基于关键试验的断路器质量改进方法研究

　　摘要：塑料外壳式断路器(MCCB)广泛应用于输配电和供电用电系统中，起保护作用。在GB/T14048.2—2008国家标准中，规定了断路器的基本要求和试验方法，介绍了MCCB的脱扣极限和特性及额定极限短路分断能力两个关键试验，结合产品质量监督抽查检验结果，对断路器质量问题进行了分析，绘制了用于质量改进方法研究的排列图，为进行断路器质量改进和性能优化及其可靠性研究提供了理论依据，实例验证表明，该方法是有效可行的。

　　关键词：断路器;脱扣极限和特性;额定极限短路分断能力;质量改进;排列图

　　0引言

　　塑料外壳式断路器(MCCB)在电路中接通、分断和承载电流，并在线路和电动机出现过载、短路或欠压时进行保护，其广泛应用在输配电和供电、用电系统中[1]。它是当前输配电保护电器的重要元件，探讨其质量改进和性能优化及其可靠性研究具有重要现实意义。在GB/T14048.2—2008文件中规定了断路器的基本要求以及断路器的试验方法，方法适用于主触头在接入电压(额定)小于1000V(交流)或1500V(直流)电路中的断路器[2]。进行断路器试验的种类主要包括常规试验以及型式试验两种，本文重点介绍了脱扣极限和特性及额定极限短路分断能力两个关键试验，结合历次产品质量监督抽查检验试验过程及结果，对引起质量问题的原因进行了分析，绘制了用于质量改进方法研究的排列图，为进行断路器质量改进和性能优化及其可靠性研究提供了理论依据，对产品质量监督抽查检验数据进行了有效利用和整合，质量监督在产品的重要性得到了充分的体现。

　　1关键试验

　　1.1断路器工作的原理

　　热磁式断路器内部的双金属元件在有电流通过时，会发热并产生变形，双金属元件变形并推动牵引杆转动，并进一步推动机构脱扣从而带动断路器跳闸分断电流;当运行的线路短路故障出现时，电流会几倍的超过平常电流，电磁铁通电后产生的吸力超过弹簧的力，衔铁就会被吸动电磁铁，传动机构通过推动自由脱扣机构，主触头被释放，分闸弹簧起作用后，电路被主触头分开切断，从而起到了短路保护作用[3]。

　　1.2脱扣极限和特性试验

　　当线路中出现短路和过载故障时，断路器应能快速切断故障电路，防止事故的发生，保护输配电线路和用电设备。脱扣极限和特性试验主要是验证断路器能否按规定的要求正确、可靠地动作。

　　1.2.1短路条件下的断开

　　短路脱扣器运行中所有的电流整定值，一般要求：断路器应能被短路脱扣器脱扣，验证其动作脱扣器短路后整定电流应在80%～120%下进行。断路器中带有电子过电流脱扣器要求的情况，仅在断路器每极上独立验证一次短路脱扣器的动作;断路器带有电磁过电流脱扣器要求的情况，应对断路器每二极的组合串联验证一次多极短路脱扣器的动作。例如对于一个三极的断路器，过电流脱扣器类型是电子式时，分别对左极、中极和右极进行验证;过电流脱扣器类型是热磁式时，分别对左中极、中右极和左右极进行验证。

　　1.2.2过载情况下的断开

　　1)瞬时或定时限脱扣器瞬时或定时限过载脱扣器的动作应该在脱扣器过载整定的90%和110%下进行验证。对于多极过载脱扣器，其脱扣器的动作验证应该在所有相极上同时通以试验电流。也就是说，当试验电流等于过载整定电流的90%时，脱扣器应该不动作;当试验电流等于过载整定电流的110%时，脱扣器应该动作。2)反时限脱扣器基准温度的定义是指：断路器的时间-电流特性所基于的周围空气温度。电子脱扣器的动作特性应该在实验室的环境温度下进行验证;热磁式脱扣器要求在规定的动作值是指基准温度为30℃±2℃，断路器制造生产商应规定空气温度对断路器变化的影响。

　　在约定不脱扣电流时(1.05倍数的电流整定值)，断路器的各相极同一时间进行通电，从要求的冷态开始计时，断路器在要求时间内不应该有脱扣动作;在要求时间结束后断路器还没有脱扣，应该立即提高电流到1.30倍的电流整定值即约定脱扣电流，断路器应在不大于要求的时间内被脱扣，断路器所有相极都通电。例如对于一个三极的断路器，额定电流In=225A，过电流脱扣器类型是热磁式，制造商规定基准温度+40℃，则应在环境温度+40℃±2℃下进行验证，三极同时通1.05In电流2h未脱扣，立即通1.30In电流2h内应脱扣。

　　1.3额定极限短路的分断能力

　　在分断电路时，断路器的触头和触头之间通常会发生电弧现象，高温作用会使触头烧损、烧毁断路器的其他部件或发生相间短路，断路器应能可靠地分断电路而迅速地熄灭电弧;断路器的触头在接通电路时，会使触头间产生短弧，高温作用下加速了触头的电磨损，再重新闭合时可能出现熔焊现象，考核断路器的接通能力，以保证断路器能可靠地接通电路[4]。

　　额定极限短路分断能力试验主要是模拟电路中发生过载和短路故障时，按照要求和试验程序的规定条件，断路器不被要求连续承载其额定电流能力下的分断能力，以此来表现断路器的短路保护能力。例如对于一个三极的塑料外壳式断路器，额定工作电压Ue=AC400V，额定电流In=250A，额定极限短路分断能力Icu=35kA，使用类别为A类，进行额定极限短路分断能力试验时。

　　S—电源;Ur1、Ur2、Ur3、Ur4、Ur5、Ur6—电压传感器;V—电压测量器;A—闭合电器;R1—可调电阻器;N—电源中性点(或人为中性点);F—熔断元件;X—可调电抗器;RL—限制故障电流电阻器;D—被测电器(包括连接电缆);B—整定用的临时连接线;I1、I2、I3—电流传感器;T—接地点;r—分流电阻器;a—可调负载X与R1可以设置在电源电路的高压侧也可在电路的低压侧;b—Ur1、Ur2、Ur3可以改变为连接在相与中性点之间在试验中采用了通断试验控制记录监视系统(200kA)、986A0151GenesisTower计算机数据采集系统和Rocoil7000茹科夫斯基大电流测试系统(积分器+线圈)。试验后断路器不应有过分损坏的迹象，也不应危及操作者，而且不应产生持续燃弧、各极间或极对框架的闪络、飞弧故障及检测电路中的熔断器不熔断。

　　1.4质量改进方法

　　质量的改进是质量再进行管理的重要内容，质量的改进具有很高的投资和收益率，不仅可以改进产品的性能，还可以提高产品制造的质量和产品适用性。质量改进的方法一般分树图、因果图、检查表、直方图和排列图等常用方法，本文主要采用排列图法进行质量改进。排列图也称巴雷特图，由于质量问题可用质量损失形式表现出来，很高比例的损失一般是由个别质量问题所引起的，而这些质量问题又由少数原因引起。

　　因此用排列图法，明确了关键的少数问题就可以集中资源去解决，由此损失得以最大程度的避免。作排列图的步骤如下所示：(1)确定问题和收集数据。(2)将数据填入数据记录表中，计算合计栏。(3)排列图用数据表表示。(4)按数量从大到小的顺序，将数据填入数据表中。(5)画两根纵轴和一根横轴。左边的纵轴标上有表示频数的刻度，最大刻度是总的频数;右边纵轴标上频率的刻度，最大刻度为100%;在横轴上按照频数的大小进行从大到小依次列出需要列出的各项。

　　(6)在横轴上按频数大小画出直方柱。(7)在每个直方柱右侧上方，标上累计值(累计频数和累计频率百分数)，描点并用直线连接，画累计频数折线即巴雷特曲线，根据排列图数据表作出排列图。在排列图上通常把累计比率在0～80%间的因素归为A类因素;在80%～90%间的因素归为B类因素;在90%～100%间的因素归为C类因素。排列图可用来确定采取措施的顺序，对照采取质量改进措施前后的排列图可以对措施的效果进行鉴定分析。

　　2实例验证

　　2.1原因分析

　　结合塑料外壳式断路器历次国家监督抽查质量情况以及检验试验结果分析，不合格项目主要集中在脱扣极限和特性及额定极限短路分断能力试验上，属于严重不合格。对不合格项目进行原因分析如下：“脱扣极限和特性”不合格原因分析主要为对于热磁式塑料外壳式断路器，其脱扣主要依靠双金属片和瞬时脱扣线圈，如果其特性不稳定，断路器就会出现过早动作或不动作的情况;此外执行机构的设计缺陷也会影响断路器的脱扣特性。对于电子式塑料外壳式断路器，其脱扣主要依靠电流互感器和电子线路板，如果电流互感器的选择不当会造成脱扣特性性能下降，断路器就会出现过误动作或不动作的情况。

　　“额定极限短路分断能力”不合格原因分析主要为影响断路器短路分断能力的三要素，即触头系统、灭弧系统和断路器动作机构的速度。实际生产中，个别制造商为了节约成本，如通过降低触头成本，更改触头材料，质量控制不严造成此项不合格。综上所述脱扣极限和特性主要考核了断路器的双金属片性能、瞬时脱扣线圈性能和电流互感器的选择;额定极限短路分断能力主要考核了断路器的触头开距、灭弧罩性能和动作机构的速度。明确了造成质量问题的这些关键的少数问题就可以集中资源来采取相应的措施进行质量改进。

　　2.2绘制排列图

　　确定影响塑料外壳式断路器质量问题的关键的少数原因为双金属片性能、瞬时脱扣线圈性能、电流互感器的选择、断路器的触头开距、灭弧罩性能和动作机构的速度。对200批次的塑料外壳式断路器进行分析，不合格数分别为：双金属片性能46、瞬时脱扣线圈性能18、电流互感器的选择6、断路器的触头开距84、灭弧罩性能20和动作机构的速度10，其他16。

　　2.3结果分析

　　根据上面的排列图可以看出断路器的触头开距、双金属片性能和灭弧罩性能累计比率在0～80%之间归为A类因素;瞬时脱扣线圈性能和动作机构的速度在80%～90%之间归为B类因素;电流互感器的选择和其他因素在90%～100%之间归为C类因素。可对A类因素优先拟定对策并采取质量改进措施，对照采取质量改进措施前后的排列图可以对措施的效果进行鉴定分析，防止再发生和标准化。

　　3结语

　　产品的质量是需要管理的，追求高质量高可靠是一个永恒的主题，我国产品可靠性与国际相比的差距成为影响参与国际竞争的关键因素，质量改进日益受到人们的广泛关注和重视[6]。质量的持续改进是ISO9000标准中质量管理八项基本原则之一，是持续满足顾客要求、增加效益、追求持续提高过程有效性和效率的活动[7]。

　　基于脱扣极限和特性及额定极限短路分断能力这两个关键试验对塑料外壳式断路器进行质量改进方法研究，从而更好地进行质量管理，不仅有显著的经济效益，同时有着重要的意义，产品质量可靠性的研究这是一个长期的课题。本文结合塑料外壳式断路器历次国家监督抽查质量情况以及检验试验结果对引起质量问题的原因进行了分析，绘制了用于质量改进方法研究的排列图，为进行断路器质量改进和性能优化及其可靠性研究提供了理论依据。

　　参考文献

　　[1]李祥松.断路器转动机构失效原因分析[J].煤矿机械，2015，36(12)：283-284.

　　[2]中国电器工业协会.低压开关设备和控制设备第2部分：断路器：GB14048.2—2008[S].北京：中国标准出版社，2009：1.

　　[3]杨芾藜，侯兴哲，郑可.电能表用外置断路器常见失效模式分析[J].电测与仪表，2017,54(24)：117-120.

　　[4]陆俭国，张乃宽，李奎.低压电器的试验与检测[M].北京：中国电力出版社，2007.

　　[5]中国电器工业协会.低压开关设备和控制设备第1部分：总则：GB14048.1—2012[S].北京：中国标准出版社，2013：92.

　　[6]李良巧.可靠性工程师手册[K].北京：中国人民大学出版社，2012.

　　[7]刘宏.PDCA循环推进持续的质量改进[J].电子质量，2005(7)：41-42.

　　电子论文投稿刊物：电测与仪表(月刊)创刊于1964年，由中国仪器仪表学会电磁测量信息处理仪器分会主办。是我国唯一的电工仪器仪表专业核心科技期刊，主要报道电磁参数的测量方法，测量仪器、仪表、测试系统以及非电量测量的电测技术。