基于內部故障引弧試驗的綜合配電箱結構優化

曾作欽，鄭立新，陳金汕，魏運明

（福建省產品質量檢驗研究院國家低壓開關電器產品質量監督檢驗中心，福建福州350002）

低壓開關柜（箱）的內部故障電弧是一種頻發性、災難性的嚴重故障。故障電弧一旦發生，便會輻射出巨大的聲、光、電、熱等能量，導致電力系統癱瘓、用電設備毀壞及人身傷亡[1-2]。據有關資料統計，由故障電弧引發的電氣火災占相當大的比例，并且有繼續增大的趨勢[3]。因此，研究如何減小開關柜內部故障電弧帶來的危害，如何將危害減小到最低程度已逐漸成為行業關注的焦點。

現有的方法主要是通過傳感器檢測弧光、弧聲、電壓電流等信號，并對信號進行分析或與相應的設定值進行比較，判別是否產生故障電弧，從而提供適當的保護措施。文獻[3]提出了利用積分值、均方根值、小波和頻譜分析提取故障電弧特征信息，再用突變理論建立故障電弧判別模型，通過特征量信息融合判斷故障電弧的情況；文獻[4]通過對一系列光源的研究后，根據內部故障電弧的弧光特征，研發了一種故障電弧檢測裝置；文獻[5]根據故障電弧放電聲的頻譜特性，提出了基于三層小波包分解的頻帶能量特征弧聲識別算法，并構建了基于DSP的故障電弧預警系統；文獻[6]通過研究故障電弧產生的物理過程及與電弧燃燒時間相關的特性，設計了一種限制電弧燃燒時間的保護裝置。然而不同類型的開關柜在不同運行負荷時故障電弧發生時的弧光、弧聲以及電壓電流等信號千差萬別，并且傳感器的種類多，系統結構復雜，很難選取合適的界定值；另外，這些故障電弧的檢測技術、保護裝置多數處于研發后的嘗試應用階段，還沒有大量應用于開關柜的實例或成熟產品。與此不同，本文以實際的一種開關柜內部故障引弧試驗為基礎，通過試驗數據的分析總結并揭示發生故障電弧的薄弱點，提出簡單實用的結構優化方案，從基本的結構改進著手，減小故障電弧帶來的危害。

綜合配電箱（符合標準GB 7251.12-2013、GB/T 15576-2008）是一種新型戶外配電無功補償綜合箱，集電能分配、計量、保護、控制、無功補償于一體，廣泛應用于城網、農網改造、路燈照明、住宅小區等交流0.4 kV電壓等級的配電系統，其質量的好壞直接影響配電網的安全和穩定。另外，它結構緊湊，內部空間狹小，常安裝于高空中與變壓器配套使用，操作檢修極不方便[7]。因此，本文就以貼近民生用電的綜合配電箱為研究對象，展開箱內產生故障電弧的薄弱點和結構優化方面的研究。

1 引弧試驗的方法及評判

由中國質量認證中心制定的封閉式低壓開關設備與控制設備內部故障引弧試驗的相關認證規則CQC13-462216-2015已發布實施[8]，認證規則中指定的檢驗依據標準為GB/Z 18859-2002[9]，并規定引弧點的選擇應使其生成的電弧效應在成套設備內產生最大壓力，推薦的引弧點為[8]：

1）主進線開關的進線端；

2）主進線開關的出線端；

3）主母線末端；

4）出線開關的進線端（可選擇1個或多個典型的出線開關）；

5）出線開關的出線端（可選擇1個或多個典型的出線開關）；

6）配電母線末端；

7）其他（如母線間距最小處）。

一般情況下，至少選擇引燃點1）—3）進行引弧試驗。電弧持續時間按主回路保護電器的動作時間選擇，通常為0.1～0.5 s，一般情況下取0.3 s，以便于保護高壓設備的運行。電弧在整個試驗持續時間不到一半時熄滅且沒有再引燃，則應在同一引燃點上重復試驗，如仍不能達到持續時間，則不必再重復試驗。

在標準中，規定達到提供人身防護要求的封閉式低壓開關柜的合格評判準則為[9]：

1）門、蓋板等應處于正確的使用狀態，且沒有被打開；

2）可能引起危險的設備部件不能飛落（包括大的部件或有鋒銳邊緣的部件，如觀察窗、壓力釋放閥、蓋板等）；

3）電弧的燃燒或其他效應在成套設備外殼可自由觸及的外表上不應造成孔洞；

4）垂直放置的指示器不應被點燃（因漆和粘著劑點燃指示器除外）；

5）成套設備外殼的可接近部件的保護電路仍然有效。

可見，如果綜合配電箱的內部結構設計不合理，某隔室內的故障電弧就完全可能造成人員傷亡、設備損毀。

2 引弧試驗的設計

綜合配電箱的引弧試驗需要用到能產生一定預期短路電流（可低于額定短時耐受電流）的試驗系統，而本單位現有的通斷試驗系統完全可滿足該要求，如圖1所示。從圖1中可見，引入的35 kV高壓后，流經隔離開關QS、高壓斷路器QHV1和QHV2、沖擊變壓器TM、變壓為0.4 kV的低壓，再通過可調節電阻R、可調節電抗L的適當投切后，便可產生預期的短路電流，最后經過低壓斷路器QF到試驗斷口，便可對綜合配電箱D進行引弧試驗，該通斷試驗系統的短路能力為420 V、50 kA。

圖1 試驗系統原理圖Fig.1 Principle diagram of the test system

圖1中：TA為Rogowski線圈；TV1為線電壓傳感器；TV2為斷口電壓（相電壓）傳感器，采集的電壓電流信號由數據采集系統記錄、保存，而所有這些開關的操作和數據采集都是在獨立的中央控制中心完成的。除了用到通斷試驗系統、數據采集系統等常規的短路試驗設備外，還需用到一些輔助設施，如指示器、裸銅引燃線和安裝固定設施等。其中，指示器由面積大約為150 mm×150 mm的黑色棉布片夾在相應尺寸的鋼板安裝框架中構成。

為了確保試驗數據的可靠性，選用型號規格為380 V、630 A、90 kV·A，結構及主回路基本相似的綜合配電箱進行試驗。該規格配電箱的主回路如圖2所示，由進線主開關QF，配電回路A1、A2及帶有電力電容器的補償回路組成，并根據經驗采取了常用的故障電弧防護措施，例如：用隔板將各隔室分隔好；對門鎖進行加固等。試驗的進線點選為d，電弧引燃點考慮了全部的推薦點，分別為：1）主開關進線端d1；2）主開關出線端d2；3）主母排末端d3；4）A1回路進線端d4；5）A1回路斷路器出線端d5；6）補償回路進線端d6，如圖2所示。

綜合配電箱通常與變壓器配套使用，安裝在變壓器下方或側邊，常采用下進線或側進線。因此，為了盡可能接近正常使用狀態，在試驗安裝布置時將其放置在平穩的絕緣支撐板上，再通過絕緣布帶連接箱體的吊環，與地面的安裝螺栓固定，現場安裝布置如圖3所示。

圖3 引弧試驗的安裝布置Fig.3 Installation and arrangement of the arcing test

從圖3中可見，綜合配電箱與試驗斷口之間通過合適尺寸的導線連接，并對導線進行夾緊加固，在箱體四周可能噴出電弧的所有點（例如：接合處、檢測窗、門）相距30 cm±5%的區域均垂直放置了指示器。

3 試驗數據分析與結構優化

根據前面的試驗方法、評判標準及試驗設計隨機選取6臺型號規格相同、結構及回路相似的綜合配電箱進行圖2中所示引燃點d1～d6的引弧試驗，試驗條件為：試驗電流Icc=15 kA，允許持續時間0.3 s；選用的銅引燃線尺寸為0.75 mm2。需要說明的是配電箱的主開關全部為塑料外殼式斷路器，最大瞬時脫扣電流整定值為12In，因此，電弧持續時間均沒有達到允許持續時間的一半（最長為44.7 ms），主開關就自動保護斷開，所有引燃點都進行了2次的試驗。最后，6臺配電箱全部順利通過引弧試驗的考核，并滿足第1節所列出的5個評判準則要求。下面對試驗結果進行詳細的討論分析。

在電工電氣領域常用焦耳積分I2t來表示實際通電時間或給定時間Δt內通過導體的電流所產生的能量，如式（1）所示。

式中：i表示電流的瞬時值。下面先來看看各引燃點在試驗實際通電過程中產生的能量分布情況。圖4所示為各引燃點采集到的三相電流波形中焦耳積分值最大那一相的焦耳積分值分布圖，橫坐標1—6對應圖2的引燃點d1—d6，縱坐標為各引燃點的焦耳積分值，同時為了不出現混淆，將同一臺配電箱的所有引燃點對應的焦耳積分值用直線相連，共6條曲線。從圖4（a）中可見，全部的引燃點3即主母排末端位置因裸銅線引燃產生電弧的能量都相對比較大，焦耳積分值全部都超過1.0×106A2s，最大的值為2.5×106A2s。引燃點5和6即A1回路斷路器出線端和補償回路進線端位置次之，其中引燃點5有一個焦耳積分值大于1.0×106A2s，一個小于0.5×106A2s，其他散布在中間；而引燃點6有2個焦耳積分值大于1.0×106A2s，其他的全部小于0.5×106A2s。引燃點1、2、4位置產生電弧的能量都比較小、比較集中，全部都處于0.5×106A2s及以下。發生這樣的情況并非偶然，從圖4（b）中可以看到第二次試驗的結果，與圖4（a）中所描述的情況非常相似。

圖4 各引燃點的最大焦耳積分值Fig.4 The maximum joule integral value of all ignition points

其中，焦耳積分值為2.5×106A2s的引燃點3，即主母排末端附近引弧試驗后的狀況，如圖5所示。可以清楚地看到，主母排及分支母排的部分熱縮套管裂開或燒毀，母排出現一定的損傷；貼近母排末端的箱體側面板被大面積燒傷，特別是噴弧中心處燒出明顯的低洼處；另外，附近的頂蓋、前后面板及絕緣支撐件等受到不同程度的傷害，而這樣嚴重的損傷在其他引燃點附近沒有出現過。

圖5 主母排末端附近引弧試驗后的狀況Fig.5 Condition near the main bus-bar terminal after thearcing test

式中i表示電流的瞬時值。單位時間內通過的電量越大，電流平均值越大，產生電弧的能量就越大。因此，不妨再來看一下與焦耳積分值密切相關的電流平均值的情況，如圖5所示。從圖5（a）和圖5（b）中都可以看到，全部引燃點3位置的電流平均值都比較大，都超過了8 kA；引燃點5和6位置都有個別超過8 kA，其他都散布在下方；而引燃點1、2和4位置都比較集中，且相對較小。這也與圖4所描述的焦耳積分值的分布情況相似。

圖6 各引燃點的最大電流平均值Fig.6 The maximum average current value of all ignition points

因此，通過試驗和分析可以發現，這些綜合配電箱的故障電弧薄弱點主要集中在主母排末端附近，配電回路斷路器出線端及補償回路進線端次之。根據以上的分析結果和現場引弧試驗經驗對綜合配電箱薄弱點及其結構的優化提出以下建議。

1）主母排末端附近。主母排之間、主母排與箱體側面板及頂蓋應盡量保持一定的距離；裸露母排用絕緣性能較好的熱縮套管包覆，在滿足溫升試驗要求時盡量不露出母排端面；主母排與分支母排的連接部位采用專用絕緣套包覆；門板或蓋板推薦采用2 mm厚的金屬板，適當增設加強筋等加強措施；選用材料性能較好的絕緣支撐件，可靠安裝并適當增加支撐點。

2）配電回路斷路器出線端附近。大多數配電回路帶有接地保護功能，斷路器與隔離開關緊挨連接并加裝防觸電擋板，造成斷路器出線端空間狹窄。因此，在保證連接排足夠強度的情況下應盡量拉開斷路器與隔離開關的距離；因專業操作人員都戴有絕緣手套，可去除防觸電擋板；斷路器接線端子間選用絕緣性能較好的隔板隔好。

3）補償回路進線端附近。補償回路的進線開關大多是250 A左右的斷路器，電氣間隙和爬電距離相對較小，相間接線排緊挨，且補償室空間狹窄。因此，應合理選擇斷路器的安裝位置，保證四周的間隙；接線排用絕緣性能較好的熱縮套管妥當包覆；斷路器接線端子間選用絕緣性能較好的隔板隔好。

4）其余引燃點附近。參照以上措施進行適當改進；另外注意選用性能較好的連接螺栓，加強螺栓連接部位的接觸壓力。

4 結論

本文以研究如何減小綜合配電箱內部故障電弧帶來的危害為出發點，以一批相似的綜合配電箱為研究對象，從實際的內部故障引弧試驗方法研究著手，并進行了試驗系統設計。通過現場試驗和對試驗數據分析發現，引燃點主母排末端的電流平均值最大，產生電弧的能量最大，破壞性也最大；配電回路斷路器出線端及補償回路進線端次之；而主開關進、出線端及配電回路進線端的電弧危害都相對較小。據此，提出了適當保持母排之間、元器件之間、帶電部件與箱體之間的距離；適當增加面板厚度，增設加強設施；選用材料性能較好的熱縮套管、絕緣支撐件、絕緣隔板、連接螺栓等簡單實用的結構優化方案。

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