基于內(nèi)部故障引弧試驗(yàn)的綜合配電箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曾作欽，鄭立新，陳金汕，魏運(yùn)明

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院國家低壓開關(guān)電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建福州350002）

低壓開關(guān)柜（箱）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。故障電弧一旦發(fā)生，便會(huì)輻射出巨大的聲、光、電、熱等能量，導(dǎo)致電力系統(tǒng)癱瘓、用電設(shè)備毀壞及人身傷亡[1-2]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，由故障電弧引發(fā)的電氣火災(zāi)占相當(dāng)大的比例，并且有繼續(xù)增大的趨勢[3]。因此，研究如何減小開關(guān)柜內(nèi)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(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

現(xiàn)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(hào)，并對信號(hào)進(jìn)行分析或與相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，判別是否產(chǎn)生故障電弧，從而提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。文獻(xiàn)[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(xiàn)[4]通過對一系列光源的研究后，根據(jù)內(nèi)部故障電弧的弧光特征，研發(fā)了一種故障電弧檢測裝置；文獻(xiàn)[5]根據(jù)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(shí)別算法，并構(gòu)建了基于DSP的故障電弧預(yù)警系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]通過研究故障電弧產(chǎn)生的物理過程及與電弧燃燒時(shí)間相關(guān)的特性，設(shè)計(jì)了一種限制電弧燃燒時(shí)間的保護(hù)裝置。然而不同類型的開關(guān)柜在不同運(yùn)行負(fù)荷時(shí)故障電弧發(fā)生時(shí)的弧光、弧聲以及電壓電流等信號(hào)千差萬別，并且傳感器的種類多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難選取合適的界定值；另外，這些故障電弧的檢測技術(shù)、保護(hù)裝置多數(shù)處于研發(fā)后的嘗試應(yīng)用階段，還沒有大量應(yīng)用于開關(guān)柜的實(shí)例或成熟產(chǎn)品。與此不同，本文以實(shí)際的一種開關(guān)柜內(nèi)部故障引弧試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析總結(jié)并揭示發(fā)生故障電弧的薄弱點(diǎn)，提出簡單實(shí)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，從基本的結(jié)構(gòu)改進(jìn)著手，減小故障電弧帶來的危害。

綜合配電箱（符合標(biāo)準(zhǔn)GB 7251.12-2013、GB/T 15576-2008）是一種新型戶外配電無功補(bǔ)償綜合箱，集電能分配、計(jì)量、保護(hù)、控制、無功補(bǔ)償于一體，廣泛應(yīng)用于城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造、路燈照明、住宅小區(qū)等交流0.4 kV電壓等級(jí)的配電系統(tǒng)，其質(zhì)量的好壞直接影響配電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。另外，它結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)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(nèi)產(chǎn)生故障電弧的薄弱點(diǎn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究。

1 引弧試驗(yàn)的方法及評(píng)判

由中國質(zhì)量認(rèn)證中心制定的封閉式低壓開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備內(nèi)部故障引弧試驗(yàn)的相關(guān)認(rèn)證規(guī)則CQC13-462216-2015已發(fā)布實(shí)施[8]，認(rèn)證規(guī)則中指定的檢驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/Z 18859-2002[9]，并規(guī)定引弧點(diǎn)的選擇應(yīng)使其生成的電弧效應(yīng)在成套設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生最大壓力，推薦的引弧點(diǎn)為[8]：

1）主進(jìn)線開關(guān)的進(jìn)線端；

2）主進(jìn)線開關(guān)的出線端；

3）主母線末端；

4）出線開關(guān)的進(jìn)線端（可選擇1個(gè)或多個(gè)典型的出線開關(guān)）；

5）出線開關(guān)的出線端（可選擇1個(gè)或多個(gè)典型的出線開關(guān)）；

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(diǎn)1）—3）進(jìn)行引弧試驗(yàn)。電弧持續(xù)時(shí)間按主回路保護(hù)電器的動(dòng)作時(shí)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(hù)高壓設(shè)備的運(yùn)行。電弧在整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不到一半時(shí)熄滅且沒有再引燃，則應(yīng)在同一引燃點(diǎn)上重復(fù)試驗(yàn)，如仍不能達(dá)到持續(xù)時(shí)間，則不必再重復(fù)試驗(yàn)。

在標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定達(dá)到提供人身防護(hù)要求的封閉式低壓開關(guān)柜的合格評(píng)判準(zhǔn)則為[9]：

1）門、蓋板等應(yīng)處于正確的使用狀態(tài)，且沒有被打開；

2）可能引起危險(xiǎn)的設(shè)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(yīng)在成套設(shè)備外殼可自由觸及的外表上不應(yīng)造成孔洞；

4）垂直放置的指示器不應(yīng)被點(diǎn)燃（因漆和粘著劑點(diǎn)燃指示器除外）；

5）成套設(shè)備外殼的可接近部件的保護(hù)電路仍然有效。

可見，如果綜合配電箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，某隔室內(nèi)的故障電弧就完全可能造成人員傷亡、設(shè)備損毀。

2 引弧試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

綜合配電箱的引弧試驗(yàn)需要用到能產(chǎn)生一定預(yù)期短路電流（可低于額定短時(shí)耐受電流）的試驗(yàn)系統(tǒng)，而本單位現(xiàn)有的通斷試驗(yàn)系統(tǒng)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(jīng)隔離開關(guān)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(diào)節(jié)電阻R、可調(diào)節(jié)電抗L的適當(dāng)投切后，便可產(chǎn)生預(yù)期的短路電流，最后經(jīng)過低壓斷路器QF到試驗(yàn)斷口，便可對綜合配電箱D進(jìn)行引弧試驗(yàn)，該通斷試驗(yàn)系統(tǒng)的短路能力為420 V、50 kA。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)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(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄、保存，而所有這些開關(guān)的操作和數(shù)據(jù)采集都是在獨(dú)立的中央控制中心完成的。除了用到通斷試驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等常規(guī)的短路試驗(yàn)設(shè)備外，還需用到一些輔助設(shè)施，如指示器、裸銅引燃線和安裝固定設(shè)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(yīng)尺寸的鋼板安裝框架中構(gòu)成。

為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，選用型號(hào)規(guī)格為380 V、630 A、90 kV·A，結(jié)構(gòu)及主回路基本相似的綜合配電箱進(jìn)行試驗(yàn)。該規(guī)格配電箱的主回路如圖2所示，由進(jìn)線主開關(guān)QF，配電回路A1、A2及帶有電力電容器的補(bǔ)償回路組成，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取了常用的故障電弧防護(hù)措施，例如：用隔板將各隔室分隔好；對門鎖進(jìn)行加固等。試驗(yàn)的進(jìn)線點(diǎn)選為d，電弧引燃點(diǎn)考慮了全部的推薦點(diǎn)，分別為：1）主開關(guān)進(jìn)線端d1；2）主開關(guān)出線端d2；3）主母排末端d3；4）A1回路進(jìn)線端d4；5）A1回路斷路器出線端d5；6）補(bǔ)償回路進(jìn)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(cè)邊，常采用下進(jìn)線或側(cè)進(jìn)線。因此，為了盡可能接近正常使用狀態(tài)，在試驗(yàn)安裝布置時(shí)將其放置在平穩(wěn)的絕緣支撐板上，再通過絕緣布帶連接箱體的吊環(huán)，與地面的安裝螺栓固定，現(xiàn)場安裝布置如圖3所示。

圖3 引弧試驗(yàn)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(yàn)斷口之間通過合適尺寸的導(dǎo)線連接，并對導(dǎo)線進(jìn)行夾緊加固，在箱體四周可能噴出電弧的所有點(diǎn)（例如：接合處、檢測窗、門）相距30 cm±5%的區(qū)域均垂直放置了指示器。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前面的試驗(yàn)方法、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)隨機(jī)選取6臺(tái)型號(hào)規(guī)格相同、結(jié)構(gòu)及回路相似的綜合配電箱進(jìn)行圖2中所示引燃點(diǎn)d1～d6的引弧試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)電流Icc=15 kA，允許持續(xù)時(shí)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(guān)全部為塑料外殼式斷路器，最大瞬時(shí)脫扣電流整定值為12In，因此，電弧持續(xù)時(shí)間均沒有達(dá)到允許持續(xù)時(shí)間的一半（最長為44.7 ms），主開關(guān)就自動(dòng)保護(hù)斷開，所有引燃點(diǎn)都進(jìn)行了2次的試驗(yàn)。最后，6臺(tái)配電箱全部順利通過引弧試驗(yàn)的考核，并滿足第1節(jié)所列出的5個(gè)評(píng)判準(zhǔn)則要求。下面對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的討論分析。

在電工電氣領(lǐng)域常用焦耳積分I2t來表示實(shí)際通電時(shí)間或給定時(shí)間Δt內(nèi)通過導(dǎo)體的電流所產(chǎn)生的能量，如式（1）所示。

式中：i表示電流的瞬時(shí)值。下面先來看看各引燃點(diǎn)在試驗(yàn)實(shí)際通電過程中產(chǎn)生的能量分布情況。圖4所示為各引燃點(diǎn)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(biāo)1—6對應(yīng)圖2的引燃點(diǎn)d1—d6，縱坐標(biāo)為各引燃點(diǎn)的焦耳積分值，同時(shí)為了不出現(xiàn)混淆，將同一臺(tái)配電箱的所有引燃點(diǎn)對應(yīng)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(diǎn)3即主母排末端位置因裸銅線引燃產(chǎn)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(diǎn)5和6即A1回路斷路器出線端和補(bǔ)償回路進(jìn)線端位置次之，其中引燃點(diǎn)5有一個(gè)焦耳積分值大于1.0×106A2s，一個(gè)小于0.5×106A2s，其他散布在中間；而引燃點(diǎn)6有2個(gè)焦耳積分值大于1.0×106A2s，其他的全部小于0.5×106A2s。引燃點(diǎn)1、2、4位置產(chǎn)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(fā)生這樣的情況并非偶然，從圖4（b）中可以看到第二次試驗(yàn)的結(jié)果，與圖4（a）中所描述的情況非常相似。

圖4 各引燃點(diǎn)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(diǎn)3，即主母排末端附近引弧試驗(yàn)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(xiàn)一定的損傷；貼近母排末端的箱體側(cè)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(yán)重的損傷在其他引燃點(diǎn)附近沒有出現(xiàn)過。

圖5 主母排末端附近引弧試驗(yàn)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(shí)值。單位時(shí)間內(nèi)通過的電量越大，電流平均值越大，產(chǎn)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(guān)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(diǎn)3位置的電流平均值都比較大，都超過了8 kA；引燃點(diǎn)5和6位置都有個(gè)別超過8 kA，其他都散布在下方；而引燃點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)和分析可以發(fā)現(xiàn)，這些綜合配電箱的故障電弧薄弱點(diǎn)主要集中在主母排末端附近，配電回路斷路器出線端及補(bǔ)償回路進(jìn)線端次之。根據(jù)以上的分析結(jié)果和現(xiàn)場引弧試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對綜合配電箱薄弱點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(cè)面板及頂蓋應(yīng)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(yàn)要求時(shí)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(dāng)增設(shè)加強(qiáng)筋等加強(qiáng)措施；選用材料性能較好的絕緣支撐件，可靠安裝并適當(dāng)增加支撐點(diǎn)。

2）配電回路斷路器出線端附近。大多數(shù)配電回路帶有接地保護(hù)功能，斷路器與隔離開關(guān)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(qiáng)度的情況下應(yīng)盡量拉開斷路器與隔離開關(guān)的距離；因?qū)I(yè)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(bǔ)償回路進(jìn)線端附近。補(bǔ)償回路的進(jìn)線開關(guān)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(bǔ)償室空間狹窄。因此，應(yīng)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(dāng)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(diǎn)附近。參照以上措施進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)；另外注意選用性能較好的連接螺栓，加強(qiáng)螺栓連接部位的接觸壓力。

4 結(jié)論

本文以研究如何減小綜合配電箱內(nèi)部故障電弧帶來的危害為出發(fā)點(diǎn)，以一批相似的綜合配電箱為研究對象，從實(shí)際的內(nèi)部故障引弧試驗(yàn)方法研究著手，并進(jìn)行了試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過現(xiàn)場試驗(yàn)和對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，引燃點(diǎn)主母排末端的電流平均值最大，產(chǎn)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(bǔ)償回路進(jìn)線端次之；而主開關(guān)進(jìn)、出線端及配電回路進(jìn)線端的電弧危害都相對較小。據(jù)此，提出了適當(dāng)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(dāng)增加面板厚度，增設(shè)加強(qiáng)設(shè)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(shí)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

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