化工廠配電線路電弧故障斷路器有效性的測試研究

趙新偉 吳鋒

摘 要：電弧故障短路器能監測線路中電弧故障，其通過電弧特性判斷監測串聯及并聯電弧，在電弧引起火災前切斷電源。本文對電弧斷路器在化工廠設備與低壓配電線間的適用性進行分析，并通過人為產生電弧的方式對四種電弧斷路器的性能進行測試，考慮跳脫比例與誤動作比例，電弧故障斷路器能適用于化工廠低壓配電系統，通過對電弧斷路器動作原理的探討分析，為國內研究及開發電弧斷路器提供參考。

關鍵詞：電弧斷路器；電弧故障；低壓配電；電弧火災

為維護化工廠用電安全，常在低壓配電線路中安裝過電流及過載保護裝置，在短路或過載時切斷電源，避免電弧故障引起火災。電弧故障斷路器對線路中正常的電弧，如開關啟動、插拔插座時的電弧不會產生跳脫。電弧故障斷路器在國內的推廣使用，將進一步減小室內火災的發生，保護居住安全。

對于電弧故障斷路器的推廣使用，必須掌握其特性與適用條件。基于此，本文對電弧故障斷路器動作特性的測試技術，評估發生電弧故障時電弧故障斷路器能否有效切離電源的有效性進行了分析，降低因用電不安全而造成生命財產的損失。

1 電弧故障斷路器測試規則

一般化工廠低壓線路中發生的電弧可分為正常操作下產生的電弧，如插拔電器插頭時產生的電弧；線路上故障時產生的電弧，包括串聯故障電弧和并聯故障電弧。根據故障情況，并聯故障電弧可細分為線對線故障電弧和線對地故障電弧。電弧的高溫能引燃周圍的可燃物質，造成火災的意外事故。

電弧故障短路器能在監測到電弧故障發生時，斷開電路停止供電，以保護用電安全。結合型電弧故障短路器能監測串聯電弧與并聯電弧，且具有漏電斷路器與過載保護器的作用。對結合型電弧故障短路器進行測量時，應測量以下幾種故障：1）在發生串聯及并聯電弧故障時，電弧故障短路器能否及時跳脫切斷電源，達到保護效果。2）在無電弧事故、一些特殊負載及正常電弧狀態時，電弧故障短路器是否會發生誤跳脫動作。

2 電弧故障斷路器測試方法

制造串、并連電弧以測試電弧故障短路器的動作情況。測試時應考慮電弧故障的類型、負載電流大小、導線長度、導線截面積及負載條件等。測試負載正常操作產生電弧時，電弧故障短路器是否會動作。并進一步考慮配線、負載及濾波器等電路特性，對電弧故障短路器動作的影響。包括：長距離導線測試、濾波器測試、導線彎曲測試、混合負載測試。

對串聯電弧故障測試的步驟，具體如下：首先檢查電路是否正確無誤，避免人身傷害，確保實驗正確。再將電弧機兩導體慢慢靠近至導通狀態，代表電路中發生串聯電弧的工況。確認電路無誤后投入電弧故障短路器與負載間的開關，最后啟動負載及操作電弧機使之產生電弧，記錄電壓與電流波形及電弧故障短路器動作情況。

并聯電弧故障測試則包括：首先檢查試驗電路是否正確，并打開示波器存儲波形。然后，將電弧故障短路器打開投入電路，隨后閉合負載開關。最后將兩端導體慢慢分開產生電弧，如果導體間開路而斷弧，調整兩端導體慢慢接近使電弧產生，重復以上步驟。如果電弧故障短路器跳脫，示波器停止記錄波形；如果電弧故障短路器未跳脫，示波器也停止并記錄波形。

3 測試結果與分析

在串聯電弧故障實驗與電弧故障短路器跳脫次數及比例中，包括所有串聯電弧故障實驗時（含5A以下負載），故障實驗共200項，每項實驗共有5次，串聯電弧故障實驗次數共1000次，全部電弧故障短路器跳脫次數為440次，跳脫百分比為44%。如果只取5A以上負載的數據計算，串聯電弧故障實驗次數共880次，全部電弧故障短路器跳脫440次，百分比為50%。經過對串聯電弧故障實驗數據整理，可得到如下結果：

1）激波電流與非正弦電流并不會造成電弧故障短路器的誤動作。在正常用電操作下產生的電弧實驗中，電弧故障短路器發生2次跳脫，僅占總實驗次數500次的0.4%。

2）如果負載電流太小時，電弧故障短路器不易跳脫，電弧故障短路器監測串聯電弧故障時，電流需大于5A。

3）在使用50 m長導線實驗中，采用絞線時電弧故障短路器跳脫次數比采用單芯線次數多，且線徑越大跳脫次數越多。

4）較長導線及使用濾波器會影響電弧故障短路器監測電流信號的能力，使電弧故障短路器不易跳脫。

5）導線彎曲與混合負載，皆不影響電弧故障短路器動作，火線與中性線反接，并不影響電弧故障短路器動作。

在并聯電弧故障實驗中，電弧故障短路器跳脫的因素可能因監測并聯電弧而跳脫，或因短路過載而跳脫，需做區別探討。在測試電弧故障短路器因短路過載電流的動作時，將電弧發生器前端短路，使有持續75A的電流通過電弧故障斷路器。而電弧故障斷路器短路過載時最短的跳脫時間為1.83 s，最常的為7.03 s。

在并聯電弧故障實驗中電弧故障斷路器皆能動作，此外電弧故障斷路器也可以在短路過載時跳脫，是電弧故障斷路器在并聯故障上有提供比較周全的保護功能。在64例故障實驗中，每項實驗測試5次，總實驗次數為320次。電弧故障斷路器跳脫次數合計為300次，均對并聯電弧故障非常靈敏，使跳脫百分比均為九成以上。

4 結論

對于起弧造成電弧故障斷路器跳脫時的電流，可能造成電弧故障斷路器跳脫的條件說明如下：

1）UL中提到在0.5秒內，連續起弧時間達8次一半電力周期以上。

2）電流持續變動，并有矩形現象。

3）起弧時電流過電弧故障斷路器的電流達到5A以上，有變動高頻成分。

對低壓配電線路進行電弧故障實驗時，測試電弧故障斷路器的功能，一共進行的377項實驗中，其中串聯電弧故障部分200項，并聯電弧故障部分64項，每項實驗均重復測試5次。合計電弧故障斷路器的成功跳脫百分超過50%，對并聯電弧故障的成功跳脫百分超過90%。因此合并電弧故障斷路器保護功能與傳統線路斷路器可進一步防止電氣火災。因此期望電弧故障斷路器未來能應用在國內電氣火災預防上，以增加用電安全防護。