我國低壓電器的幾個亟待解決的問題
文章討論我國低壓電器品種、規格及性能方面存在的難以滿足實際工程技術要求的若干問題、并提出進行改進與開發的建議關鍵詞 低壓電器 隔離 進線方向 斷相保護 安全開關 一、概述 由于我國低壓電器品種、規格及性能方面的欠缺與不敷應用、現行設計規范的不盡完善、以及用戶的使用偏差，多種低壓電器的實際工程應用中存在一些不合理的、甚至錯誤的用法，導致運行維護困難、故障增多，或留下長期的安全隱患。本文僅對幾個具有普遍性的問題做初步討論，希望引起電器制造廠家及用戶的共同關注。 二、低壓隔離電器規格不全自60年代至今，我國主要隔離器(如HD11)及刀開關(如HD13)系列產品最大規格僅為額定電流1500A。囿于早期國產保護電器的斷流容量水平，我國設計規范曾長期限制中/低壓配電變壓器容量為1000KVA(額定電流1440A)以內，隔離電器水平可滿足其需要。近年來隨著保護電器產品的長足進步及斷流能力的提高，工業及民用電網中都較普遍地使用了單臺容量為1250～2500KVA(0.4KV側額定電流1800～3600A)的配電變壓器。現有低壓隔離電器已不能滿足要求。于是低壓側總電源進線屏及分段母線聯絡屏的隔離電器普遍地采用了每相以一臺3極或2極電器替代的方案(例如每相以一臺3極或2極HD13刀開關替代一臺三相大規格刀開關)。這種用法的主要弊病有二：(1)刀開關分相操作、增加了因誤操作導致斷相運行之類故障的機率。故設計規范〔1.2〕提出：“隔離電器宜采用同時斷開電源所有極的開關”；(2)使低壓配電屏龐大笨重，例如利用PGL屏框架制造的這種進線屏或聯絡屏，單屏寬度達1200～1600mm。近年來，有的廠家推出了引進技術生產的Q系列(QP、QA)具有滾動觸頭的隔離開關，約定發熱電流最大為3150A。但對于工業負載中常見的AC－22及AC－23使用類別，其額定電流將降低約1/2。故除產品尺寸縮小，機械壽命有所提高外，與國產HD系列刀開關相比，額定電流并無實質性的顯著提高，并未根本解決問題。因此，亟待開發大容量國產隔離電器開關產品。 三、國產四極電器品種亟待開發 近年來，出于對運行和檢修安全的考慮以及與國際標準接軌的要求，新修訂的設計規范〔1.2〕較明確地規定了在許多應用條件下應采用四極低壓電器(即斷開相線與N線的電器)。比如：有電源轉換功能的電器、包括隔離電器、保護電器和操作電器(例如刀開關、斷路器和接觸器)都應采用四極電器；電網中維護、測試及檢修電路或電氣設備應采用四極隔離電器；單電源系統的總電源開關，包括變壓器低壓側總開關，建筑物或生產車間進線電源總開關(例如刀開關及斷路器)應采用四極電器，等等。已有許多文章闡述這一問題，本文不擬重復。但是，當前最常用的國產低壓電器主導產品幾乎都是三極電器，例如，隔離電器的HD系列及引進生產的QP、QA系列；斷路器中的DW15、DZ20系列及引進生產的AH、AE、TO、TG系列；CJ20系列接觸器等等常用低壓電器均為三極電器。故凡需四極電器的地方，目前都不得不采用其它品牌的國外產品或引進產品，或不得不與制造廠家協商特殊制造。可見開發國產四極低壓電器系列產品已是當務之急。 四、低壓斷路器進線方向與斷流容量問題大多數萬能式及塑殼式斷路器的電源進線端在上方，饋線(即負載)端在下方。主要原因是滅弧系統設在上方(電源側)，這時若將電源進線接至下方，滅弧條件更為苛刻。這類斷路器的額定斷流容量乃是上進線時的數據。日本一些電氣公司的試驗結果表明，斷流容量≤20KA的塑殼斷路器改為下進線時，斷流容量降低約1/3。我國也曾將上進線斷路器按下進線作通斷能力試驗、試品受到極大破壞。國產DW15－200630；DWX15－200630；DZ40等型號斷路器及引進技術生產的H、TL、TG等系列斷路器等等均為上進線斷路器，只能應用于上進線條件。有些應用條件(如分段母線聯絡斷路器、饋電及受電通用回路斷路器等)下，電源引入方向可能改變，必須采用允許上、下進線(即上、下進線額定斷流容量相同)的斷路器。這類斷路器不僅其結構設計采取了特殊技術措施，型式試驗中還應將上、下進線互換進行短路通斷能力試驗。 我國斷路器產品標準規定在產品文件及產品銘牌上應明確說明該產品是否允許上，下進線或標明電源進線端及出線(負載)端。令人遺憾的是我國大多數斷路器的產品文件，產品樣本，使用說明書及銘牌上并未明確注明其允許的進線方向，必然會對用戶產生誤導，以為凡未注明進線方向的斷路器都允許上，下進線。以致在全國統一設計的幾類定型低壓屏(如PGL及GGD系列)中的部分方案也有這種錯誤發生(例如：分段母線聯絡屏PGL2－06E、07E及GGD1－12B.C、 13B.C；受電饋電通用屏PGL2－03E、GGD1－05B.C等都錯誤地把只能上方進線的DW15－400及630型斷路器當做允許上、下進線斷路器使用)，此產生的負面影響更為嚴重。為杜絕這類誤用，避免可能產生的惡果。筆者認為亟需盡快解決幾個問題：(1)統一規范斷路器產品的技術文件和銘牌標識。必須明確注明產品允許的進、出線方向；(2)改進產品結構與性能，力求斷路器產品上、下進線斷流容量相同；(3)及時組織檢查并修正低壓屏柜產品的上述類似錯誤。 五、低壓熔斷器斷相保護問題低壓電動機損壞事故中約30％是斷相運行造成的，而斷相運行故障的75％以上是熔斷器熔斷引起的。導致某相熔斷器熔斷的主要原因除故障(如單相短路)熔斷外，因熔斷器觸頭接觸不良、熔體選擇不當及熔體熔斷特性的分散性等非故障熔斷也占很大比例。因此熔斷器斷相保護問題亟待重視解決。根本的解決辦法是熔斷器本身應具備斷相保護功能。常用措施之一是熔斷器附設熔斷器撞擊(指示)器及微動開關。當任一相熔斷器時、通過聯動的微動開關動斷觸頭切斷接觸器控制電源(圖1)或輸出報警信號。但是國產低壓熔斷器產品中除一些容量規格較小的型號如RL1B、RT14等以外，多數載流與斷流容量較大的如RTO、NT等型號不具備這種功能，不能滿足斷相保護要求。我國低壓電動機一般以具有斷相保護功能的熱繼電器作過負荷保護兼斷相保護裝置。許多設備(如風機、水泵等)常低于額定負荷運行，一般不會過負荷。按設計常規可不設計負荷保護。實際工程中當用作短路保護的熔斷器不具斷相保護功能時，仍要求設置相應的熱繼電器作斷相保護裝置使用。并被認為十分穩妥。實際上效果并不理想。大多數鼠籠型電機(4KW及以上)定子繞組為△接，熱繼電器只能接于其線電流，并按線電流整定。國產有斷相保護功能的熱繼電器動作特性如表1所示。當熔斷器單相熔斷造成斷相運行時(圖2) 假定斷相前后功率因數不變，可求出表2中的電流變化關系，I L及IФ1、IФ2(=IФ3)為斷相后的線電流與相電流；I Ln、IФn為額定線、相電流，即三相運行且負載率K f=1時的線電流與相電流。I f為斷相后最大負序電流。對照表1、表2可知，當K f=1或更大時，熱繼電器動作時間可較短，能較快切除斷相故障;Kf≤058時發生斷相，則熱繼電器動作時間很長，甚至可能不動作。這時定子中正序電流不大，不致損傷繞組；相對值不大的負序電流則以約2倍額定轉速的旋轉磁場切割轉子繞組感生100Hz的感應電流。此時轉子交流電阻比正常運行時約增高6倍，如K f=058時，雖然I f /I фn=060，轉子損耗與額定工況時損耗相比增高達：06 2×1＋062×6=252倍，會導致電機過熱損壞，對繞線型電機威脅更大。考慮斷相后功率因數之惡化，情況更為嚴重。因此一些引進工程的技術條件中已規定；凡以熔斷器作短路保護的動力饋線中，無論是否配置了有斷相保護功能的熱繼電器，其熔斷器都必須具備斷相保護功能。這一規定是正確的。同樣，對于三相四線制民用低壓電網，以單相相電壓負荷(如照明、家電等)為主，斷相運行也將造成三相負荷嚴重不平衡及中線電位偏移，威脅用電安全。故民用配電干線以熔斷器作過負荷與短路保護時，亦應要求具有斷相保護功能。因此亟待開發規格容量較大的具有斷相保護功能的國產熔斷器產品以滿足工業及民用配電之需要。 六、機房安全開關及緊急停止開關亟待開發隨著自動化水平的提高，工廠電氣設備集中控制的趨勢日漸明顯。生產機械的傳動控制由遠離現場的自控裝置(計算機、PLC等)及電動機控制中心(MCC)集中控制，于是機旁安全開關及緊急停止開關在工業化國家應運而生，作為一種機旁專用開關產品逐步完善并廣泛應用。工業化國家對其功能及技術要求有明確規定。以歐洲(德、瑞典等國)為例，安全開關(Safety Switches)規定用于檢修，安裝時人體可能進(伸)入其危險區域的機械設備旁。功能是將傳動電機與饋電線路及其它電氣部分隔離，防止因意外接通電源造成維修人員人身傷害及設備毀壞事故。開關應裝在電源饋線上，手動操作，并有明顯的開閉位置指示。且能用鎖鑰將其閉鎖；緊急停止開關(EMER－GENCY STOP Switches)應用于制造與加工機械設備操作位置旁，發生緊急情況時用以切斷設備電源，限制事故對人員及設備的危害。要求能切斷電路額定電流及過載(例如電機堵轉)電流。可手動或電動操作，應有明顯的位置指示，并應能用鎖鑰將其閉鎖。可見兩種開關都用于安全目的，都要求裝在生產設備旁，能隔(切)斷電源線路，有明顯的位置指示及機械閉鎖裝置；所不同者在于前者主要用于檢修，故不強求具有切合負荷電流之能力，緊急停止開關則必須具有切斷負荷電流與過載電流的能力。故緊急停止開關可作安全開關使用，無切合負荷電流能力的安全開關則不能作緊急停車開關使用。例如瑞典ABB公司的SEH系列緊急停止開關，實際是面板上有掛鎖裝置及位置指示的手動操作負荷開關；其SMH系列安全開關實際是面板上有掛鎖裝置及位置指示的刀開關。但可由輔助接點實現與電路中接觸器的聯鎖，開關結構保證分閘時輔助接點先于(≥30ms)主觸頭開斷、通過它使接觸器切斷負荷電流；合閘時輔助接點與主觸頭同時閉合，準備好接觸器合閘回路我國迄今尚無專用機旁安全開關及緊急停止開關產品，甚至未將其列入低壓電器《電工術語》(GB/T2900·18－92)。這種情況已難適應工業發展的實際需要。 我國有關設計規范〔2.3〕對機旁開關的設置也作了一些規定，主要是：遠方控制的電動機宜有就地控制和解除遠方控制的措施；突然起動可能危及周圍人員安全時，應在機旁裝設應急斷電開關或自鎖式按鈕和起動預告信號。這些規定與作法存在以下主要問題： (1)未在機旁切斷主電路，不能確保可靠斷電。因一般接觸器無鎖扣裝置，即使用自鎖鈕斷開了接觸器控制回路，維護人員仍可能在MCC處用螺絲刀等簡單工具撥動銜鐵(如CJ12、CJ10型)或誤接控制回路導致主觸頭閉合、造成意外通電事故。這正是國外強調機旁安全開關與緊急停止開關切斷主回路的原因之一； (2)并未達到《電氣設備安全設計導則》(GB4064)標準。該標準規定：裝于機旁用于保障檢修安全或緊急停機的開關必須能強制分斷與隔離主電路，具有可靠的閉鎖裝置及醒目的開關位置標志。 我國工礦企業現場操作維護人員傷亡及設備損毀事故屢有發生，與機旁緊急斷電及安全措施不完善直接相關者為數不少。故修訂現行設計規范的有關條款，開發專用的機旁安全開關與緊急停止開關產品都是亟待解決的現實問題。
