鄒慶彪，黃飛龍，黃桂燁

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

目前，全國范圍內(nèi)已經(jīng)部署了大量的氣象設(shè)備用于氣象探測。在廣東省省級運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（atmospheric observing system operations and monitoring，ASOM）登記的氣象設(shè)備中，區(qū)域自動站有2 550個，國家級自動氣象站86個。大量氣象設(shè)備組網(wǎng)建成的聯(lián)合觀測體系能極大地提高氣象探測的能力，如深圳市已建立的“深圳城市氣象綜合探測系統(tǒng)”能更加準(zhǔn)確全面地獲取氣象探測數(shù)據(jù)并幫助人們加深了對城市災(zāi)害性天氣、城市氣候以及大氣環(huán)境規(guī)律、特征、機(jī)制的科學(xué)認(rèn)識。

氣象設(shè)備在各種天氣情況下穩(wěn)定運(yùn)行是保證氣象探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的基本前提，是保證氣象預(yù)報質(zhì)量的根本保障。因此，氣象設(shè)備都配備了相關(guān)的保護(hù)裝置和維護(hù)保障人員。斷路器用于保護(hù)設(shè)備的用電安全，是重要的電源開關(guān)裝置。然而裝備維修保障的過程中，發(fā)現(xiàn)存在部分低壓氣象設(shè)備因?yàn)槔讚?、電網(wǎng)電壓異常和設(shè)備短路而損壞的現(xiàn)象［1-3］，其中部分設(shè)備損壞的具體原因是安裝的斷路器不能及時關(guān)斷異?；芈窂亩霈F(xiàn)設(shè)備損壞的情況。前人對斷路器進(jìn)行了深入的研究并總結(jié)制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［4-5］，但對于非專業(yè)的臺站維護(hù)人員只能按照經(jīng)驗(yàn)對斷路器進(jìn)行安裝、維護(hù)或更換，如果處理不當(dāng)會影響斷路器的保護(hù)功能，容易存在安全隱患甚至導(dǎo)致氣象設(shè)備的損壞。除此之外，臺站的氣象設(shè)備已經(jīng)定型，無法為電路板增加保護(hù)電路以提高設(shè)備的可靠性。因此，為了提出一種簡單易懂且便于操作的選配方法，本研究首先從低壓斷路器的基本原理出發(fā)，以自動氣象站為例，分析影響低壓斷路器選擇的關(guān)鍵影響因素，然后據(jù)此設(shè)計了關(guān)鍵影響因素的測試方案，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和低壓短路器的基本原理選擇滿足要求的低壓斷路器，最后總結(jié)提出一種能用于指導(dǎo)低壓氣象設(shè)備斷路器的選配方法。該方法原理簡單且易于操作，能夠?yàn)樵O(shè)備維護(hù)人員提供一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

1 低壓斷路器的基本原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)及動作原理

低壓斷路器也稱空氣斷路器，在交流1 200 V，直流1 500 V以下的電路中使用，在正常情況下用作不頻繁合、分電路，在線路過載、短路或欠壓等故障時能夠自動切斷電路。斷路器由脫扣器、脫扣機(jī)構(gòu)、觸頭系統(tǒng)和滅弧室等幾個部分組成。低壓斷路器按照設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以分為框架式（萬能式）斷路器（ACB）、塑殼式斷路器（MCCB）、小型斷路器等［6］，其一般的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，不同型號的斷路器有不同的適用環(huán)境及情況，但主要的工作原理基本相似：短路時，過流脫扣器7將銜鐵9吸合，并撞擊杠桿5讓搭鉤3打開從而使主觸頭1分閘；過載時，過載電流經(jīng)過加熱電阻絲13使金屬片12受熱彎曲，通過杠桿5將搭鉤3頂開；當(dāng)主電路電壓正常時，欠壓脫扣器8產(chǎn)生的電磁吸力能夠克服彈簧11的拉力而將銜鐵10吸合，當(dāng)主電路電壓降低時，欠壓脫扣器8的吸引力減小，銜鐵10便被彈簧11拉開，同樣可以撞擊杠桿5和搭鉤3，使主電路分閘［7］。

1.2 基本參數(shù)

通常在選擇低壓斷路器需要考慮以下幾點(diǎn)：

1）斷路器的額定工作電壓Ue、頻率要與回路相適應(yīng)。

2）在正常運(yùn)行時，斷路器的額定電流In要大于回路的總電流。

3）考慮環(huán)境（例如溫度等）對斷路器的影響。

4）根據(jù)負(fù)載情況和脫扣器的脫扣電流-時間特征曲線，選用不同的脫扣形式。常見的瞬時脫扣的電流范圍［8］和適用情況如表1所示。

5）考慮上下級斷路器的配合。

低壓氣象設(shè)備通常都是配電的終端，因此低壓斷路器只要滿足低壓氣象設(shè)備的保護(hù)需求基本都可以滿足上下級斷路器的配合問題。根據(jù)低壓斷路器標(biāo)識的型號可以獲取該斷路器的基本參數(shù)，如某牌子的斷路器，名稱為NXB-63 C1 400 V 50 Hz 6 000 A，所表示的意義為是：NXB表示型號，63代表該型號最大額定電流為63 A，C1表示脫扣曲線是C且額定電流In為1 A，400 V表示斷路器耐壓值，50 Hz表示額定頻率為50 Hz，6 000 A表示額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰? 000 A（表1）。

表1 瞬時脫扣范圍

2 自動站低壓斷路器的選擇

2.1 測試方案設(shè)計

由第1章分析可知，低壓氣象設(shè)備的電流是影響斷路器選擇的關(guān)鍵參數(shù)。對于自動氣象站來說，輸入電壓為220 V交流電，因此，為了選擇合適的斷路器，需要考慮自動站電源輸入回路的電流大小。

自動氣象站中功率較大的設(shè)備和功率主要是：自動站采集器2 W、北斗峰值功率30 W、能見度（含加熱）35 W、DTU峰值功率約3 W等。通過粗略估計，自動氣象站功率加起來大約100W，如果考慮額外的一些負(fù)載或者電網(wǎng)的波動，則電源工作在50%～80%負(fù)載為佳，因此自動氣象站總的電源功率可按200 W進(jìn)行計算。由于接入電壓為220 V，根據(jù)公式I=P/U（I為電流、P為功率、U為電壓）可知，最大電流≈0.909 A。

國內(nèi)常用的過載脫扣器是熱脫扣器，它可以實(shí)現(xiàn)長延時保護(hù)，也可以實(shí)現(xiàn)瞬時脫扣。參考某型號斷路器的時間-電流特征曲線（脫扣曲線），如圖2所示，B型曲線中曲線3、4為過載脫扣器的特征曲線段，曲線4是脫扣器動作機(jī)構(gòu)開始啟動的平均時間，曲線3是脫扣器最大的分?jǐn)鄷r間，曲線4左側(cè)的區(qū)域1是不脫扣區(qū)域，區(qū)域2是瞬時脫扣區(qū)域［9］。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，B型脫扣曲線在相對較小的電流下就可以觸發(fā)瞬時脫扣動作。因此為了提高安全性，嘗試選用B型脫扣形式，額定電流In選1 A。但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在B1斷路器接入電路后，合閘瞬間就發(fā)生跳閘，多次實(shí)驗(yàn)后結(jié)果相同。由于回路中并無大電流的負(fù)載，因此考慮是開關(guān)電源引起的浪涌電流。

開關(guān)電源的輸入電路原理如圖3所示，交流電經(jīng)過橋式整流器變成直流，電路的輸入電容容量較大且與DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)。在電路通電的瞬間，輸入電容充電電流很大，所產(chǎn)生的浪涌電流值可能達(dá)到電源靜態(tài)工作電流的10～100倍。

圖2 某型號斷路器脫扣曲線

圖3 開關(guān)電源簡圖

由于不能通過改造使其“軟起動”［10］從而消除或抑制浪涌電流，因此考慮測量浪涌電流的大小及脈沖寬度并據(jù)此選擇合適的斷路器。

為了測試開關(guān)電源對回路電流的影響，目前有幾種常見的方法可以測量回路中的電流大小，其中鉗形電流表的特點(diǎn)是電流互感器和電流表組合而成，使用方便但精度不高且無法準(zhǔn)確顯示瞬時信號值；示波器的特點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確且直觀地記錄信號的強(qiáng)度和波形，精度較高；數(shù)字萬用表的特點(diǎn)是使用方便，但測電流量程小且無法準(zhǔn)確顯示瞬時信號值。如果使用鉗形電流表或數(shù)字萬用表進(jìn)行測量則無法得到浪涌電流的峰值變化情況及脈沖寬度，因此可使用示波器和其標(biāo)配的電壓探頭進(jìn)行測量。

具體的測量方法是：選用電阻值小且額定功率大的電阻R與開關(guān)電源串聯(lián)并接入電源輸入回路，將與示波器相連的表筆分別夾持在電阻的兩端，測量電阻的電壓Ur變化情況，通過公式Ir=Ur/R可計算得到回路的電流Ir。由于示波器可以記錄一段時間內(nèi)的電壓變化情況，因此可以得到浪涌電流的峰值變化情況及脈沖寬度。

實(shí)驗(yàn)中使用了2個電阻、示波器、接觸變壓器，測量電路如圖4所示。由于浪涌電流可能會達(dá)到靜態(tài)電流的10～100倍，為盡可能減小電阻對回路電流的影響以及避免電阻爆炸，要求電阻阻值盡可能小，額定功率較大，因此實(shí)驗(yàn)中使用的電阻阻值均為0.2Ω、額定功率為50 W且將兩個電阻并聯(lián)，則總電阻為0.1Ω。示波器型號為Agilent Technology DSO5032A，探頭連接的表筆一端接示波器，另一端接地。如果示波器直接接入圖4左側(cè)的交流電源，由于并聯(lián)電阻的阻值較小，且示波器的探頭負(fù)極與示波器電源地線相連，測量的時候電流會從被測電阻流過探頭負(fù)極進(jìn)入電源地線，造成火線和地線連成回路并產(chǎn)生較大的電流從而導(dǎo)致示波器的電源線燒毀。因此，為了避免上述問題，先將兩線路變壓器接入電源，然后再將示波器接入變壓器，使示波器的地線GND2懸空且與GND1不相連。

圖4 測量電路圖

2.2 測試過程

部分實(shí)物連接如圖5所示。圖5a中電阻并聯(lián)后接入電路，示波器的電壓探頭和接地線分別夾持在并聯(lián)電阻的兩端；圖5b中并聯(lián)電阻置于機(jī)盒內(nèi)并懸空放置，一方面是為了防止電阻過熱爆炸而引起的散射，一方面是將其架起防止漏電。

圖5 實(shí)物連接圖

在正式開始測量前先確認(rèn)整個線路能否正常工作：在正確連接并檢查線路無誤的情況下，操作人員在附近閉合開關(guān)S1，若無異常情況則表示電阻能夠承受浪涌電流，再閉合開關(guān)S2并啟動示波器，如果示波器能正常顯示電壓變化情況，則可以開始測量。在正式測量時，由于浪涌電流只在電容充電時才會產(chǎn)生，因此將示波器常開以便抓取開關(guān)S1閉合瞬間的電壓變化情況。示波器數(shù)據(jù)記錄完成后，應(yīng)打開S1并等待電容放電完畢再開始新的測量。

2.3 測試結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中多次測試并記錄了開關(guān)電源在帶負(fù)載和不帶負(fù)載下回路電壓的變化情況，每次測試得到的結(jié)果都與圖6相似，其中的一次測試如圖6所示。

圖6 無負(fù)載（a）和有負(fù)載（b）情況下電壓的變化情況

經(jīng)過多次測量，統(tǒng)計結(jié)果如下：在無負(fù)載的情況下，啟動瞬間峰值電壓均值約為3.98 V，峰值電流均值約為39.8 A左右，脈沖寬度約為1.21 ms；在有負(fù)載的情況下，峰值電壓均值約為4.01 V，峰值電流均值約為40.1 A，脈沖寬度約為1.17 ms。由此可以看出，負(fù)載對于浪涌電流的影響不大，尖峰電流約為40 A左右；脈沖寬度均值約為1.2 ms，持續(xù)時間較短。

由測試情況可知，如果斷路器的額定電流為1 A，那么浪涌電流40 A達(dá)到了斷路器的瞬時脫扣范圍，就會引起斷路器跳閘。因此，根據(jù)斷路器的脫扣曲線，參考市面上常見的斷路器型號，選擇額定電流稍大的型號防止斷路器頻繁跳閘，最終選擇了某品牌C型且額定電流為6 A的兩線式小型低壓斷路器。

2.4 外場測試

為了驗(yàn)證選定的斷路器能夠滿足保護(hù)要求，先將斷路器與浪涌防雷保護(hù)器、開關(guān)電源和采集器及全部負(fù)載設(shè)備相連并接入交流電源。對斷路器進(jìn)行反復(fù)開合的測試，測試過程中沒有出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象。將斷路器閉合后進(jìn)行長時間的試驗(yàn)運(yùn)行，期間經(jīng)歷了雷雨天氣、樓層裝修等會引起電源波動的情況，斷路器沒有出現(xiàn)跳閘且采集器正常工作。

3 低壓氣象設(shè)備斷路器的選配方法

通常情況下，大部分氣象設(shè)備都屬于低壓設(shè)備是配電的終端。除極端情況外，工作溫度對斷路器的脫扣性能影響不大，因此在選擇低壓斷路器時一般只需要關(guān)注其是否滿足氣象設(shè)備的保護(hù)要求即可。選擇流程如圖7所示，根據(jù)氣象設(shè)備的負(fù)載情況，結(jié)合斷路器的額定電流和脫扣曲線，選擇斷路器的型號。

圖7 低壓斷路器選擇流程示意圖

具體來說，在考慮氣象設(shè)備的負(fù)載情況時要結(jié)合氣象設(shè)備的特點(diǎn)，通常斷路器的額定電壓都能滿足氣象設(shè)備的要求，所以主要考慮電源回路的電流情況：1）是否有浪涌電流的出現(xiàn)；2）設(shè)備正常工作時的額定電流大?。?）氣象設(shè)備在允許范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大電流峰值及脈沖寬度。如果沒有辦法準(zhǔn)確計算，可以按照第2章所述的方法進(jìn)行電流大小及脈沖寬度的測量。根據(jù)實(shí)際情況考慮斷路器的選擇：1）斷路器的額定電流是否大于氣象設(shè)備正常工作時的電流；2）根據(jù)脫扣曲線判斷瞬時脫扣電流是否大于氣象設(shè)備在允許范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大電流；3）根據(jù)上述判斷結(jié)果調(diào)整斷路器的額定電流或脫扣類型，增加一定的冗余量，防止出現(xiàn)未考慮到的因素引起頻繁跳閘。