摘要：电能表用外置断路器直接影响着用户侧终端线路和线路运行的质量。电能表用外置断路器运行中，会受到多种因素的影响而出现失效。本文主要分析了电能表用外置断路器的应用特点、常见的失效模式以及改进措施，以供参考。
关键词：电能表；外置断路器；失效模式；改进措施；
现阶段，人们逐渐意识到置换开关功能上的不足，虽然其在欠费后可自动断电，但是电费充值后需要人工合闸，企业的工作压力明显增大，故而出现了电能表外置断路器。
1电能表用外置断路器工作原理
电能表外置断路器一般应用在交流50Hz，额定电压230V/400V，额定电流0—125A的线路中。且与IC卡式预付费电能表共同使用，既可实现自动分闸合闸，也可有效保护电路。
电能表外置断路器控制电路内置高速CPU，利用监测预付费电能表账户输出状态改变分合闸状态，及时反馈动态信息。控制机构主要应用电动机、涡轮与蜗杆齿轮所构成的传动机构，引导断路器内轴驱动，断路器可实现自动分合闸功能。
2电能表外置断路器的应用特点
电能表外置断路器控制部分主要采用单模数设计方式，其宽度为18mm，单相电能表外置断路器宽通常为54mm，三相电能表外置断路器宽90mm。电能表外置断路器能够保证电费预付，用户欠费后可自动分闸，且用户缴纳电费后可自动合闸。断路器分闸时间较短，分闸速度较慢，其分闸的时间不超过3s,分闸的速度不超过0.6m/s。
断路器应用内轴传动，确保断路器合闸的可靠性。断路器的外观与安装均满足模数化终端组合电器标准，采用导轨安装的方式，更换断路器操作简单便捷，具有较强的可操作性。电能表外置断路器共有两种控制模式，一种是自动控制，一种是手动控制，并采用电能表外置短路器面板上的模式开关切换。自动模式下，电能表外置断路器可在接收信号后自动分闸，断开触点，如手动控制模式无法实现合闸，则电能表外置断路器的手动合闸功能也无法发挥其作用。在IC卡预付费费用较多时，才能完成手动合闸与手动分闸，分闸后若出现掉电重新上电的问题，电能表外置断路器也可始终保持分闸的状态。
3外置断路器失效模式
电能表用外置断路器运行中，设备主要有三种常见的失效模式，其一是热脱扣系统稳定性较差。由于热脱扣元件工作模式发生了变化，所以断路器在线路和设备中会产生过载电流，发生拒动或非预期过载电流时引起误动。其二是断相问题。触头系统中的动、静触头接通异常，因此线路或设备运行时出现了断相的问题，用电设备运行异常或直接烧毁。其三是机械操作故障。出现这种故障后，操作机构无法正常合闸，触头系统无法正常接通和运行。
4电能表用外置断路器的失效与优化措施
4.1热脱扣系统稳定性差及优化措施
热脱扣系统不稳定主要表现在断路器在线路或设备中，产生过载电流时拒动或者在未达到预期过载电流时出现误动。热双金属元件作为热脱扣系统里的核心元件，对断路器的热脱扣系统的稳定性至关重要。影响热脱扣系统稳定性的因素有：
热脱扣系统稳定性较差主要的表现是断路器在线路出现过载电流时出现拒动现象或没有在设定的过载电流值下起到保护作用，进而出现误动。热双金属元件在热脱扣系统中较为关键，其直接影响了热脱扣系统整体稳定性。热双金属元件在1.13In和1.45In时并不会发生明显的温度变化，因此弯曲形变也不显著，此时的灵敏度不高。外壳受热和受潮及产品运输中产生振动所引发的金属元件位置变化是导致断路器过载保护特性曲线漂移的主要原因。
分析验证的过程中，研究人员仔细测量了双金属元件在1.13In、1.45In时的温度，其分别为110°C-130°C和150°C-175°C，双金属元件工作时的温度符合线性温度要求，且温差明显，具有较高的灵敏度。测量双金属元件整定位置时发现，与整定后的电能表用外置断路器相比，存放一段时间或经搬运处理的断路器双金属元件的整定位置出现了变化，且其波动量为0.3mm-0.5mm之间。对于双金属元件位置变化而出现的断路器失效问题，技术人员在双金属元件调节与外壳的中间位置设有塔形压簧，受到调节螺钉与塔形压簧的影响，双金属元件不会受热、受潮。
4.2断相问题及优化措施
电能表用外置断路器的断相主要体现在动静触头无超程，手柄闭合后动静触头不能稳定接触。这是因为动、静触头受电弧与接触焦耳的影响出现触头变形、焦化等问题，且材料也发生了实质性的变化，触头无法发挥自身作用，影响了触头的可靠性。触头可靠性下降使产品内部温度不断升高，动触头和附属机构经高温后会发生变形，动静触头的超程会逐渐减小，甚至完全消失。
对此，技术人员采用Ansys软件进行仿真分析，结合分析结果完善触头结构设计。在触头位置要设置银触点，适度加大超程设计余量，从而减轻触头支撑件变形对超程所产生的负面影响。
为了全面掌握优化设计后的效果，技术人员提取了优化前后的样品，每种样品6台，在温度为75°C，相对湿度为90%的封闭条件下通电168小时，试验后发现改进前的3号样品超程消失，使用中也出现了断相问题。技术人员计算了改进前后产品超程变化量的平均值：
x=
（1）
由式（1）可知，改进前后的超程变化量的平均值为：
x改进前=-0.897
x改进后=-0.428
对改进前后超程的变化量的标准偏差进行分析，公式如下：
S=
（2）
由公式（2）可知，改进前后的超程变化量的标准偏差为:
S改进前=0.219
S改进后=0.028
改进后的超程变化量和标准偏差的变化量明显减小，因此效果显著。
4.3机械操作故障与具体改进措施
电能表外置断路器操作机构通常采用四连杆或五连杆机构，为了有效确保机构自动合扣和脱扣，应由两个连杆件啮合和分离，啮合面磨损情况日益严重，啮合面磨损量达到0.2-0.3mm时，会在附近区域出现踏面。此时，合闸中锁口功能逐渐丧失，无法承受操作机构多个连接杆的运行需要，且断路器合闸功能也会受到较大的影响。
针对上述状况，技术人员可以采用两种优化措施。下面将对其进行具体阐述。其一，优化并完善锁口材料，增强其耐磨性能；其二，改进锁扣的结构设计，适度增加锁口和跳扣啮合段的余量。由于适度调整耐磨性，能够保证材料加工成型的整体效果，而且通过该措施的应用，还也可显著提高材料的成本。所以，在实际操作中，施工人员通常会采用后者来解决上述问题。不仅如此，还需增加锁口和跳扣的啮合余量，并且采取有效措施增强锁扣啮合面的支撑强度。仿真分析中可采用专业的仿真软件，进而制定科学合理的优化方案，改进后，机械操作寿命将明显延长，而且其性能也将更加稳定。
5结束语
综上所述，电能表用外置断路器常见的失效模式主要有三种，本文对三种模式进行了简要的分析，并结合电能表用外置断路器的特点，提出了相应的改进措施，以期优化产品过载保护的性能，控制断相问题，同时延长机械操作寿命，从而加强产品的稳定性与可靠性，最大程度的增大经济效益。
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论文作者:张海燕
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/9
标签：断路器论文; 外置论文; 电能表论文; 元件论文; 触头论文; 模式论文; 措施论文; 《基层建设》2019年第18期论文;