热态开断电流的使用寿命对应于不同工作温度升高的冷态等效试验电流的使用寿命。由于温度的升高，等效测量电流中的 和 所对应的工作时间也分别是 和 。当暴露于等效试验电流中的体温升 值满足 < < 时，则相应的暴露时间 必须满足 < < 。此时，才能确定过载保护器的动作时限在国家标准明文规定的范畴之内。从曲线IV中也能够看到，在等效试验电流的温升曲线快速上升阶段，对暴露时间的允许选择范围极小^[1]。所以，在评估断路器的持续过载防护特性时，也可通过测定在等效试验电压下的脱扣时间，来确定断路器过载防护下的脱扣时限是否满足标准。

3. 小型断路器过载保护特性等效试验关系分析

在实际生产中，通过快速测试测试仪的等效电流，采用长延时的过载脱扣时间，在等效测试电流下将断路器的脱扣时间调整在内部参考值的设定范围内。 在正常情况下，微型断路器使用其额定电流的2.55倍来测试电线。如果能在等效的测试电流下进行可靠性测试，可以快速评估产品质量的安全性，不仅可以减少测试时间和成本，还可以保证制造商的产品内校准控制值是合理的。

检查断路器过载保护的脱扣时间。理论上，在规定范围(Ta,Tb)内的每一次脱扣温升，都有一个等效的定位电流脱扣时间和较长的过载脱扣时间。两种不同影响的升温暴露时间呈一一对应关系，并且具有一定的函数关系。给定等效测试电流、常规非工作电流、常规非工作电流和限制非工作时间，N、N2、N3等都是已知的。此时， 值与双金属加热时间常数T值和经过调整的脱扣电流的持续时间 相关。对得到的t值，由于 的电流增加而成指数上升，当 上升至一定数值时， 到达了峰值。对到达峰值后的数值进行分析表明，由于 值的增大， 成为了一个复数，与断路器运行的实际状况并不一致。所以，如果除去了 复数部分，再按照曲线的方向，即可把曲线分为三个部分，曲线随变化的如图2所示。

图2 随 变化的曲线示意图

对尺寸相近的一系列塑料壳式断路器来说，不考虑双金属片的热稳定性以及自身参数的扩散，则这些开关的最大动态时限也可看作是根据样品操作温度的不同而超过了其对应的最大动作时限。于是，在由测量的动态时刻取 对数后，形成的Y与由td2所形成的X代人相应关系式中，可以得到最终标准差，这也就得出了断路器与过载的动态时间关系模式。

4. 小型断路器过载特性等效试验实例分析

国家标准中小型断路器的过电流脱扣特性如表1所示。

表1 小型断路器过电流脱扣特性

检查测量的电压为等效时间 和过载延迟时间的td2。以二十个剩余电流断路器为实验样本，额定电流=十六A，等效实验电压二点五五I，约定静态电流1.13I，约定动作电流1.45Ig，动作和静态电流为相同的撤机时间1小时。冷时重复测定二十个试样三次，每次2.55 L。计算平均曝光时间td2，求取平均值，结果如表二所显示。

表2 断路器2.551动作时间

待试件完全冷却之后，再对二十台试件进行热过载的长延时特性实验，经测量得出二十台试件的最大动作时限，td1即如表三所给出。

表3 断路器过载长延时动作时间

注意表3中的动作时间。在1、3、11和18*4的二十个样品中，样本在规定时间内均不能移动，而另外的十六个样品则在指定条件下，均在规定时限内可以移动。扣除了四个不合格样本的检测数据之后，通过剩余十六个合格样本的检测数据，分析了样品中二点五五I暴露时间和长延时过载暴露时间之间的函数关系。对十六组数据分析中的 按从小到大排序,并且将 的排序随着 的排列顺序而改变,即 随 的改变散点图如图三所显示。

图3 随 变化的散点图

由图三可发现，数据结果的整体变化规律与图二中II部分曲线相似。去掉了数据结果中显然背离趋势方向的畸点并对同样动作持续时间的点取平均数，然后，再采用上述的线性回归方式对测量结果拟合。由取 对数后所构成的Y与由 构成的X代人关系式中得到β0和β的估计值分别是lna=3.736，b=0.7192。画出 一和 的变化曲线如图四所显示，拟合值的曲线也大致满足于数据点的变化规律。对同一型式的标准小断路器进行超载试验之后，根据在上述不同的高过载倍率下对标准小断路器动作时限间的规定，高过载倍率下超载试验就可以代替了标准超载特性试验，既可以提高标准超载试验的准确性，也可以缩短标准小断路器过载试验的持续时间^[2]。

图4 试验试品 随 的变化曲线

结论：通过对本文分析可以得知，本文主要研究了中小型产品在不同过载测试输出电压倍率下的运动持续时间，并模拟了过载测试输出电压倍率和运动周期之间的关联。对各种拥塞倍数下的运动周期进行逐片处理，并通过回归分析的方式确定了模型参数。针对于小型断路器在各种高超载倍率下动作时间的关系，人们给出了一种等效试验方法，把较高超载倍率的超载测试当做基准的超载特征测试，能够有效减少微型产品的可靠性测试工作时限。而实测结果也表明，由于小型断路器在不同高超载倍率下的动作时间之间存在着较大的关系，高过载或多次过载测试电流能够取代标准的高过载曲线测试。所以，通过选择多次高过载测试电流进行安全性测试,能够提高测试的时效性，从而减少了MCB过载可靠性测试的时间。

参考文献：

1. 赵杰,周智鹏,楚肖风.智能小型断路器典型小负载电气特性分析[J].电器与能效管理技术.2021(02):45-47.

2. 黄超,傅永和.低压小型断路器短路试验的影响因素分析[J].电工电气.2021(04):90-93.