高次谐波下低压断路器的合理选择

苗月梅

2011年2月

高次谐波下低压断路器合理选择

摘要：本文对低压断路器动作原理进行了分析，找出了如何在高次谐波动电源下选择低压断路器的依据，提出了问题的解决方案, 并予以实施，取得了较好的效果。

【关键词】谐波，低压，断路器，处理

1.问题的提出

接触网上电源谐波含量较高，经常造成用电设备损坏。某牵引变电所低压断路器保护整定值为132A，负荷电流为90A低压断路器保护动作，当时将保护整定值调整为142A，在设备带上负荷后十几分钟，开关再次动作。随后将整定值调整到150A再次送电，带上负荷后运行正常。当时输入电流为30A，输出电流R: 14A; S: 9A; T: 7A。设备运行5小时后发生了电源低压断路器保护动作。

2.低压断路器保护动作原因分析

2.1 高次谐波的存在

在问题发生后笔者初步分析接触网电源系统中高次谐波的存在是引起低压断路器保护动作的主要原因。为了搞清楚这个问题，2008年8月5日笔者对输入电压、电流的高次谐波含量进行了三次测试。使用测试仪为TDS3000数字式荧光示波器，记录上述各被测信号波形；将记录信号输出经计算机采样，进行FFT分析，取得各采样信号的：

（1） 波形图，

（2） 基波及各次谐波的有效值R.M.S，

（3） 各次谐波对基波的相对值，

（4） 各采样信号及各次谐波与原始波形之间的相对相位ANG，

（5） 综合电压畸变率VD（％），

（6） 总有效值R.M.S，

采集的输入电压电流经FFT波形分析三次测得的输入电压谐波总畸变率分别为16.474%、7.959%、9.844%。三次输入的电流谐波总畸变率分别为60.882%、58.693%、100.920%（注：以上电流分析数据中10mV＝1A）。主要谐波含量在3次至37次间。三次测量的电流的有效值分别为25.3A、150A、19.1A。输入的电压、电流谐波总畸变率远远超过了国家标准。因此可以看出，输入电流高次谐波较为严重。

2.2 低压断路器选型分析

断路器为NS-160HSTR22ME型。这种断路器为法国施耐德公司生产，是一种电子脱

1

扣电动机保护型开关，最大保护整定电流为150A。其电子脱扣工作原理如下：

电子脱扣器(又称半导体脱扣器)是由半导体保护装置和执行元件(电磁式脱扣器，电磁感应式脱扣器和永久磁铁的释放式脱扣器等)组合而成的。其方框图如图3

电源稳压欠压延时触发执行元件互感器信号检测信号比较长延时短延时瞬时

图3

从图3可见，交流半导体脱扣器通常是由信号检测、信号比较、延时电路、触发电路，电源等组成。用电流互感器进行信号检测，它实质是一种电流—电压变换器。将初级的大电流变换成很低的输出电压供给其他环节。要求它的输出电压能够如实地反映输入（主电路）电流变化的规律以提高动作的准确性。为此，在规定的过载倍数(过载电流和短路电流)范围内，互感器的输入电流与输出电压之间应成正比关系，也就是线性关系。要实现这点。通常互感器使用高级冷轧硅铜片或是高导磁的铁镍软磁合金即坡莫合金铂造。信号取出后，经桥式整流电路和阻容滤波电路，变换成直流电压。再经电阻分压，输入信号比较环节——用硅稳压管或单结晶体管(双基板管)实现信号比较。当信号电压超过稳压管的击穿电压或双基极管的峰点电压时，它们便导通，且有信号输出。延时电路是RC积分电路，借控制电容器的充电时间获取所需的延时时间。触发环节采用斯密特触发器以触发晶闸管，使之导通。延时电路和触发器均由以电源变压器供电。为保证在主电路发生短路以致电压降低时，各环节仍能正常工作，采用了大容量的滤波电容。当触发器导通后，将使电磁式脱

2

扣器的衔铁吸合，或使导电电流因极性不同，减弱永久磁铁的磁通，让脱扣器上的衔铁释放，最终使牵引杆运动，断路器跳闸。

从以上的电子脱机器原理可知，它是用电流互感器做测试元件，这种互感器在设计时是按50-60Hz的正弦频率设计。如果其过电流系数比较低，当电流中含有较强的高次谐波，就会出现较快动作的脱扣特性曲线。其动作的条件与系统中的谐波含量有关。这两种谐波的叠加将造成低压断路器电子脱扣的动作曲线变化，引起断路器在不过负荷的情况下不正常动作。这种断路器本身有灯光报警装置，当电流达到额定电流的90%时灯光亮，达到额定值的105%时灯光闪烁。在运行观察时就发现实际负荷很小但报警黄灯在不断闪烁。这说明电流高次谐波已经引起保护系统的动作。

3. 解决问题的方案

目前使用的NS-160HSTR22ME开关为电子脱扣电动机保护型，从前面的分析可知，电子脱扣器对电流高次谐波反应比较灵敏，当电流中含有高次谐波时，就会出现较快的动作脱扣曲线，造成断路器的误动作，因此，应将低压断路器选用NS-160HTMSE热磁脱扣配电保护型。这种热磁保护的基本原理为：

断路器用作合、分电路时。依靠扳动其手柄(或通过外部转动手柄)或采用电动机操动机构使动、静触头闭合或断开。在正常情况下，触头能接通和分断额定电流：当出现过载(过负荷)时，双金属元件受热(或通过它近旁的发热元件发热的传导、辐射或双金属元件与发热元件串联通电发热)产生变形、弯曲，使锁扣脱钩，碰、顶断路器的牵引杆(脱扣杆)，断路器跳闸，如线路(或电动机)短路，则一定值的短路电流会使过电流脱扣器(电磁铁)的动铁心(衔铁)被吸合，带动牵引杆使断路器分断。在线路出现欠电压，欠电压脱扣器在电压低于70％Un(额定电压)时，其衔铁释放，触动牵引杆；要远距离控制断路器的跳闸，可采用

3

分励脱扣器，分励脱扣器通电时，它的衔铁被吸合，使牵引杆逆时针运动，断路器断开。它们的工作原理如图4所示

图4

正常时，动、静触头闭合，当发生过载，双金属原件等使操作机构中的锁扣顺时针转动，由牵引杆顶开锁扣，断路器在操动机构弹簧作用下，让动静触头断开。当发生短路或要远距离控制断路器跳闸，过载脱扣器中右侧的电磁系统的衔铁被铁心吸下使锁扣脱钩，在发生欠电压时，衔铁释放，也顶开锁扣杆，以上的故障情况下，断路器的分断都是自由脱扣的。

在出现各种故障时，动、静出头打开，触头之间产生强烈的电弧。灭弧室内的铁质栅片被磁化，产生吸力，把电弧吸向灭弧室，将电弧分割成短弧。利用铁栅片对电弧的冷却，以提高电弧电阻和电弧电压，最终将电弧熄灭。

在原理中可知，热磁保护型开关对电源中存在的高次谐波反应不是很灵敏，较适应电

4

气化区段从接触网接引电源的使用场合。

4. 处理结果及应注意的问题

针对低压断路器的脱扣问题，笔者重新进行的选型将NS-160HSTR22ME电子脱扣器的电动机保护型更换为NS-160HTMSE热磁脱扣器配电保护型开关更换完成后，一直运行正常，没有发生开关在没有过负荷的情况下误动作问题。在这里需要特别提醒设计人员及运行管理人员，在电气化铁道区段，采用接触网电源给生产、生活供单相电源时，尽量采用2P断路器；选用3P断路器时，必须采用热磁脱口配电开关。这是因为3P电子脱扣器电动机型的开关有缺相保护，这个保护的动作条件是以单相电流不平衡≥40%时动作，如果采用电子脱扣电机型开关，在使用时只能用两相，其中一相为空位，当使用相的电流与设定电流与空相比≥40%开关就会自动跳闸，娘子关分区亭从发生过类似的跳闸故障。

以上是笔者对低压断路器选型进行的简单分析，如有不妥之处请各位专家指教！ 参考文献：

[1]《工厂常用电气设备手册》编写组《,工厂常用电气设备手册》,中国电力出版社,1999 [2]（德）Klaus Kosack,胡明忠 胡沫非 译,《低压开关电器和开关设备手册》选用准则与设计指南,机械工业出版社,1999

[3]施耐德电气有限公司技术部编写,《施耐德塑壳断路器产品目录》,施耐德电气（中国）投资有限公司,2008

5