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(jiān)測線路中電弧故障，其通過電弧特性判斷監(jiān)測串聯(lián)及并聯(lián)電弧，在電弧引起火災(zāi)前切斷電源。本文對電弧斷路器在化工廠設(shè)備與低壓配電線間的適用性進(jìn)行分析，并通過人為產(chǎn)生電弧的方式對四種電弧斷路器的性能進(jìn)行測試，考慮跳脫比例與誤動(dòng)作比例，電弧故障斷路器能適用于化工廠低壓配電系統(tǒng)，通過對電弧斷路器動(dòng)作原理的探討分析，為國內(nèi)研究及開發(fā)電弧斷路器提供參考。

關(guān)鍵詞：電弧斷路器；電弧故障；低壓配電；電弧火災(zāi)

為維護(hù)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(hù)裝置，在短路或過載時(shí)切斷電源，避免電弧故障引起火災(zāi)。電弧故障斷路器對線路中正常的電弧，如開關(guān)啟動(dòng)、插拔插座時(shí)的電弧不會(huì)產(chǎn)生跳脫。電弧故障斷路器在國內(nèi)的推廣使用，將進(jìn)一步減小室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生，保護(hù)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(dòng)作特性的測試技術(shù)，評估發(fā)生電弧故障時(shí)電弧故障斷路器能否有效切離電源的有效性進(jìn)行了分析，降低因用電不安全而造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。

1 電弧故障斷路器測試規(guī)則

一般化工廠低壓線路中發(fā)生的電弧可分為正常操作下產(chǎn)生的電弧，如插拔電器插頭時(shí)產(chǎn)生的電弧；線路上故障時(shí)產(chǎn)生的電弧，包括串聯(lián)故障電弧和并聯(lián)故障電弧。根據(jù)故障情況，并聯(lián)故障電弧可細(xì)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(zhì)，造成火災(zāi)的意外事故。

電弧故障短路器能在監(jiān)測到電弧故障發(fā)生時(shí)，斷開電路停止供電，以保護(hù)用電安全。結(jié)合型電弧故障短路器能監(jiān)測串聯(lián)電弧與并聯(lián)電弧，且具有漏電斷路器與過載保護(hù)器的作用。對結(jié)合型電弧故障短路器進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)測量以下幾種故障：1）在發(fā)生串聯(lián)及并聯(lián)電弧故障時(shí)，電弧故障短路器能否及時(shí)跳脫切斷電源，達(dá)到保護(hù)效果。2）在無電弧事故、一些特殊負(fù)載及正常電弧狀態(tài)時(shí)，電弧故障短路器是否會(huì)發(fā)生誤跳脫動(dòng)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(dòng)作情況。測試時(shí)應(yīng)考慮電弧故障的類型、負(fù)載電流大小、導(dǎo)線長度、導(dǎo)線截面積及負(fù)載條件等。測試負(fù)載正常操作產(chǎn)生電弧時(shí)，電弧故障短路器是否會(huì)動(dòng)作。并進(jìn)一步考慮配線、負(fù)載及濾波器等電路特性，對電弧故障短路器動(dòng)作的影響。包括：長距離導(dǎo)線測試、濾波器測試、導(dǎo)線彎曲測試、混合負(fù)載測試。

對串聯(lián)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(shí)驗(yàn)正確。再將電弧機(jī)兩導(dǎo)體慢慢靠近至導(dǎo)通狀態(tài)，代表電路中發(fā)生串聯(lián)電弧的工況。確認(rèn)電路無誤后投入電弧故障短路器與負(fù)載間的開關(guān)，最后啟動(dòng)負(fù)載及操作電弧機(jī)使之產(chǎn)生電弧，記錄電壓與電流波形及電弧故障短路器動(dòng)作情況。

并聯(lián)電弧故障測試則包括：首先檢查試驗(yàn)電路是否正確，并打開示波器存儲(chǔ)波形。然后，將電弧故障短路器打開投入電路，隨后閉合負(fù)載開關(guān)。最后將兩端導(dǎo)體慢慢分開產(chǎn)生電弧，如果導(dǎo)體間開路而斷弧，調(diào)整兩端導(dǎo)體慢慢接近使電弧產(chǎn)生，重復(fù)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(jié)果與分析

在串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)與電弧故障短路器跳脫次數(shù)及比例中，包括所有串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)時(shí)（含5A以下負(fù)載），故障實(shí)驗(yàn)共200項(xiàng)，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)共有5次，串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)次數(shù)共1000次，全部電弧故障短路器跳脫次數(shù)為440次，跳脫百分比為44%。如果只取5A以上負(fù)載的數(shù)據(jù)計(jì)算，串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)次數(shù)共880次，全部電弧故障短路器跳脫440次，百分比為50%。經(jīng)過對串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，可得到如下結(jié)果：

1）激波電流與非正弦電流并不會(huì)造成電弧故障短路器的誤動(dòng)作。在正常用電操作下產(chǎn)生的電弧實(shí)驗(yàn)中，電弧故障短路器發(fā)生2次跳脫，僅占總實(shí)驗(yàn)次數(shù)500次的0.4%。

2）如果負(fù)載電流太小時(shí)，電弧故障短路器不易跳脫，電弧故障短路器監(jiān)測串聯(lián)電弧故障時(shí)，電流需大于5A。

3）在使用50 m長導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)中，采用絞線時(shí)電弧故障短路器跳脫次數(shù)比采用單芯線次數(shù)多，且線徑越大跳脫次數(shù)越多。

4）較長導(dǎo)線及使用濾波器會(huì)影響電弧故障短路器監(jiān)測電流信號(hào)的能力，使電弧故障短路器不易跳脫。

5）導(dǎo)線彎曲與混合負(fù)載，皆不影響電弧故障短路器動(dòng)作，火線與中性線反接，并不影響電弧故障短路器動(dòng)作。

在并聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)中，電弧故障短路器跳脫的因素可能因監(jiān)測并聯(lián)電弧而跳脫，或因短路過載而跳脫，需做區(qū)別探討。在測試電弧故障短路器因短路過載電流的動(dòng)作時(shí)，將電弧發(fā)生器前端短路，使有持續(xù)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(shí)最短的跳脫時(shí)間為1.83 s，最常的為7.03 s。

在并聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)中電弧故障斷路器皆能動(dòng)作，此外電弧故障斷路器也可以在短路過載時(shí)跳脫，是電弧故障斷路器在并聯(lián)故障上有提供比較周全的保護(hù)功能。在64例故障實(shí)驗(yàn)中，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測試5次，總實(shí)驗(yàn)次數(shù)為320次。電弧故障斷路器跳脫次數(shù)合計(jì)為300次，均對并聯(lián)電弧故障非常靈敏，使跳脫百分比均為九成以上。

4 結(jié)論

對于起弧造成電弧故障斷路器跳脫時(shí)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(nèi)，連續(xù)起弧時(shí)間達(dá)8次一半電力周期以上。

2）電流持續(xù)變動(dòng)，并有矩形現(xiàn)象。

3）起弧時(shí)電流過電弧故障斷路器的電流達(dá)到5A以上，有變動(dòng)高頻成分。

對低壓配電線路進(jìn)行電弧故障實(shí)驗(yàn)時(shí)，測試電弧故障斷路器的功能，一共進(jìn)行的377項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，其中串聯(lián)電弧故障部分200項(xiàng)，并聯(lián)電弧故障部分64項(xiàng)，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均重復(fù)測試5次。合計(jì)電弧故障斷路器的成功跳脫百分超過50%，對并聯(lián)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(hù)功能與傳統(tǒng)線路斷路器可進(jìn)一步防止電氣火災(zāi)。因此期望電弧故障斷路器未來能應(yīng)用在國內(nèi)電氣火災(zāi)預(yù)防上，以增加用電安全防護(hù)。