1 引言
塑壳断路器是一种重要的开关电器，在电厂中应用范围广且使用数量多。其作用一是在正常情况下接通和断开回路中的负载电流，二是在回路发生故障时能切断故障电流，防止事故扩大。
某核电厂主泵变频器冷却泵电源进线回路中使用的塑壳断路器在运行时曾出现过偶发性跳闸事件。塑壳断路器跳闸缺陷发生初期，通过绝缘测量、控制回路检查、备件更换的方式对现场缺陷进行消除，之后跳闸事件又再次发生，严重影响机组的稳定运行，急需查找出缺陷产生的根本原因并进行处理。通过对塑壳断路器模拟相关试验，最终发现由于塑壳断路器接线端子紧固度不足，致使接线端子温升较高，经热传导使开关主触点发热，在没有达到开关自身负载电流热脱扣动作值的情况下，使双金属片弯曲顶住热脱扣机构，引起热脱扣跳闸。
2 运行系统环境
2．1 冷却泵电机控制回路
主泵变频器冷却系统控制柜，给主泵变频器冷却水循环提供动力，其电气回路主要包括冷却泵电机、接触器、进线电源开关、Simocode保护等。当上游电动机控制中心的抽屉式开关合闸、进线电源开关合闸后，通过PLC控制接触器的分合来控制冷却泵电机的启停，用于给主泵变频器的冷却水循环提供电源供给及运行控制。当有故障时，Simocode保护动作断开接触器来停运冷却泵电机。
2．2 冷却泵电机控制回路
进线电源开关安装于所在控制柜的中上部位置，柜体尺寸为60cm X 40cm X 170cm，在柜体前门的下部和上部设置有45cm X 30cm的通风格栅孔，在柜体的顶部有一个直径为2.5cm的通风圆孔，实现控制柜内电气和仪控元器件的自然冷却。
2．3 冷却泵电源开关跳闸的影响
主泵变频器有两台冷却泵，正常一运一备，失去一台冷却泵，系统丧失冗余性；若一台冷却泵由于塑壳断路器（电源开关）跳闸失去电源，且备用泵未正常启动，将失去冷却水循环最终导致自动停堆停机。因此，查找出冷却泵电源回路塑壳断路器跳闸的根本原因，对机组的安全稳定运行起到重要作用。
3 电源开关跳闸问题分析
3．1 电源开关的结构
电源开关主要有塑料外壳、手柄操作机构、主触头、锁链弹簧、锁链、脱扣传动机构、过电流脱扣器[4]、双金属片等组成，属于自然灭弧的空气断路器。塑料外壳包裹住以上部件；主触头靠手柄操作机构合闸；主触点闭合后，锁链锁住脱扣传动机构，使主触点锁在合闸位置。当回路中发生短路或严重过载时，经过主触点的故障电流很大，电磁线圈的故障电流瞬时推动衔铁带动脱扣传动机构，使电源开关跳闸。当过载时，双金属片在较大负载电流的影响下，热积累使其变形向上弯曲。当温度达到一定值时，双金属片弯曲顶住脱扣机构，使开关分闸。电源开关的结构如图1所示。
图1 电源开关结构
3．2 电源开关跳闸问题分析
针对冷却泵电源开关跳闸问题，从电源回路检查、设备可靠性检测试验、冷却泵控制柜内电缆走线布置、运行环境及模拟试验等方面进行分析。
3.2.1 回路保护配置及排查
主泵变频器冷却泵电机电源主回路示意图，如图2所示：
图2 电源回路示意图
冷却泵电源开关跳闸后，检查上游抽屉开关均处于合闸状态；对冷却柜内电源开关、接触器等元件目视检查，未发现有过热、烧毁、变色等异常；测量冷却泵电源开关下口相间阻值及对地阻值，未发现接地和短路现象；测量电机对地绝缘与相间直阻，均满足要求。且在电源开关跳闸后，机械专业将联轴器外套拆开后手动盘动泵和电机未见任何异常。用软件对Simocode保护检查，未查询到任何保护报警或动作事件信息，且若Simocode保护动作会跳开接触器MSP，而不会导致电源开关跳闸，与实际现象不符，可排除保护动作导致电源开关跳闸的可能性。查询跳闸前的MCC母线电压PLS曲线，电压值维持在380V左右，可排除由于电压瞬态降低导致电机电流增大进而使电源开关跳闸的可能性。
电源开关的下口A相和C相引出380V电压通过调压变向24V电源模块供电，为冷却柜RACK机架、Simocode、仪表等供电。对控制回路进行目视检查、绝缘测量等均未发现异常，送电后运行正常，可排除控制回路存在故障。
因此，最初的故障排查排除电机电源主回路和控制回路故障引起的电源开关的跳闸，怀疑电源开关偶发性偷跳。
3.2.2 开关可靠性分析
对更换下来的电源开关进行通流试验，未出现开关异常跳闸的现象。且对更换下来的电源开关送至某产品质量监督检验所进行产品检验，均未发现内部质量缺陷，试验结果如表1：
表1 试验结果
因此，可排除电源开关内部质量问题导致偶发性跳闸。
3.2.3 运行环境情况分析
控制柜内除电源开关外，柜体内安装有许多其他的电气部件，为缓解电气部件发热导致柜体内的温度升高，柜体设计自然冷却通道，且柜体安装在工艺厂房内，房间内有空调，温度常年维持在21℃。控制柜的部件布局图，如图3所示：
图3 布局图
从部件布局图上可以看出发热量较大的变压器、电源模块、电源开关、RACK机构等分布较为分散，且柜体上部、中部和下部都有自然散热孔或者格栅孔等，便于使热量散发，不会造成热量的聚集。
3.2.4 接线端子温升异常分析
在冷却泵电源开关跳闸缺陷处理过程中，均对电缆接线端子进行了紧固，且紧固后的电源开关没有再次发生跳闸的缺陷。在另外的电源开关跳闸时，工作人员发现电源开关接线端子温升异常，且对电源开关接线端子紧固后，再次测量接线端子温度时，温度恢复正常。针对接线端子温度较高的问题，分别模拟做了接线端子压接面测温试验和接线端子紧固度测温试验。
3.2.4.1 接线端子压接面测温试验
现场查看电源开关进线电缆布置，进线电缆至电源开关接线端子之间的弯曲度较大。因此，在进行电缆端子紧固时，接线端子可上窜，进而致使端子压接面积不全。
针对此问题，利用大电流发生器对电源开关通38A电流，在不改变电缆接线端子紧固力矩的情况下，改变电缆线鼻子与断路器的接触面积，对接线端子的温度影响较小，试验数据如表2：
表2 试验结果
3.2.4.2接线端子紧固度测温试验
在电缆接线端子接触面积不变的情况下，改变紧固力矩并测量接触电阻随之改变，对开关通38A的电流，冷态试验持续时间20分钟，不同试验数据如表3：
表3 试验结果
通过以上试验数据可看出：在不改变电缆接线鼻子接触面积情况下，改变端子紧固度（接触电阻），端子紧固度越小（接触电阻越大），接线端子的温度会越高。
接线端子温度的升高，可导致电源开关主触头温度的升高，加上电源开关自身负载电流的热积累，可导致电源开关内部双金属片的弯曲程度达到一定值，进而使开关热脱扣跳闸。
依据塑壳断路器热脱扣原理：通过双金属片过电流延时发热，当温度达到一定数值时，双金属片变形弯曲顶住脱扣传动机构，使电源开关跳闸。双金属片弯曲的程度不仅受负载电流的影响，还受环境温度的影响，环境温度越高，致使电源开关延时热脱扣的电流值越小。因此接线端子温升异常可引起电源开关热脱扣动作跳闸。
因此，接线端子的紧固度越小，电源开关接线端子的温升越高，开关主触点温升越高，加之开关自身的负载电流的热积累，就会使开关内部的双金属片弯曲，顶住脱扣传动机构，进而使开关跳闸，而接线端子的紧固度与开关端子的力矩要求有直接的联系。
3.2.5 接线端子紧固力矩[5]要求
通过模拟试验及热脱扣原理分析可得出电源开关进线电缆端子紧固度不足，可致使电源开关热脱扣跳闸。目前现场接线端子的线径为6AWG(UL) TYPE SIZE，依据西门子CED6型号塑壳断路器的说明书[1]，对接线端子存在力矩标准（5N.m）[2]。但是，冷却泵电机电源开关接线端子的力矩都不满足此力矩标准。
3.2.6 力矩紧固后端子温度测量
针对接线端子紧固度不足问题，对电源开关接线端子进行力矩紧固，接线端子温度由最高温度由61.8℃降低到维持35℃左右，效果显著。某一电源开关接线端子力矩紧固后15分钟、30分钟、60分钟及120分钟后的温度测量数据如表4：
表4 试验结果
表格数据直接反应出力矩紧固对接线端子温度的影响。
此塑壳断路器的环境温度在40℃时，其额定工作电流为40A。但是，当周围环境温度较高时，其双金属片承受负载电流本身所产生热积累量就会大大减小，则容易热脱扣跳闸。在这种工况下，需对电源开关进行降容[1] [2] [3]使用。
4 结束语
通过对断路器本体性能、运行环境、模拟温升试验等发现，进线电源开关接线端子紧固力度不足时，进线电缆接线与塑壳断路器端子之间的接触电阻变大，塑壳断路器通正常的负载电流时，接线端子发热较大，通过断路器的主触点传导至双金属片，加之开关自身的负载电流的热积累，就会使开关内部的双金属片弯曲异常导致进线电源开关热脱扣跳闸。因此，电缆与接线端子之间的接触电阻变化所引起的电阻损耗是影响塑壳断路器温升变化的主要因素。所以，带有螺栓压接的电缆，要严格控制接触压力的大小，即严格按照螺栓力矩要求来实施，以防止因接触电阻损耗大幅度变化导致温升异常的现象产生[6] [7]。且在日常的运维工作中，不仅要关注高压电缆的力矩紧固工作，而且要注意继电保护二次回路接线端子的力矩紧固工作[8] [9]，杜绝此类问题的产生。
参考文献：
[1]王象军.断路器降容系数浅析 [J].电子科技，2013，10：50-51.
[2]连理枝.关于断路器使用中的降容问题[J].电气工程应用，2000，1：33-38.
[3]管留生.低压成套开关设备和控制设备讲座_第7讲_电器元件降容原则及选型[J].电世界，2006,10：565-569.
[4]翁国璋.低压断路器脱扣器的选择[J].现代建筑电气，2018，12：55-60.
[5]蔡相庆.关于电器接线端子拧紧力矩的探讨[J].机床电器，2016，02：8-11.
[6]黄佳.小型断路器接线端子温升研究[J].电器与能效管理技术，2021，08：40-42.
[7]陈一民.低压塑壳外壳式断路器接线端子温升影响因素研究[J].低压电器，2009，13：7-9.
[8]刘建军.继电保护柜接线端子安装紧固扭矩试验研究[J].江苏电机工程，1996，06：79-83.
[9]戚龙.万能式断路器接线端子散热方案研究[J].科技创新，2019，01：72-73.
作者简介：李龙飞（1989－），男，陕西省渭南市，工程师，大学本科，继电保护、高压电气、低压电气。
