低压成套开关设备内部故障电弧研究

低压成套开关设备内部故障电弧研究

林承志1，苏金州1，2，张学军1，谢宏灵1

(1 福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002；

2 福州大学，福建 福州 350108)

摘 要：介绍了低压成套开关设备内部故障电弧，结合标准GB/Z18859—2002及IEC/TR611，对低压成套开关设备进行内部故障引弧试验并对试验现象进行分析，阐述了引起内部故障电弧的原因，通过对样机进行合理优化改造设计，并采取了必要的故障电弧防护措施，使得顺利通过试验，为通过引弧试验提供了参考。

关键词：低压成套开关设备；故障电弧；引弧试验；改造设计；防护措施

中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2016)11-0044-03

Study on Internal Fault Arc of Low-Voltage Switchgear Assemblies

LIN Cheng-zhi󰀱, SU Jin-zhou󰀱, 2, ZHANG Xue-jun󰀱, XIE Hong-ling󰀱

（󰀱 Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality, Fuzhou 3󰀵0002, China;

2 Fuzhou University, Fuzhou 3󰀵0󰀱0󰀸, China）

Abstract: Introduction was made to the internal fault arc of low-voltage switchgear assemblies. Combining with the standard of GB/Z18859----2002 and IEC/TR611, this paper carried out the internal fault arc ignition test of low-voltage switchgear assemblies and analyzed its test phenom-enon. This paper expounded the cause of internal fault arc. The prototype was optimized and designed. The system carried out the necessary fault arc preventive measures to sweep through the test, which provides references for the arc ignition test.

Key words: low-voltage switchgear assembly; fault arc; arc ignition test; reconstruction design; preventive measure

0 引言

低压成套开关设备主要负责低压配电系统中的控制、保护、监测、转换和分配。低压成套开关设备覆盖到了生产现场、公共场所、住宅等场所，可以说，只要有电就会有低压成套设备，据统计我国电力约80%是由低压成套设备提供。低压成套开关设备的发展根植于工业材料、低压电器、加工工艺、基础设施建设和人民的用电生活，所以从某一层面上可以看出低压成套开关设备的水平间接反映了国家的经济实力、科技水平、生活水平。

在低压成套开关设备中，内部故障电弧事故极少发生，但它一旦发生，将对人身及设备造成极大的危害。目前，内部引弧试验主要在中高压成套开关设备上进行，主要用于设计、制造能耐受内部故障电弧的中高压成套开关设备。本文依据国家标准

GB/Z18859—2002《封闭式低压成套开关设备和控制设备在内部故障电弧情况下的试验导则》与最新的IEC标准IEC/TR611修订版，对低压成套开关设备进行内部故障引弧试验，并对试验结果进行分析。

1 内部故障电弧介绍

如果低压成套开关设备发生内部故障电弧，产生包括压力、热效应、辐射、弧光及声响等效应。当发生内部电弧故障时，低压成套柜内燃烧的电弧温度快速上升，并加热周围的空气，以致使空气膨胀，并产生巨大的压力，从而使封闭的成套开关设备内外产生压力差，就很可能会导致门被爆开并且可能附带一些部件从低压成套柜内部飞出[1]。由焦耳定律公式W=I2Rt可知，当导体的电阻一定时，电流通过导体产生的能量跟电流强度的平方成

作者简介：林承志(1985- )，男，工程师，硕士，从事低压电器检测与研究工作。

44

低压成套开关设备内部故障电弧研究正比、跟通电时间成正比。如图1所示，当燃弧持续时间越长，所释放的能量指数级上升，且所释放的能量破坏力惊人。由于目前的变压器保护策略从检测故障电流到切断故障电流的时间一般会超过100ms，如若发生内部故障电弧，就可能造成事故发生。

钢材燃烧铜排燃烧电缆燃烧s)2Akt/(2IOt/ms图1 电弧能量与燃弧时间关系图

2 内部故障引弧试验

目前对于低压成套开关设备，内部故障引弧试验不是强制性认证试验，是属于自愿性认证试验，造成了国家标准GB/Z18859有一定的年限。本文主要依据国家标准研究低压成套开关设备的内部引弧试验，选用样机的型号规格为GGD3，主母线：In=2500A，Icw=65kA，Ue=AC380V，Ui=660V，50Hz。进行试验的成套设备已完全装配好，内部元器件按正常使用情况下安装。经制造厂认可，试验参数为AC380V/50kA，试验通电设置持续时间施加0.3s。选择的裸铜引燃线尺寸与试验电流(有效值)的大小相关：当试验电流I≤25kA时，导线截面选择0.75mm2；试验电流25kA＜I≤40kA时，导线截面选择1.0mm2；当试验电流I＞40kA时，导线截面选择1.5mm2。因此，本试验选择的导线截面为1.5mm2。

内部故障引弧试验在d1～d7处进行引弧试验，如图2所示，几乎每个隔室都进行了引弧试验，利用一根1.5mm2裸铜线以最短距离将三相短接起来，短接过程中绝缘盖板、套管不应被损坏、移去或穿孔。国家标准对试验结果按以下5个准则评价。

准则1：成套柜的门、盖板等没有被打开，处

电工电气 (20󰀱6 No.󰀱󰀱)

于正确的使用状态。

准则2：大的或有锋锐边缘的(如用金属或塑料制成的观察窗、压力释放阀、盖板等)等有可能造成危险的部件没有飞落。

准则3：成套设备可自由触及的外壳表面上没有孔洞。

准则4：成套设备周边垂直放置的指示器没有被点燃。

准则5：外壳的可接近部件的等电位连接仍然有效[2-3]。

d11500/5d5100A1000AC1250AC2B1d6250A4000/5C3d400A4C42500A1500/5d7500AC5d2d3800AdABCB2图2 内部引弧试验短接点

当试验结果符合以上5个准则，则内部故障引弧试验通过。关于试验合格判据，可以通俗地理解为，试验中的指示器(即在模拟使用中成套设备周围的人员或物)未点燃，指示器点燃就意味着人员受伤或物损坏；可触及的设备外壳不允许有打开和孔洞，试验后外壳的可接近部件的等电位连接有效等都是为了保证操作人员的安全。

3 试验现象分析

成套设备样机进行内部故障引弧试验的波形图如图3所示，一些点(如d1、d2、d3、d4处)的引弧点试验过程中并未产生持续0.3s的燃弧，而其他的引弧点试验过程中会出现长时间的燃弧。当引弧试验持续时间未能达到0.3s的一半时熄灭并没有再引燃，且试后符合试验评价的准则，应需在同一个引弧点上重复进行一次引弧试验，但同一引弧点最多仅需进行两次引弧试验。在进行第二次试

4󰀵

电工电气 (20󰀱6 No.󰀱󰀱)验前，成套设备应保持第一次试验所产生的损伤状态，不能进行任何人为的修复。通电时间小于0.15s的引弧试验后，没有造成任何不符合标准的现象出现，则需要重复一次试验。对于同一台成套设备进行多个点的引弧试验，可以在进行新一点的引弧试验之前对成套设备进行必要的修复工作，确保在进行新一点的引弧试验之前成套设备的性能处于正常状态。

V1.6

/kb-1.60UaA100/kIa-1000V800/Ua-8000A100/kbI-1000V800/bU-8000A100/kIc-1000V800/Uc-8000-191.1

-75.9

39.31.5

t/ms

a)快速分断试验波形

V1.6/kbUa-1.60A100/kIa-1000V800/Ua-8000A100/kbI-1000V800/bU-8000A100/kIc-1000V800/Uc-8000-1.7

1.1

156.9312.7

t/ms

b)持续0.3s电弧试验波形

图3 引弧试验波形

图3b)显示持续0.3s燃弧产生的高温、冲击力是巨大的，试验将线路垂直母线铜排的底部烧毁，产生的冲击力将锁住的柜门炸开，其电弧效应产生的破坏力极大，从而造成试验的失败。46

低压成套开关设备内部故障电弧研究4 样机优化改造设计

封闭式成套开关设备内部故障电弧发生的主要原因可归纳为以下几种原因：设备正常工作使用下，有动物、工具、有机物残渣等外物进入；设备自身材料或机械设计缺陷；工作人员的误操作；未进行有效地设备维护，故障未及时维修解决[4-5]。为避免内部电弧故障的发生，结合试验所呈现的现象进行研究分析后可得出采用如下措施：(1)利用隔板进行隔离，将开关设备分隔为母线、功能单元、仪表及电缆出线等隔室，并在隔板上加个绝缘隔弧板进行全绝缘隔离，柜体内部导电部位进行全绝缘设计，各功能室相互间的这种空间分隔并绝缘减少了故障电弧产生的可能性。(2)开关设备中电器元件、引出端子及母线的设计采用比标准高的电气间隙与爬电距离，减少故障电弧产生可能性。(3)采用合理的泄压通道，快速泄压，有条件情况下强制通风冷却装置，可将电弧产生的冲击力从泄压通道释放，避免对柜体造成损伤。(4)保护开关电器快速分断(或使用限流保护开关电器，短路电流从而降

低电弧能量)，这样可故障电弧的强度，故障电弧可以减轻灾害的程度。(5)加强螺栓连接部位的接触压力，按规定保证螺栓连接的转矩和转角，以避免因为导体间接触不良引起电弧的产生。通过上述的优化改进后，样机再进行内故障引弧试验，引弧试验都能快速分断故障电弧，其试验波形图如图4所示，最终样机顺利通过了试验。

V1.6

/kbUa-1.60A100/kIa-1000V800/Ua-8000A100/kbI-1000V800/bU-8000A100/kIc-1000V800/Uc-8000-20.0

90.5201.0311.5

t/ms

图4 样机优化后的试验波形

(下转第50页)

电工电气 (20󰀱6 No.󰀱󰀱)罗氏线圈电子式电流互感器谐波测试方法研究3.4 两种试验方法比较

由3.2和3.3的试验结果可知，两种试验方法均能实现对电子式电流互感器的谐波测试。

单一频率谐波试验方法虽然能够对谐波进行测试，但是由于谐波源功率有限，该试验方法不能对额定电流很大的电子式电流互感器进行谐波测试。

基波叠加谐波分量试验方法由于施加的谐波电流最大为额定电流的10%，因此该试验方法能够实现对更大额定电流的电子式电流互感器进行谐波测试，可测试互感器的额定电流能够高达单一频率谐波试验方法的10～20倍。

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4 结语

本文探讨的试验方法不仅适用于罗氏线圈电子式电流互感器的谐波测试，无论何种原理的电子式电流互感器，只要其传感头结构能够满足缠绕多匝测试导线，本试验方法就能用来考核其谐波准确度。比如外卡式全光纤电流互感器等。

只要具备大功率谐波源，单一频率谐波试验方法也可以实现对电子式互感器的谐波进行全面考核，因此寻求满足要求的大功率谐波源是完善本试验方法的后续方向。

修稿日期：2016-09-22

(上接第46页)

5 结语

近年来，随着生产工艺技术及低压电器技术的快速发展，低压成套开关设备极少发生内部电弧故障，但不能完全避免电弧故障发生，在运行使用过程中，有可能因人员操作不当、固体绝缘材料的损坏、过电压等因素引发内部电弧故障。因此，本文利用GGD成套开关设备作为样机进行内部故障引弧试验并研究分析，得出符合内部电弧故障试验要求的成套设备应达到以下要求：充分理解标准，成套设备按试验标准设计开发；设计合理的泄压通道；柜内增加绝缘挡弧板防止内外部件烧毁；保护开关电器快速短路分断，能在100ms内检测并分断短路故障电流。󰀵0

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修稿日期：2016-09-14