試論低壓成套開關設備短路耐受強度試驗方法

杜然瓏，戴宇飛，張曉戈，張鑫，劉振

（1.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180；2.天津中車唐車軌道車輛有限公司，天津 300300）

成套設備發生短路故障會引起很大的電動力并產生大量的熱量，對線路和成套設備造成極大的危害，可能使設備受到破壞或產生永久性變形，試驗室按照低壓成套開關設備相關標準對于低壓成套開關設備短路耐受強度試驗部分包括兩個方面：額定限制短路電流Icc和額定短時耐受電流Icw試驗，下面對這兩類試驗先簡要介紹相關參數的含義，再進行試驗方法的分析和探討。

1 低壓成套開關設備短路試驗內容相關參數含義

（1）短路電流（Ic）：由于電路中的故障或錯誤連接引起的短路所產生的過電流。（2）預期短路電流（Icp）：在盡可能接近成套設備電源端，用一根阻抗可以忽略不計的導體使電路的供電導體短路時流過的電流有效值。（3）短時耐受電流（Icw）：在成套設備中能承受相當電流的沖擊并保證觸頭在一定時間內保持閉合且開關無損傷，這個電流就是短時耐受電流。（4）額定限制短路電流（Icc）：成套設備制造商宣稱的在規定條件下在短路保護器件（SCPD）全部動作時間內（斷開時間）能夠承受的預期短路電流。

2 低壓成套開關設備短路耐受強度試驗方法

對于所有短路耐受強度試驗，都要首先進行預期短路電流的測定，具體安排如下：在成套設備供電的導體即短路試驗電源處提供一試驗電壓等于1.05 倍額定工作電壓，并在盡可能靠近成套設備的輸入電源處用合適的導線或銅排做短封處理。通過調節試驗電路中的高壓阻抗來獲得短路預期電流，使其等于給出的額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流或額定限制短路電流。試驗電流波形應滿足峰值和有效值對應關系：即短路峰值電流通過系數n 乘以短路電流的有效值得到，有關系統n 標準值以及有關功率因數參考GB 7251.1-2013/IEC 61439-1：2011 表7。

試驗電流允差為0 ～+5%，電壓允差為0 ～+5%，功率因數0 ～-5%，頻率±25%。

進行短路試驗時，需要短路試驗的成套設備應正常安裝。如果有相同的功能單元，只選取對試驗來講最嚴苛的一個功能單元做短路。同理，假如母線的配置有相同的結構，僅對一個母線進行短路即可。假如試驗電路中有熔斷器，則應選用額定電流最大的熔芯，而且，應該選擇制造商指定的熔斷器。試驗連接導線和短路連接線一般用絕緣母線夾或其他絕緣材料（如環氧玻璃布板）支撐固定，以保證有足夠的短路耐受強度，不會給成套設備，也就是試品造成任何附加的應力。如果沒有特殊要求，試驗電路的三相電源應接到成套設備的進線端上。另外，需要一直徑為0.8mm，長度不小于50mm 的銅絲連接在與保護導體連接的設備的所有部件（包含金屬外殼）與電源中性點之間，用來檢測故障電流。需要注意的是，如果是三相三線系統，銅絲需要與對地電弧可能性最小的相導體和外殼相連，這樣，一旦其他兩相中的任意一相對外殼發生放電，產生電弧，會立即接通檢測故障電流的回路，使銅絲熔斷。

3 低壓成套開關設備常見短路耐受強度試驗分析

3.1 通用要求

（1）對于主電路試驗，有以下3 種情況：①成套開關設備內沒有SCPD。對成套設備進行額定短時耐受電流和額定峰值耐受電流試驗。②成套開關設備內有SCPD。用預期進線短路電流對成套設備進行額定限制短路電流試驗。③制造商指定在成套開關設備外部有上一級SCPD。應在成套開關設備進線前串入相關SCPD，再進行額定限制短路電流試驗。

如果進線或出線電路包含SCPD，其可調短路脫扣器應整定在最大延時時間和相應于指定預期短路電流的電流整定值。這樣，做本回路Icw試驗時，保證在最大延時時間內不動作；做本回路Icc試驗時，保證不跳閘。

試驗結果判定：試驗后，母線和導體的變形是允許的，但電氣間隙和爬電距離應符合標準的規定。成套設備的母線或結構的變形使正常使用者受到損害，或使可移式部件正常插入或移出受到損害，應視為不合格。由于短路試驗造成的外殼或內部擋板變形不能削弱其防護等級，否則，認定不合格。母線絕緣件、支撐件或電纜固定件不能分成兩塊或多塊，并且在支撐件的任何位置不能出現裂縫。根據標準和試驗具體情況，嚴格的做法是附加工頻試驗，試驗電壓為2 倍Ue且不小于1kV，試驗部位如下：a.成套設備所有帶電部件和外露可導電部件之間；b.每一極和被連接到成套設備外露可導電部分的所有其他極之間。導線連接件不應松動。檢測故障電流的銅絲不應熔斷。

（2）對保護電路試驗，成套設備應與地絕緣。然后把單相電源一端連接到一相進線端子（注意選擇相導體的原則是最靠近保護導體的相導體），另一端連接到進線保護導體的端子上。在每個有代表性的出現單元的出線相端子和相關的出現保護導體的端子之間進行短封處理。施加電壓大小為1.05 倍額定工作電壓的單相值，試驗電流值為成套設備三相試驗相電流的60%。

試驗結果判定：目測保護電路不應遭受嚴重破壞。對相關出線單元通以額定電流以驗證保護電路連續性。由于短路試驗造成的外殼或內部擋板變形不能削弱其防護等級。電氣間隙或爬電距離不應減小到標準規定值以下。

3.2 額定限制短路電流Icc 試驗

此試驗主要考核電路中的短路保護電器SCPD。在試驗電路中，對于額定電流不大于630A 的SCPD，出線端子短路連接的導線長度應為0.75m；對于額定電流大于630A 的SCPD，短路導線長度不做要求。如果由初始制造商指定，短封導線長度可以小于0.75m。截面積參考GB7251.1-2013/IEC 61439-1：2011 表11 及表12。試驗過程中，試驗電壓應維持足夠長時間，以便SCPD 切斷短路故障電流，在任何情況下，短路時長應至少為10 個周期。試驗要在額定電壓下進行。

3.3 短時耐受電流以及峰值耐受電流試驗

第一，進行短時耐受電流試驗，主要目的是測量在部分特殊情況下的開關電氣設備，發生短路故障時，在電路不進行分斷的前提下是否可以承擔短時間、大電流產生的電動力以及熱效應，而且仍舊可以保持良好性能。

短路電流會形成較大的熱與電動力效應，所以會發生絕緣破壞、導體變形、電器元件損壞等問題。在線路中裝置的電器在發生短路故障的較短時間內，會經受一定的短路電流且不被破壞。電器在通過短路故障電流時會產生熱效應與電動力效應，而且會同時作用于電器：（1）有關電動力效應會在電器動、靜觸頭之間形成的斥力，導致觸頭增大接觸電阻，增大觸頭發熱，也就是增加了熱效應。（2）熱效應能夠降低電器全部載流部件自身的機械強度，進而削弱了耐受電動力程度。由此可見，熱穩定性以及電動穩定性試驗應同時進行最重要。短耐試驗就是對成套開關設備熱穩定性與電動穩定性的一種綜合性考核。

第二，在GB7251.1-2013 中明確提出，在開展短時耐受電流或者是峰值耐受電流試驗過程中，要是試驗站無法提供工作最大電壓，則可以選取任意低電壓展開操作，此時，實際電流應等于額定短時耐受電流或峰值耐受電流。這是因為在1.05 倍額定電壓下，實驗室短路容量不足，做高電壓大短路電流時，輸出不了那么大的功率。成套設備制造商也期望實際短路電流等于額定短時耐受電流或峰值耐受電流。這就要求我們調節預期短路電流時，要接上成套設備，以滿足實際電流輸出的需要。

對主母線進行驗證額定短時耐受電流和額定峰值耐受電流時，短路點應選擇包括主母線長度在內的長度為2m±0.4m處。如長度小于1.6m，則應試驗整個母線的全長，短路點選擇最末端。

對配電母線進行驗證額定短時耐受電流和額定峰值耐受電流時，短路點應選擇在配電母線最末端，保證短路試驗動熱穩定考核最重要。

對中性導體，選擇與它最接近的相導體（包括任何一個連接點）進行短路耐受強度試驗。中性導體的試驗電流至少為三相試驗時相電流的60%。

4 結語

進行短時耐受電流試驗，應選用最大工作電壓與適合的電壓進行試驗，其中適合電壓條件下的結果更重要。針對型式試驗相關規定，唯有在試驗過程中保護裝置出現瞬間觸點分離時，應采用最大工作電壓展開再次試驗。而驗證額定限制短路電流必須在額定電壓下進行，持續的試驗時間需依據操作規程中要求的時間，要是無法確定試驗時長，持續時間應確保斷路保護器動作。