低压断路器的状态监控

2020-09-16

u=2221971081,650255517&fm=26&gp=0.jpg重磅 | 低压断路器的状态监控

原创 LPR2019 低压配电研发组 6天前
根据英国健康与安全主管(HSE)的说法:“断路器过热会引起火灾,人员受伤和产线停机。” 此外,他们还指出:“常规维修,例如触点翻新可能已经进行了很多年,但触头可能由于腐蚀而导致恶化”。

不幸的是,现有的基于电子的,MCCB和ACB并没有降低这些风险。在以下由Terasaki提供的论文中,解释了这一日益严重的问题的背景,它还概述了用于电气工程师的新解决方案,以减少与电气相关的火灾和伤害的风险:

摘要

过热是开关柜故障的唯一最大原因, 数字式过电流继电器通过电流而不是热量来提供现代电路保护,因此传统的断路器通常无法检测到由松动的连接螺栓,通风故障或触点磨损引起的异常发热。这可能会导致开关设备过早失效,并构成潜在的火灾隐患, 热成像可以帮助防止这种情况,但仅对及时的“快照”有效, 对开关设备温度进行连续状态监测可以大大减少设备的停机时间,并降低着火的风险。

1引言

低压配电(低于1000v ac rms)中使用的过电流保护系统通常会在中高压网络中发挥更大的作用。

然而,就保护装置的容量而言,它是最大的之一,如果发生问题,对客户的影响最大。用于保护现代低压配电系统的两个重要保护装置是塑壳断路器(MCCB)和空气断路器(ACB)。与其他类型的保护类似,这两个领域已经发展为利用微处理器进行过流保护以及它们提供的所有众所周知的好处。

断路器过热会通过点燃易燃材料而引起火灾或爆炸,如健康与安全执行官(HSE)记录的那样,这可能导致死亡,人员伤害和可观的财务损失。

如果断路器由于连接松动,触点腐蚀或通风出现问题而导致“过热”,传统的热磁断路器会自我保护自己和设备。但是,基于微处理器的断路器检测到“电流而不是热量”,因此会出现以下情况:负载电流很好地处于可接受的阈值之内,但仍然可能发生过热情况,从而导致潜在的火灾隐患。微处理器断路器中的最新发展提供了连续监控触点或端子温度的选项。如果发生异常情况,则可以将该信息传送到建筑物管理系统(BMS),以使设施管理员在发生严重断电甚至火灾危险之前计划进行预防性维护

在过去的十年中,热成像的使用在这方面起到了很大的帮助,但是,这仅在时间上提供了“快照”,不能24/7小时保护低压配电系统,如关键安装(例如数据中心)的需求,最大的电源可用性和最小的停机时间。

本文将详细介绍在低压开关柜中引入这种技术所使用的技术,实际应用以及最终用户的收益。本文还将参考一些案例研究,以说明已发生的潜在问题以及解决方案,以改善低压配电中的过流保护模型。

2 维护

所有开关设备制造商都普遍认为,过热是可能导致开关设备过早老化的最大风险之一,从而缩短了平均故障间隔时间(M.T.B.F.)。在最坏的情况下,对于断路器和设备本身,都可能构成潜在的火灾隐患, 断路器可以安装很多年,与其他低压配电设备相比,几乎不需要维护

缺乏维护通常是由于疏忽,缺乏对设备的了解或避免两次停产的压力造成的,无论哪种情况,都将导致忽略开关设备的情况(根据健康与安全执行官的说法,低压设备尤其如此),结果是可能多年未进行例行维护,例如触点翻新和触点啮合验证,并且还可能发生由于腐蚀引起的劣化,在变压器进入断路器之后,空气断路器通常是最重要的设备之一,它是低压配电网络的“守门人”,但与其他建筑服务设备(例如照明,HVAC(供暖通风空调)和安全性)相比,受到的关注较少

如果进线ACB将发生故障,则所有其他设备都是多余的, 如果系统通过发电机或U.P.S.使用备用电源 (不间断电源),那么通常再次由ACB供电。断路器(尤其是“进线”断路器)的状态监视可以大大提高低压网络的可靠性

3 断路器设计

使用的大多数ACB都是抽屉式的, 这样可以更轻松地访问ACB,并可以进行维护程序可能需要的其他隔离, 这就要求设施使用“隔离触点”来实现本体与抽屉之间的互连。

抽屉式ACB

顾名思义,ACB的分断介质是空气,因此触点之间需要有足够的空间以确保有效的消弧。通常,由于空间要求,大多数ACB每极使用一个触点断开来分断任何短路。但是,一些现代断路器制造商已经引入了“DoubleBreak”触头系统(图二)。这提供了进一步拉长电弧的机会,以确保更快地分断短路

双断点系统ACB

这种触点设计的另一个好处是,电弧能量在两组触点之间“共享”,因此大大降低了任何触点表面腐蚀,最大程度地减少了接触电阻的积累,从而延长了其使用寿命。ACB是打开触点的机械设备,而这样做的信号通常来自集成保护继电器。与有时可以选择热磁或电子的塑壳断路器(MCCB)不同,ACB上的所有保护继电器均基于电子/微处理器,因为其额定电流更大。在热磁MCCB中,由于I2R损耗,内部双金属元件会响应真正的“ r.m.s.”加热效应。但是,电子MCCB或ACB保护继电器会响应“电流”而不是“温度”。电子保护设备将“建模”与电流成比例的反跳闸曲线。在施加正常负载电流时,它不会检测到任何可能导致过热的情况

4种过热的来源

有多种来源可导致断路器的过热效应,所有这些都可能在其承载正常满载电流时发生,如果未被发现,则可能导致断路器的使用寿命缩短,甚至可能导致火灾危险,可能的来源是:

连接 / 端子
如果连接到主ACB端子(图1)上的任何铜线连接力矩都不正确,则可能导致安装中出现热点,靠近具有合理振动的机械的设备,例如发电机,泵,电动机和压缩机,也可能导致长期处于过热状态的情况

触点
根据应用的不同,任何断路器的固定触点和活动触点在一段时间内都容易受到触点腐蚀,例如,如果断路器正在切换感应负载,例如电动机,则将引起局部电弧放电和较小的触点腐蚀。在多个周期中,这可能会导致接触表面不均匀,从而增加接触电阻,如图3中的点所示。如果断路器在其使用寿命内遭受了一些较小幅度的故障(即接地故障),这也可能导致接触点温度升高,这将转移到端子上,新触点和略有磨损的触点的图片分别显示在图4和5中

桥型触头
所有抽出式ACB均使用桥型触头,它们也可能遭受接触腐蚀,在故障情况下,电流从端子流过桥型触头,然后通过触点。桥型触头是弹簧加载的,因此在一定程度上会产生轻微的电弧,从而导致接触电阻增加,如图3所示。这不是第一次更换抽出式本体以减少过热的问题,而是发现温度过高不是“触点”而是“桥型触头”引起的,图6和7分别显示了新的和稍有磨损的桥型触头的图片

潜在的腐蚀源

新触点

接地故障后的触点

新桥型触头

接地故障后的桥型触头

通风不良
所有断路器均安装在配电盘中,并且如果内部保护(I.P.)等级为IP31至IP43,则这些断路器将具有一定程度的通风。这些类型的配电盘将具有多个百叶窗,以促进机柜中一定程度的空气流通。为了获得更高的IP等级,某些设计可能使用风扇为开关柜设备提供强制风冷。

如果任何小的通风区域都被灰尘“阻塞”,甚至被堵塞,将会增加组件的热应力,如果未检测到,将导致开关柜过热

5 热成像

红外热成像技术是一种有助于早期发现问题的有用技术,在电气元件烧毁之前,它会先加热,如图8所示,作为预防性维护方案的一部分,对电气组件进行红外扫描可以帮助检测松动的连接和有缺陷的设备,在此图中,左侧的MCCB在比右侧的设备更高的温度下工作。

如果配电盘装有检查窗,则这种非接触式分析方法很有用,但是,通常由于成本原因,大多数配电盘都没有安装这种设备。这实际上意味着必须打开配电盘的门,并且设备必须带电且带电,以确保获得正确的温度读数。

从健康和安全的角度来看,这被认为是带电工作,因此在安排这项工作之前,需要进行大量的风险评估,这可能会造成干扰,热成像的另一个问题是,它是及时的“快照”。如果在热成像周期之间发生过热问题(例如,可能在1到5年之间),那么该问题将未被发现,并可能引起火灾隐患

热成像是一种有用的技术,但不能提供24/7监控的理想方案

热成像下的开关柜

6 触点温度监控

现在,现代ACB可以配备连续触点温度监控功能,触点的状态和磨损是通过使用NTC(负温度系数)热敏电阻进行温度测量来确定的,通过直接测量物理特性可以实现自我诊断,断路器触头的每个相都装有自己的热敏电阻,热敏电阻将每十毫秒连续分析所有三相。

所用的热敏电阻在玻璃封装的封装中,二极管外形,带有轴向镀锡的杜美特(Dumet)(铜包镍铁)线,ACB触点温度监控器对接触电阻(磨损)的温度响应如图9所示

ACB触点温升与接触电阻关系

基于算法建模,区分直接,连续测量和触点磨损指示非常重要,后者固有地精度较低,因此更有可能导致错误警报或保护不足,连续监测触点温度为预防性和预测性维护计划提供了宝贵的信息

带触点温度监控器的保护继电器

如果发生异常温度,则继电器将在集成的LCD窗口上生成过热(OH)警报,关闭无电压输出触点并将警报消息发送到Modbus网络,如图10所示,该信息将使设施管理员可以计划任何必要的维护

这样的状态监视技术的实施可以同等地应用于较旧的安装以及新的安装,考虑更换解决方案以替换老化的开关设备的最终客户的增加,在考虑更换和“升级”其保护和开关设备时也可以利用诸如此类的新解决方案

7 条件与监测

案例研究和应用:

7.1 数据中心

设备的负载系数是平均负载除以峰值负载(在给定时间段内),与住宅,商业或工业安装相比,数据中心具有较高的负载系数,具有高负载系数的设备中的电气设备具有比正常情况更高的过热风险,与断路器集成在一起的热保护系统对于关键任务电气设备是一项不错的投资

Terasaki最近为一家跨国蓝筹制造商(英国默西塞德郡的datacentre)安装了16台采用过热解决方案的ACB和MCCB


除了ACB,所有安装的MCCB都使用了终端温度监控解决方案,安装的所有断路器也都已连接到B.M.S,MCCB和ACB收集的数据可以进行通信,以帮助将来进行预测性维护计划

7.2 化学工厂

在日本大阪的一家大型化工厂最近发生火灾后,工程师将故障源诊断为400A电子MCCB线路侧的电缆连接松动,除了更改维护计划外,化工厂还希望减少潜在的类似故障的风险,他们要求电子设备实现协调保护,因此在这种情况下不能使用热磁MCCB,他们与几家制造商取得了联系,并要求是否可以开发热温度监测选项, 这个想法很简单,因为需要根据终端温度进行视觉指示-绿色代表健康,琥珀色代表计划进行维护,红色代表立即采取措施,此外,楼宇管理系统(BMS)还可以使用无电压触点


7.3 具有腐蚀性环境的装置

富硫环境在石油和化工厂,炼油厂,造纸和纸浆回收厂,下水道和废水厂等工业设施中很常见,由各种化学技术产生的这种气氛对电气设备中使用的许多金属造成严重的腐蚀问题

腐蚀性气氛中的电源触点氧化会导致接触电阻显着增加,进而导致温度升高,最终导致故障,在电气设备中,金属铜和银镀层在含硫气体的环境中都会严重腐蚀,另外,经常在断路器的电流导体上发现银丝(晶须)的膨胀生长

在线断路器状态监测和操作期间开关柜中载流路径的温度控制支持基于状态的维护,可以有效地保护电气设备免受故障的影响

8 小结

低压开关柜是在任何安装中执行维护计划时都可能会忽略的领域之一,这通常是由于需要避免工厂停工的压力,忽略日常维护,可能会导致计划外的停机,并且开关设备的温度升高也会导致潜在的火灾隐患。断路器在过热情况下收集的信息可帮助设施管理员制定预测性维护计划,并最大程度地减少安装的停机时间

消防官员协会(IFPO)还认识到,这种对开关设备温度进行连续状态监视的独特创新可以帮助降低火灾风险

因此,如果您希望开关设备不要“热运行”,则应考虑使用状态监控技术,例如触点温度监控

LPR2019

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  • 1
    请问作者,这种状态监控断路器哪里买得到?有资料吗?
  • Terasaki 在国内的市场份额很小,所谓的双断点 ACB 一点都不实用
    是的,但除了中国外,其他国家还不错,尤其船舶行业


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