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(guī)格及性能方面存在的難以滿足實(shí)際工程技術(shù)要求的若干問題、并提出進(jìn)行改進(jìn)與開發(fā)的建議關(guān)鍵詞 低壓電器 隔離 進(jìn)線方向 斷相保護(hù) 安全開關(guān) 一、概述 由于我國低壓電器品種、規(guī)格及性能方面的欠缺與不敷應(yīng)用、現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的不盡完善、以及用戶的使用偏差，多種低壓電器的實(shí)際工程應(yīng)用中存在一些不合理的、甚至錯誤的用法，導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)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(guān)注。 二、低壓隔離電器規(guī)格不全自60年代至今，我國主要隔離器(如HD11)及刀開關(guān)(如HD13)系列產(chǎn)品最大規(guī)格僅為額定電流1500A。囿于早期國產(chǎn)保護(hù)電器的斷流容量水平，我國設(shè)計(jì)規(guī)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(nèi)，隔離電器水平可滿足其需要。近年來隨著保護(hù)電器產(chǎn)品的長足進(jìn)步及斷流能力的提高，工業(yè)及民用電網(wǎng)中都較普遍地使用了單臺容量為1250～2500KVA(0.4KV側(cè)額定電流1800～3600A)的配電變壓器。現(xiàn)有低壓隔離電器已不能滿足要求。于是低壓側(cè)總電源進(jìn)線屏及分段母線聯(lián)絡(luò)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(guān)替代一臺三相大規(guī)格刀開關(guān))。這種用法的主要弊病有二：(1)刀開關(guān)分相操作、增加了因誤操作導(dǎo)致斷相運(yùn)行之類故障的機(jī)率。故設(shè)計(jì)規(guī)范〔1.2〕提出：“隔離電器宜采用同時(shí)斷開電源所有極的開關(guān)”；(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(jìn)線屏或聯(lián)絡(luò)屏，單屏寬度達(dá)1200～1600mm。近年來，有的廠家推出了引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的Q系列(QP、QA)具有滾動觸頭的隔離開關(guān)，約定發(fā)熱電流最大為3150A。但對于工業(yè)負(fù)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(chǎn)品尺寸縮小，機(jī)械壽命有所提高外，與國產(chǎn)HD系列刀開關(guān)相比，額定電流并無實(shí)質(zhì)性的顯著提高，并未根本解決問題。因此，亟待開發(fā)大容量國產(chǎn)隔離電器開關(guān)產(chǎn)品。 三、國產(chǎn)四極電器品種亟待開發(fā) 近年來，出于對運(yùn)行和檢修安全的考慮以及與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的要求，新修訂的設(shè)計(jì)規(guī)范〔1.2〕較明確地規(guī)定了在許多應(yīng)用條件下應(yīng)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(zhuǎn)換功能的電器、包括隔離電器、保護(hù)電器和操作電器(例如刀開關(guān)、斷路器和接觸器)都應(yīng)采用四極電器；電網(wǎng)中維護(hù)、測試及檢修電路或電氣設(shè)備應(yīng)采用四極隔離電器；單電源系統(tǒng)的總電源開關(guān)，包括變壓器低壓側(cè)總開關(guān)，建筑物或生產(chǎn)車間進(jìn)線電源總開關(guān)(例如刀開關(guān)及斷路器)應(yīng)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(fù)。但是，當(dāng)前最常用的國產(chǎn)低壓電器主導(dǎo)產(chǎn)品幾乎都是三極電器，例如，隔離電器的HD系列及引進(jìn)生產(chǎn)的QP、QA系列；斷路器中的DW15、DZ20系列及引進(jìn)生產(chǎn)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(chǎn)品或引進(jìn)產(chǎn)品，或不得不與制造廠家協(xié)商特殊制造�？梢婇_發(fā)國產(chǎn)四極低壓電器系列產(chǎn)品已是當(dāng)務(wù)之急。 四、低壓斷路器進(jìn)線方向與斷流容量問題大多數(shù)萬能式及塑殼式斷路器的電源進(jìn)線端在上方，饋線(即負(fù)載)端在下方。主要原因是滅弧系統(tǒng)設(shè)在上方(電源側(cè))，這時(shí)若將電源進(jìn)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(jìn)線時(shí)的數(shù)據(jù)。日本一些電氣公司的試驗(yàn)結(jié)果表明，斷流容量≤20KA的塑殼斷路器改為下進(jìn)線時(shí)，斷流容量降低約1/3。我國也曾將上進(jìn)線斷路器按下進(jìn)線作通斷能力試驗(yàn)、試品受到極大破壞。國產(chǎn)DW15－200630；DWX15－200630；DZ40等型號斷路器及引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的H、TL、TG等系列斷路器等等均為上進(jìn)線斷路器，只能應(yīng)用于上進(jìn)線條件。有些應(yīng)用條件(如分段母線聯(lián)絡(luò)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(jìn)線(即上、下進(jìn)線額定斷流容量相同)的斷路器。這類斷路器不僅其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取了特殊技術(shù)措施，型式試驗(yàn)中還應(yīng)將上、下進(jìn)線互換進(jìn)行短路通斷能力試驗(yàn)。 我國斷路器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在產(chǎn)品文件及產(chǎn)品銘牌上應(yīng)明確說明該產(chǎn)品是否允許上，下進(jìn)線或標(biāo)明電源進(jìn)線端及出線(負(fù)載)端。令人遺憾的是我國大多數(shù)斷路器的產(chǎn)品文件，產(chǎn)品樣本，使用說明書及銘牌上并未明確注明其允許的進(jìn)線方向，必然會對用戶產(chǎn)生誤導(dǎo)，以為凡未注明進(jìn)線方向的斷路器都允許上，下進(jìn)線。以致在全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(fā)生(例如：分段母線聯(lián)絡(luò)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(jìn)線的DW15－400及630型斷路器當(dāng)做允許上、下進(jìn)線斷路器使用)，此產(chǎn)生的負(fù)面影響更為嚴(yán)重。為杜絕這類誤用，避免可能產(chǎn)生的惡果。筆者認(rèn)為亟需盡快解決幾個問題：(1)統(tǒng)一規(guī)范斷路器產(chǎn)品的技術(shù)文件和銘牌標(biāo)識。必須明確注明產(chǎn)品允許的進(jìn)、出線方向；(2)改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能，力求斷路器產(chǎn)品上、下進(jìn)線斷流容量相同；(3)及時(shí)組織檢查并修正低壓屏柜產(chǎn)品的上述類似錯誤。 五、低壓熔斷器斷相保護(hù)問題低壓電動機(jī)損壞事故中約30％是斷相運(yùn)行造成的，而斷相運(yùn)行故障的75％以上是熔斷器熔斷引起的。導(dǎo)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(dāng)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(hù)問題亟待重視解決。根本的解決辦法是熔斷器本身應(yīng)具備斷相保護(hù)功能。常用措施之一是熔斷器附設(shè)熔斷器撞擊(指示)器及微動開關(guān)。當(dāng)任一相熔斷器時(shí)、通過聯(lián)動的微動開關(guān)動斷觸頭切斷接觸器控制電源(圖1)或輸出報(bào)警信號。但是國產(chǎn)低壓熔斷器產(chǎn)品中除一些容量規(guī)格較小的型號如RL1B、RT14等以外，多數(shù)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(hù)要求。我國低壓電動機(jī)一般以具有斷相保護(hù)功能的熱繼電器作過負(fù)荷保護(hù)兼斷相保護(hù)裝置。許多設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、水泵等)常低于額定負(fù)荷運(yùn)行，一般不會過負(fù)荷。按設(shè)計(jì)常規(guī)可不設(shè)計(jì)負(fù)荷保護(hù)。實(shí)際工程中當(dāng)用作短路保護(hù)的熔斷器不具斷相保護(hù)功能時(shí)，仍要求設(shè)置相應(yīng)的熱繼電器作斷相保護(hù)裝置使用。并被認(rèn)為十分穩(wěn)妥。實(shí)際上效果并不理想。大多數(shù)鼠籠型電機(jī)(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(chǎn)有斷相保護(hù)功能的熱繼電器動作特性如表1所示。當(dāng)熔斷器單相熔斷造成斷相運(yùn)行時(shí)(圖2) 假定斷相前后功率因數(shù)不變，可求出表2中的電流變化關(guān)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(yùn)行且負(fù)載率K f=1時(shí)的線電流與相電流。I f為斷相后最大負(fù)序電流。對照表1、表2可知，當(dāng)K f=1或更大時(shí)，熱繼電器動作時(shí)間可較短，能較快切除斷相故障;Kf≤058時(shí)發(fā)生斷相，則熱繼電器動作時(shí)間很長，甚至可能不動作。這時(shí)定子中正序電流不大，不致?lián)p傷繞組；相對值不大的負(fù)序電流則以約2倍額定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組感生100Hz的感應(yīng)電流。此時(shí)轉(zhuǎn)子交流電阻比正常運(yùn)行時(shí)約增高6倍，如K f=058時(shí)，雖然I f /I фn=060，轉(zhuǎn)子損耗與額定工況時(shí)損耗相比增高達(dá)：06 2×1＋062×6=252倍，會導(dǎo)致電機(jī)過熱損壞，對繞線型電機(jī)威脅更大�？紤]斷相后功率因數(shù)之惡化，情況更為嚴(yán)重。因此一些引進(jìn)工程的技術(shù)條件中已規(guī)定；凡以熔斷器作短路保護(hù)的動力饋線中，無論是否配置了有斷相保護(hù)功能的熱繼電器，其熔斷器都必須具備斷相保護(hù)功能。這一規(guī)定是正確的。同樣，對于三相四線制民用低壓電網(wǎng)，以單相相電壓負(fù)荷(如照明、家電等)為主，斷相運(yùn)行也將造成三相負(fù)荷嚴(yán)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(fù)荷與短路保護(hù)時(shí)，亦應(yīng)要求具有斷相保護(hù)功能。因此亟待開發(fā)規(guī)格容量較大的具有斷相保護(hù)功能的國產(chǎn)熔斷器產(chǎn)品以滿足工業(yè)及民用配電之需要。 六、機(jī)房安全開關(guān)及緊急停止開關(guān)亟待開發(fā)隨著自動化水平的提高，工廠電氣設(shè)備集中控制的趨勢日漸明顯。生產(chǎn)機(jī)械的傳動控制由遠(yuǎn)離現(xiàn)場的自控裝置(計(jì)算機(jī)、PLC等)及電動機(jī)控制中心(MCC)集中控制，于是機(jī)旁安全開關(guān)及緊急停止開關(guān)在工業(yè)化國家應(yīng)運(yùn)而生，作為一種機(jī)旁專用開關(guān)產(chǎn)品逐步完善并廣泛應(yīng)用。工業(yè)化國家對其功能及技術(shù)要求有明確規(guī)定。以歐洲(德、瑞典等國)為例，安全開關(guān)(Safety Switches)規(guī)定用于檢修，安裝時(shí)人體可能進(jìn)(伸)入其危險(xiǎn)區(qū)域的機(jī)械設(shè)備旁。功能是將傳動電機(jī)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(shè)備毀壞事故。開關(guān)應(yīng)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(guān)(EMER－GENCY STOP Switches)應(yīng)用于制造與加工機(jī)械設(shè)備操作位置旁，發(fā)生緊急情況時(shí)用以切斷設(shè)備電源，限制事故對人員及設(shè)備的危害。要求能切斷電路額定電流及過載(例如電機(jī)堵轉(zhuǎn))電流�？墒謩踊螂妱硬僮�，應(yīng)有明顯的位置指示，并應(yīng)能用鎖鑰將其閉鎖。可見兩種開關(guān)都用于安全目的，都要求裝在生產(chǎn)設(shè)備旁，能隔(切)斷電源線路，有明顯的位置指示及機(jī)械閉鎖裝置；所不同者在于前者主要用于檢修，故不強(qiáng)求具有切合負(fù)荷電流之能力，緊急停止開關(guān)則必須具有切斷負(fù)荷電流與過載電流的能力。故緊急停止開關(guān)可作安全開關(guān)使用，無切合負(fù)荷電流能力的安全開關(guān)則不能作緊急停車開關(guān)使用。例如瑞典ABB公司的SEH系列緊急停止開關(guān)，實(shí)際是面板上有掛鎖裝置及位置指示的手動操作負(fù)荷開關(guān)；其SMH系列安全開關(guān)實(shí)際是面板上有掛鎖裝置及位置指示的刀開關(guān)。但可由輔助接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與電路中接觸器的聯(lián)鎖，開關(guān)結(jié)構(gòu)保證分閘時(shí)輔助接點(diǎn)先于(≥30ms)主觸頭開斷、通過它使接觸器切斷負(fù)荷電流；合閘時(shí)輔助接點(diǎn)與主觸頭同時(shí)閉合，準(zhǔn)備好接觸器合閘回路我國迄今尚無專用機(jī)旁安全開關(guān)及緊急停止開關(guān)產(chǎn)品，甚至未將其列入低壓電器《電工術(shù)語》(GB/T2900·18－92)。這種情況已難適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要。 我國有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范〔2.3〕對機(jī)旁開關(guān)的設(shè)置也作了一些規(guī)定，主要是：遠(yuǎn)方控制的電動機(jī)宜有就地控制和解除遠(yuǎn)方控制的措施；突然起動可能危及周圍人員安全時(shí)，應(yīng)在機(jī)旁裝設(shè)應(yīng)急斷電開關(guān)或自鎖式按鈕和起動預(yù)告信號。這些規(guī)定與作法存在以下主要問題： (1)未在機(jī)旁切斷主電路，不能確�？煽繑嚯�。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(hù)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(dǎo)致主觸頭閉合、造成意外通電事故。這正是國外強(qiáng)調(diào)機(jī)旁安全開關(guān)與緊急停止開關(guān)切斷主回路的原因之一； (2)并未達(dá)到《電氣設(shè)備安全設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(GB4064)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：裝于機(jī)旁用于保障檢修安全或緊急停機(jī)的開關(guān)必須能強(qiáng)制分?jǐn)嗯c隔離主電路，具有可靠的閉鎖裝置及醒目的開關(guān)位置標(biāo)志。 我國工礦企業(yè)現(xiàn)場操作維護(hù)人員傷亡及設(shè)備損毀事故屢有發(fā)生，與機(jī)旁緊急斷電及安全措施不完善直接相關(guān)者為數(shù)不少。故修訂現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)條款，開發(fā)專用的機(jī)旁安全開關(guān)與緊急停止開關(guān)產(chǎn)品都是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。
