低壓成套設(shè)備引弧試驗(yàn)新舊標(biāo)準(zhǔn)的差異研究

蘇雄斌

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福州 350002）

“十三五”期間，電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍將保持著較大投資規(guī)模，因此承擔(dān)電能傳輸和分配、用電設(shè)備保護(hù)與控制任務(wù)的低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“成套設(shè)備”）極其重要。成套設(shè)備廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、住宅小區(qū)等低壓配電系統(tǒng)，其質(zhì)量的好壞直接影響系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。而成套設(shè)備的內(nèi)部故障電弧是一種頻發(fā)性、災(zāi)難性的嚴(yán)重故障，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，由內(nèi)部異常故障電弧引發(fā)的電氣火災(zāi)、人員傷亡等事故占相當(dāng)大的比例，且有繼續(xù)增大的趨勢(shì)[1-3]。

1 內(nèi)部故障電弧的危害

在成套設(shè)備的某個(gè)部位產(chǎn)生故障電弧后，故障電弧會(huì)迅速燃燒，所產(chǎn)生的能量可高達(dá)幾十MA2s，甚至幾百M(fèi)A2s，與故障電流的平方及電弧燃燒的持續(xù)時(shí)間成正比。在持續(xù)時(shí)間超過(guò)100ms后，所釋放的能量急劇增加并呈指數(shù)級(jí)上升，引起包括弧光、弧聲、熱量及壓力等效應(yīng)，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的電纜及銅排等造成嚴(yán)重?fù)p壞。同時(shí)，將可能導(dǎo)致門(mén)被炸開(kāi)、內(nèi)部不牢固的部件飛出，高溫高壓氣體伴隨電弧效應(yīng)所產(chǎn)生熾熱的金屬和非金屬材料顆粒將由柜內(nèi)逸出，隨時(shí)會(huì)造成人身傷害，甚至引起火災(zāi)[4-5]。可見(jiàn)故障電弧的危害性非常大，對(duì)成套設(shè)備限制由內(nèi)部故障電弧引起人身傷害、成套設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)和繼續(xù)使用適用性能力的研究變得非常重要[6-8]。因此，本文將從成套設(shè)備引弧試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)研究出發(fā)，為后續(xù)的研究和相關(guān)技術(shù)人員提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

2 新舊標(biāo)準(zhǔn)差異解讀

新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18859—2016《封閉式低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 在內(nèi)部故障引起電弧情況下的試驗(yàn)導(dǎo)則》對(duì)成套設(shè)備由于內(nèi)部故障引起電弧情況下的試驗(yàn)方法給予指導(dǎo)，于2017年7月1日實(shí)施，替代舊標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 18859—2002[9-10]。

2.1 試驗(yàn)參數(shù)的差異

1）試驗(yàn)電壓的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)要求：試驗(yàn)電壓至少等于成套設(shè)備的最高額定電壓 Ue，誤差為+5%；而新標(biāo)準(zhǔn)則明確為Ue×(105±5)%。

2）允許短路電流的不同

3）頻率的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)要求：當(dāng)額定頻率為50Hz或60Hz時(shí)，頻率范圍應(yīng)為48～62Hz；其他頻率的偏差為額定頻率值的±10%；新標(biāo)準(zhǔn)改為所有試驗(yàn)在額定頻率下進(jìn)行，偏差為±25%。

4）試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的不同

新標(biāo)準(zhǔn)新增：當(dāng)電路由限流器件保護(hù)時(shí)，電壓施加時(shí)間至少為0.2s。

2.2 試驗(yàn)程序的差異

1）電源電路的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)只說(shuō)明試品的連接應(yīng)與正常使用一樣；新標(biāo)準(zhǔn)新增：試品的連接中，包括PE、N、PEN導(dǎo)體的連接件，都應(yīng)與電源的中性點(diǎn)直接連接。

2）引燃線尺寸的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了不帶限流保護(hù)器時(shí)的引燃線尺寸，其他都參考選擇；而新標(biāo)準(zhǔn)新增了詳細(xì)的帶限流保護(hù)器時(shí)引燃線尺寸的選擇，并詳細(xì)說(shuō)明了該情況下的試驗(yàn)有效性和重復(fù)試驗(yàn)的判定原則。

3）推薦電弧引燃點(diǎn)的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)只說(shuō)明引燃點(diǎn)的選擇應(yīng)使其生成的電弧效應(yīng)產(chǎn)生最大的壓力；新準(zhǔn)則推薦了具體的引燃點(diǎn)：①出線單元的負(fù)載側(cè)；②出線單元的電源側(cè)和相關(guān)的電弧引燃防護(hù)區(qū)（但不應(yīng)在電弧引燃防護(hù)區(qū)引發(fā)）；③沿配電母線；④沿主母線；⑤進(jìn)線單元的負(fù)載側(cè)；⑥進(jìn)線單元的電源側(cè)。

2.3 試驗(yàn)指示器的差異

1）指示器材料的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用單位面積質(zhì)量約為 150g/m2的黑色棉布；新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同成套設(shè)備的試驗(yàn)用棉布類型：質(zhì)量為 150×(1±20%)g/m2的棉布（限制接近類）和質(zhì)量為40×(1±20%)g/m2的細(xì)麻布（非限制接近類），且均為100%黑色棉纖制成。

2）指示器安裝的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單要求：指示器應(yīng)垂直固定在最高2m，與成套設(shè)備相距 30cm±5%的人易接近的氣體可能噴發(fā)出的所有面附近；而新標(biāo)準(zhǔn)具體說(shuō)明：指示器應(yīng)垂直放置在與成套設(shè)備每個(gè)面板平行的平面內(nèi)，高度為2m±50mm，與面板距離為(300±30)mm，并以棋盤(pán)形式均勻分布，覆蓋被評(píng)估區(qū)域的40%～50%，另外還指出指示器安裝架的尺寸，與面板距離的測(cè)量方法及指示器的安裝圖示。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的差異

準(zhǔn)則①的差異：舊標(biāo)準(zhǔn)只要求門(mén)蓋板等處于正確的使用狀態(tài)，沒(méi)有被打開(kāi)；新標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)地指出確保門(mén)和蓋板沒(méi)有打開(kāi)，保持在有效位置并滿足IP1X要求的最小等級(jí)防護(hù)。接受變形及有限數(shù)量的緊固件和鉸鏈的破損。試驗(yàn)后不需要符合其IP代碼。

準(zhǔn)則②的差異：舊標(biāo)準(zhǔn)要求沒(méi)有可能引起危險(xiǎn)的設(shè)備部件飛落；新標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定除了成套設(shè)備和指示器之間脫落部分外，成套設(shè)備沒(méi)有質(zhì)量超過(guò)60g的部分噴射出來(lái)。

準(zhǔn)則③的差異：舊標(biāo)準(zhǔn)要求電弧的燃燒或其他效應(yīng)在成套設(shè)備外殼可自由觸及的外表上沒(méi)有造成孔洞；新標(biāo)準(zhǔn)則具體要求電弧不應(yīng)燃燒，不應(yīng)在外殼低于 2m的可接近的所有邊上產(chǎn)生孔洞，并不應(yīng)發(fā)展到外殼的外面部分。

準(zhǔn)則④、⑤新舊標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致。

新增的準(zhǔn)則⑥：成套設(shè)備能將電弧限制在期引發(fā)的特定區(qū)域，并且不在成套設(shè)備內(nèi)的其他區(qū)域蔓延。如果可以清潔，則熱氣和黑煙對(duì)試驗(yàn)單元的鄰近單元的影響可接受。

新增的準(zhǔn)則⑦：故障清理、隔離或限制區(qū)域內(nèi)受影響的單元拆卸之后，剩余部分的緊急操作是可能的。通過(guò)GB 7251.12的10.9.2來(lái)驗(yàn)證，試驗(yàn)電壓為給出電壓的1.5倍，持續(xù)1min。假如可以很容易恢復(fù)至與IPXXB一致的等級(jí)防護(hù)，門(mén)和蓋板的彎曲和卷邊可接受。試驗(yàn)區(qū)外的單元應(yīng)保持機(jī)械和電氣的完全可操作性，并基本與試驗(yàn)前相同。

2.5 試驗(yàn)報(bào)告要求的差異

1）對(duì)預(yù)期和試驗(yàn)電流參數(shù)的要求不同

舊標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一要求：①前3個(gè)半周期內(nèi)的交流分量的方均根值；②最高峰值；③實(shí)際通電時(shí)間內(nèi)交流分量平均值；④試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

新標(biāo)準(zhǔn)則分開(kāi)要求：

對(duì)預(yù)期電流：①第一個(gè)3個(gè)1/2周期器件交流電流成分的均方根值；②電流最高峰值；③施加電壓的均方根值；④在預(yù)期電流校準(zhǔn)的實(shí)際持續(xù)時(shí)間的電流平均值。

對(duì)試驗(yàn)電流：①實(shí)際燃燒持續(xù)時(shí)間的電流平均值；②最高電流峰值；③試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間；④焦耳積分；⑤電弧實(shí)際總?cè)紵掷m(xù)時(shí)間。

2）其他描述說(shuō)明要求的不同

新標(biāo)準(zhǔn)增加內(nèi)容：①電弧引燃防護(hù)區(qū)的細(xì)節(jié)；②計(jì)劃用于試驗(yàn)期間的限流器和/或電弧抑制器的類型、數(shù)據(jù)、設(shè)置和布置；③安裝并用于試驗(yàn)的電弧抑制器的操作。

2.6 試驗(yàn)樣品要求的差異

1）差異部分

在樣機(jī)的裝配方面，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模擬組件（包括部件、導(dǎo)體及金屬材料）都提出了具體的要求。

2）新增部分

（1）門(mén)和蓋板關(guān)閉并按描述一樣正確固定，所有電纜應(yīng)像正常使用一樣安裝。

（2）所有開(kāi)關(guān)器件應(yīng)開(kāi)啟，可移式和抽出式部分應(yīng)與電源連接。所有可安裝在外殼上的裝置，如控制開(kāi)關(guān)、測(cè)量?jī)x表等應(yīng)像正常使用一樣安裝。

（3）若帶有電弧抑制器，則允許該器件按規(guī)定操作，另外，防止電擊的特定措施應(yīng)有效。

（4）試驗(yàn)可按使用條件進(jìn)行單相或三相試驗(yàn)。

2.7 新增電弧情況下成套設(shè)備的分類

1）按電弧情況下的特性，可分為如下等級(jí)。電弧等級(jí) A：通過(guò)符合準(zhǔn)則①～⑤電弧情況下人員保護(hù)的成套設(shè)備；

電弧等級(jí) B：通過(guò)符合準(zhǔn)則①～⑥電弧情況下人員和成套設(shè)備保護(hù)的成套設(shè)備；

電弧等級(jí) C：通過(guò)符合準(zhǔn)則①～⑦帶有限操作的電弧情況下人員和成套設(shè)備保護(hù)的成套設(shè)備；

電弧等級(jí)Ⅰ：僅通過(guò)電弧引燃防護(hù)區(qū)的方式降低電弧故障風(fēng)險(xiǎn)的成套設(shè)備。

2）按接近成套設(shè)備安裝區(qū)域的人員，可分為限制接近（僅允許被授權(quán)人員接近）和非限制接近（允許所有人員接近）。

2.8 新增電弧引燃防護(hù)區(qū)概念及其要求

電弧引燃防護(hù)區(qū)也稱無(wú)弧區(qū)，無(wú)弧區(qū)內(nèi)的電路采取具體的措施，確保幾乎不可能引發(fā)電弧故障。

1）結(jié)構(gòu)要求

（1）每條主電路的所有帶電部分由固體絕緣或絕緣障礙分別保護(hù)。

（2）絕緣符合GB 7251.12中定義的電氣的、熱的和機(jī)械的要求。

（3）絕緣材料和絕緣保護(hù)區(qū)的結(jié)構(gòu)方式滿足規(guī)定的介電試驗(yàn)要求。

（4）固體絕緣滿足規(guī)定的IP試驗(yàn)要求。

（5）絕緣障礙滿足規(guī)定的IP試驗(yàn)要求。

2）介電試驗(yàn)要求

利用金屬箔在無(wú)弧區(qū)上進(jìn)行工頻介電試驗(yàn)，該金屬箔包裹在絕緣的外表面，覆蓋帶電導(dǎo)體及絕緣的所有連接點(diǎn)和開(kāi)口。按GB 7251.1中表8給出電壓的1.5倍和10.9.2的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

3）IP試驗(yàn)要求

依照IEC 60529，固體絕緣應(yīng)進(jìn)行IP4X試驗(yàn)，絕緣障礙應(yīng)進(jìn)行IP3XD試驗(yàn)。

2.9 新增相似樣品的選擇及其試驗(yàn)的有效性評(píng)價(jià)

電弧試驗(yàn)應(yīng)在代表性的成套設(shè)備上，且在最繁復(fù)位置的每一個(gè)代表性功能單元上進(jìn)行。鑒于功能單元和組件的類型、額定值及可能組合的多樣性，在所有布置上進(jìn)行電弧試驗(yàn)不現(xiàn)實(shí)，任何特殊布置的性能都能由可比較設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)。并可認(rèn)為在以下方面與試驗(yàn)單元相同：①尺寸；②外殼的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度；③隔板的工藝；④絕緣系統(tǒng)；⑤外殼內(nèi)部和內(nèi)部隔板的表面處理；⑥壓力釋放裝置的性能（如果有）。

而在特殊短路電流、額定工作電壓和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行的試驗(yàn)包含相同或更低的短路電流、工作電壓和持續(xù)時(shí)間。

3 結(jié)論

從新舊標(biāo)準(zhǔn)的變化來(lái)看，無(wú)論是在試驗(yàn)還是在結(jié)果的評(píng)價(jià)上，新標(biāo)準(zhǔn)都更緊密地結(jié)合了現(xiàn)行低壓成套設(shè)備產(chǎn)品的特點(diǎn)，特別是新增的電弧情況下低壓成套設(shè)備的分類、電弧引燃防護(hù)區(qū)及相似樣品的選擇及有效性評(píng)價(jià)等內(nèi)容，進(jìn)一步完善了低壓成套設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部故障引弧試驗(yàn)的檢測(cè)需求。

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