“零斷電”更換控制器的實施——低壓萬能式斷路器的新配置

付春秋 卜浩民

（上海良信電器股份有限公司，上海 200137）

1 概述

首先引入一個新名詞“零斷電”：在低壓斷路器主回路正常運行（通電）的情況下，如果作為其控制部分的電子模塊出現故障或故障隱患，能在保持斷路器仍接通的狀態下帶電更換電子控制模塊，從而保持了供電的不中斷，保證供電的連續性。

對電力系統來說，除了設備或線路出現故障時，需要斷路器起動保護、切斷主回路外，其他斷電都是希望避免的，尤其在一些重要用電場合，必須保證供電的連續性。但受斷路器本身的設計及結構限制，當斷路器本身出現故障時，也會發生電力系統的被動斷電。是否有“零斷電”的解決方案呢？

隨著電子、數字、智能技術的進步，智能型低壓斷路器以其保護功能全面、智能化、可通訊、體積小等優勢已逐步替代傳統熱磁式斷路器。但在大量使用中，也逐步暴露出電子產品的不足，老化及干擾影響到產品的長期工作穩定性，老化失效是電子產品自身特點決定的，它帶來保護及智能化功能的失效；同時電網質量的影響也不容忽視，隨著人們生活水平的不斷提高，各種新型電氣設備的普及，特別是變頻設備的大量應用，對電網的質量造成了嚴重的影響，這些都考驗著電子器件的穩定性，它能否正常工作，直接影響電源供電的質量和供電的持續性。自身老化影響加上外部干擾的影響，縮短了斷路器智能控制器使用壽命。當發現智能控制器有故障或故障隱患時，現在的做法是切斷電源，更換或維修故障部件。能不能不切斷電源，在保持連續供電下就可以更換控制器呢?這就是我們要討論的零斷電解決方案—“零斷電”更換智能控制器的斷路器。這也是應上海市供電公司的需要而開發的一款派生產品。

2 結構要求

1）能在配電柜門關閉情況下更換控制器的模塊化結構

由于低壓配電柜與內裝萬能式斷路器一般都有門聯鎖，打開柜門，斷路器會自動跳閘。這就要求在更換控制器部件時，不能打開配電柜柜門。萬能式斷路器裝在配電柜內，只有其面罩露在柜門上，因此要求模塊化控制器的整體結構必須在面罩的范圍內能取出，且要求簡單方便。

2）外形及安裝尺寸的協調性

因為是對現有斷路器的改造，所以新控制器的外形尺寸不能超出原有控制器，安裝位置及尺寸不能有變化，內部布局可以根據設計進行適當調整。為了同時能替代已投入運行的產品，要求與現有成套柜的安裝具兼容性。因此新控制器要滿足和原有產品相同的安裝尺寸和不大于的外形尺寸。

3）與斷路器本體須連接可靠、解鎖方便、更換迅速

因為在取出原有控制器到新控制器安裝到位前的時間間隔中，相應保護功能會喪失，若此時有需要動作的故障出現，會失去相應的操作指令及保護動作。為此，要求整個更換時間越短越好，暫以不超過15s為目標時間。

機械連接結構在保證連接穩定可靠的前提下應便易解開，希望通過最簡單的操作方式，實現一鍵解鎖，保證連接可靠和更換快速。據此，擬盡量不采用傳統的螺釘、螺母連接方式。

4）電氣接觸連接的快速、可靠、耐久

為了滿足能快速更換的要求，相應的電氣連接接插件結構設計尤為重要，常規的單點接觸結構不能滿足接觸可靠及耐震動的要求，也不能滿足快速接插要求。需通過重新選型或設計專用型接插件實現可靠接觸的要求。

智能控制器通過電氣接插件連接，即使只有一個接點接觸不良，就會導致斷路器部分功能喪失，這種質量隱患是不允許的。與控制器的電氣連接，多是通過弱電信號，因此降低接觸電阻、保證接觸良好尤為重要。接觸片一般為銅件，表面鍍銀或鍍金，接觸面長時間暴露在空氣中，會形成低導電率的覆蓋層，導致接觸不良。接插件的上下對接及滑動，有利于去除接觸表面的氧化層，達到可靠接觸的效果。

因有多回路同時插拔，為提高多路接插配合的準確度、接插壽命和抗震能力，此對接過程不應是硬性（剛性）連接，而是通過“軟性連接”配合、多點接觸等措施提高其接觸可靠性。

5）有防止非正常誤操作的措施

因新智能控制器的更換簡便，為了防止非常規的誤操作而引起的誤設、誤動，在控制器外部擬加設帶鎖定結構的透明防護罩，只有指定的專業人員才能解開鎖定，打開防護罩，進行設定操作。

6）控制器安裝和接線到位的外部指示

受產品的空間限制，操作者不可能直接看到控制器裝配是否到位，因此需要能通過外部燈光或聲音，指示裝配和接線到位的狀態。

7）電氣接插件的插拔力應在合理范圍內

電氣接插件的插拔力是受接插件的結構決定的，插拔力太大，影響控制器更換速度，也影響接插件自身及周邊器件的壽命；插拔力太小，影響產品接觸可靠性，會導致接觸不良而發熱。應根據不同的斷路器，選擇或設計適當的接插件，在保證接觸可靠的前提下，力爭提高壽命。

3 性能要求

1）控制器更換過程的人身安全防護

因主電路為 AC400V或 AC690V的不安全電壓，在更換控制器時，必須與操作者有效隔離。操作端可能觸及的部件電壓不得高于 36V，此要求必須貫徹在設計中。可通過絕緣隔離、結構重置、接地等實現全面安全防護。

2）確保更換過程中電子元器件的安全

對計算機等設備，通常不能帶電更換其外接設備，如鼠標、鍵盤、打印機等，否則會損壞設備或丟失數據等。同樣在斷路器中，帶電插拔控制器時，更會有電弧及高電壓產生，這對相關電子器件都會產生一定的損害和破壞，同時還可能危及操作者的安全。所以需要對相關元器件作出有效保護性設計，保證在更換控制器過程中不產生電弧及高電壓。

3）誤動作的防范

智能控制器正常起動時具有自診斷和自保護功能，當卸下控制器時，因檢測到外部信號丟失，會下達動作指令，使產品跳閘。但在更換零斷電控制器時必須避免斷路器跳閘，為此就要對產品的硬件配合邏輯及軟件的程序編寫進行調整，設置成報警不動作或延遲一定的時間后再進行檢測，不但可以保證產品發現自身故障，同時也不會發生誤動作而導致產品分閘。

4）提高帶電插拔控制器的一致性，滿足更換的匹配性

電子部件和電子部件之間，特別是電子部件與信號采集部件間的匹配度要高，否則就會出現新更換的控制器與原有基座之間不相匹配，從而導致誤動或拒動。所以要求每個電子部件的一致性要好，保證更換后的控制器與周圍配套件的高匹配性。

5）保證可更換件的機電壽命

控制器能帶電更換是萬能式斷路器的新功能，雖然進行更換的周期很長，更換次數少，關于更換件的機電壽命指標沒有相應的標準要求，但終究應按滿足產品的長期可靠運行出發考慮其使用壽命。

6）報警指示

智能控制器被拆下后，相應的功能就喪失了，此時是保護的空白期，這時在產品外部要設置一個報警提示輸出，可以是燈光提示，也可以是聲音提示，提示操作者盡快將新的控制器安裝到位。

4 方案實施

智能控制器在斷路器中承擔數據采集，數據處理，下達動作指令等功能，電子產品的特點是體積小，單元模塊化，輸入輸出接口較集中，與主電路可靠隔離等，這為實現帶電更換提供了方便。以萬能式斷路器為例，圖1是零斷電解決方案的原理框圖。

圖1 原理框圖

圖1中，產品的結構全部為模塊化設計，模塊之間，電氣上由插板與雙排插座連接，機械上由旋鈕及彈跳裝置等連接，結構上，增加了自保護裝置、鎖定裝置、防誤動作裝置、狀態及報警指示器、安全隔板及帶鎖定功能的防護面罩等。

1）自保護裝置是在更換控制器的整個過程中，保護自身的電子元器件不受高電壓、放電及電弧等損傷。

2）鎖定裝置是實現“零斷電”的關鍵，在更換控制器的整個過程中，能鎖定主電路的接觸系統及操作機構不發生分閘動作，以避免因更換控制器造成供電中斷。

3）防誤動作裝置是防止在更換過程中，因電子部件自診斷及干擾信號的影響，導致整個產品的誤動作。

4）狀態及報警指示器是對控制器被拆除和安裝未到位的狀態發出報警信號的指示，提醒操作者盡快將更換的部件安裝到位。

5）安全隔板是由絕緣材料制成，可將高電壓及大電流的部件進行有效隔離，并可防止電弧飛出，以保證操作者的操作安全。

6）帶鎖定功能的防護罩是安裝在斷路器面罩外，用透明材料制成，以活頁方式固定，透過防護罩可觀察到產品運行情況，有掛鎖孔，可鎖定，以防止無操作權限的操作者操作。

該方案可推廣到除接觸系統及操作機構以外的其他電子模塊，都可以帶電進行安全更換，操作可靠，安全。

5 產品優點與缺陷

5.1 產品的優點

1）斷電時間為零

較高故障率的電子部件實現了可帶電更換，不會影響系統的正常供電，有利于減少供電系統的年停電時間，同時通過定期更換即將老化的電子部件以及不定期的檢查產品運行情況，及時有效的發現安全隱患并及時排除，保證供電持續性。

2）降低用戶及生產廠家的維護成本

就常規抽屜式萬能斷路器來說，在通常情況下，控制器的更換步驟為：

斷開主電路——打開配電柜門——取出搖手柄，搖出本體——擰開4個長螺釘，卸下面罩

——擰開控制器的安裝螺釘——拔出（4個）互感器插頭——（用鉗子）拔出控制器與二次端子連接的 8—12個端子——擰開固定控制器的 3個螺釘——取出故障控制器——裝入新控制器——擰緊固定控制器機構的（3個）螺釘，插入（4個）互感器連接插頭……，整個過程大約需要1h左右。更換的直接和間接（因停電而造成的）成本十分可觀。若采用了零斷電更換控制器，直接打開透明蓋板，將2個安裝旋鈕逆時針旋轉 90°，即可取出故障控制器；放入新控制器，將旋鈕壓入并順時針旋轉90°，即鎖定到位，關上透明蓋板即完成更換，整個過程10s左右即可完成。更換成本大大降低，而不停電帶來的社會效益更是無可估量。

對于生產廠家的售后維修成本也是大大降低，不但節省了來回的差旅開支，更節省了日益昂貴的人力成本。寄個新的控制器給客戶，客戶自己就可以處理好了。

3）更換過程不需要任何工具

傳統產品更換時，不但需要產品自帶的工具—搖手柄，更需要起子、鉗子，甚至電烙鐵，焊錫絲等；零斷電更換控制器則什么工具都不要，僅用雙手就可以輕松操作完成。

4）對操作者的專業要求大大降低

對傳統控制器的維護，必須由專業技術人員才能完成，而對零斷電更換控制器的維護，因為操作簡單，不涉及電路拆接，所以普通電工就可以輕松完成。

5）降低故障隱患

在更換傳統控制器過程中，由于產品空間窄小，不但螺釘，墊圈隨時可能掉進產品內部，插頭插錯、互感器線碰斷等都可能發生，造成一定質量或安全隱患；新型控制器的更換則完全不用擔心有此隱患，因為更換過程沒有任何可以脫落的零部件，也沒有任何連接需要更換。

6）故障分析不影響連續供電

非線路故障出現分閘事故時，可直接更換新的控制器，保證繼續供電后，再對卸下的故障控制器從容分析故障原因。沒有停電時間。

5.2 產品缺陷及應對

在新控制器更換過程中，存在約 10s的保護功能缺失間隙。既然要更換控制器，要求不斷電的同時保護也零缺失，在邏輯上是不存在的（總存在更換的瞬間。除非斷路器上配置 2套控制器，1套作為備用，這又帶來工作程序的復雜性以及成本的大幅提高）。我們要做的是盡可能縮短保護缺失時間。保護缺失時段的風險存在，我們可以從系統的（保護）設計和更換時機的選擇兩方面著手，把這種風險降到最低：

1）系統功能的保證

在我們的供電系統中，實際上是實行分級保護的，并力求實現“選擇性”保護。所以只要設計合理，作為主開關的ACB，如果其下級某分路出現故障（短路或過載），則實際上是相應的該下級保護電器做出保護跳閘，此ACB在正常情況下是不需要動（跳閘）的，所以這10s的風險得以大大降低；

2）操作時機的選擇

故障出現的概率通常是在負荷高峰的時段更大些，那么除非控制器徹底失效而必須立即更換外，一般可選擇負荷低谷時段更換，則也可降低保護缺失的風險。

6 結論

該實施方案，雖然是對智能型萬能式斷路器進行的，但其原理也適用于所有帶電子部件模塊的低壓斷路器產品，包括智能型萬能式斷路器、智能型塑殼斷路器、雙電源自動切換裝置等電子智能型產品。目前，國內外低壓電器廠家，對具該類功能的產品鮮有研究，更鮮有成熟的產品。我公司從2011年初根據市場需要開始對該方案進行了深入的研究，已研發出新穎結構的零斷電更換控制器產品，已申報了兩項發明專利，已授權四項實用新型專利和一項外觀專利，產品已推廣應用，市場反應良好。圖2為帶零斷電更換控制器的斷路器。

圖2 “零斷電”更換控制器

該“零斷電”更換控制器的出現，是在傳統控制器基礎上的一種創新，能向用戶提供多一種選擇。用戶可根據自身需要，在承受如上分析的極小的短時保護風險和承受約 1h斷電之間作出選擇。使用“零斷電”更換控制器的用戶，也可拉閘斷電更換控制器，以斷電約 10s的代價換取約10s的保護缺失風險。

隨著現代社會發展節奏的不斷加快，用戶對低壓電器也不斷提出新的功能需求，低壓電器產品的更新必須滿足市場的需求，零斷電更換控制器的研制就是我們快速滿足用戶需求的產物。