低壓成套開關設備內部電弧故障的試驗技術

蔡曉瑋

(上海電器科學研究所(集團)有限公司 上海 200063)

低壓成套開關設備在整個電力系統中主要負責對低壓配電系統進行控制、保護、監測，低壓成套開關設備覆蓋面極廣，如生產車間、公共場所、居民住宅等，我國80%以上的電力支持都是由電壓成套設備所提供。低壓成套開關設備同時還涉足于工業、電器生產、工藝制造、基礎建設以及居民生活用電等，從某種意義上來講，低壓成套開關設備的質量水平間接反映了我國的綜合水平。在低壓成套開關設備中，最值得關注的問題就是內部電弧故障，內部電弧故障發生概率低，如果一旦發生，對維修人員以及設備運行將會帶來極大的危害。當前，內部引弧試驗主要集中在中高壓成套開關設備中，該文則在中高壓成套開關設備的基礎之上對低壓成套開關設備的內部電弧故障進行試驗技術研究。

1 電弧的發生機理

電弧是一種氣體放電狀態，在正常狀態下，氣體屬于絕緣體，當氣體兩側的電場較大時，會激發帶電粒子進行定向運動，直至運動到電極消失，并在氣隙中形成持續電流，持續電流會有高溫，這種狀態就是電弧放電，具體如圖1 所示[1]。根據圖1 可以得到，氣體放電氛圍輝光放電、弧光放電、火花放電，電弧起弧的電壓與電流數值有關，電弧能量與溫度有關，電弧是一種等離子體，導電性較好。

圖1 氣體放電伏安特性

要對低壓成套開關設備進行故障電弧研究，首先要充分了解電弧的發生機理，具體如圖2 所示。當大氣開斷電路時，如果電壓大于12～20 V，電流大于0.25～1 A時，觸頭間隙會產生電弧[2]。

圖2 電弧的發生機理

當電路處于分斷時，電極棒觸頭即將處于分離狀態，兩個電極的棒觸頭間隙之間會形成電場，當電場的強度越來越大，電子會受到原子核的影響穿過勢壘，形成場致發射；當觸頭的接觸面變小，兩個電極棒之間的間隙電阻增加，電能會產生高溫，電子會獲得動能變成自由電子，形成熱電子發射。在兩種不同的發射作用下，大量的自由電子會通過陰極進入間隙，并做定向高速運行動作，高速運動狀態下，電子周圍的氣體分子會產生自由電子和正離子，并在強電場的作用下不斷升級直到觸碰到其他的氣體分子為止。如此反復形成連鎖反應，讓電極的棒觸頭氣體可以在短時間內發生電離，接通電路，從而形成電弧。當電弧發生后，觸頭間隙的溫度會急速上升，溫度可以達到4 000 ℃以上，大量的蒸汽和原子在高溫狀態下持續電離，以維持電弧穩定。在電弧的形成過程中，持續的高溫可以讓分子、原子和蒸汽發生電離，讓已經發生電離的自由電子和正離子重新復合[3]。

2 低壓成套開關設備的壽命預測

低壓成套開關設備作為供電系統的重要電力設備之一，在整個供電系統中主要負責對電能進行控制、保護和分配，低壓成套開關設備的安全穩定直接關系到電力系統的正常運行。當前，低壓成套開關設備采用的維修模式是一種預防性計劃的模式，當設備達到預期，無論是否存在故障都需要進行停機檢修。這種方式存在一定的不合理性，容易造成系統的大量停電問題。因此，為了保證低壓供電系統不出現內部故障，可以安全穩定地運行，通過引入威布爾分布模型的方式，對設備的運行壽命可靠性進行評估，根據評估結果進行維修方案的重新設定。低壓成套開關設備的壽命根據威布爾分布采用灰色估算法，對威布爾分布的參數進行估算，根據壽命預測的預測結果，對設備進行維修計劃設定與維護，最大化地保證設備維修的及時性，解決停電檢修問題，降低維修成本。

2.1 威布爾分布

威布爾分布模型以瑞典科學家的名字所命名，是一種三參數威布爾分布模型。變量T作為隨機變量需要服從三參數的威布爾分布模型[4]，得到

式（1）中，f(t)為概率密度函數；β為形狀參數；η為尺度參數；γ為位置參數。其中，β、η均>0；γ≥0。

當γ=0，三參數威布爾分布會自動轉換成二參數，此時的f(t)表示為

2.2 灰色估計法

灰色微分方程白化方程公式為

白化方程解的時間響應函數表示為

通過灰色GM（1,1）模型，對威布爾分布的參數進行灰色估計，方法為：根據設備的壽命數據按照時間進行排序；根據壽命數據的個數合理選擇公式進行分布函數的計算；通過帶入分布函數，得到數據結果；通過結果建立灰色微分方程[5]。

對公式（5）中的未知參數a，u進行求解，得到

求解a，u后可以得到威布爾分布的參數結果為

2.3 剩余壽命模型

將低壓成套開關設備的壽命T按照三參數威布爾分布求取概率密度函數f(t)，得到

式（7）中，t0為最小壽命；ta為特征壽命；b為形狀參數。

當t=t0，R(t0)=1 時，說明最小壽命可靠度為100%；當t=t0，R(ta)=0.368時，說明ta為特征壽命。其中R(t)表示可靠度函數。

如果設備在工作時間可以正常運行，設備可以繼續使用直到報廢之間所使用的時間是設備的剩余時間，即剩余壽命。剩余壽命用隨機變量Tt表示，得到分布函數

2.4 結果分析

對某低壓成套開關設備的售后數據進行整理，選取10臺設備的壽命數據，按照從小到大的順序進行排列，得到表1[6]。

表1 低壓成套開關設備的壽命

對低壓成套開關設備的壽命采用灰色估計法對三參數威布爾分布參數進行估計，得到

采用相對均方根誤差對灰色估計法參數進行結果量化，將表1 的數據帶入公式（9）中，得到計算結果如表2所示[7]。

表2 壽命可靠度計算結果

相對均方根誤差灰色估計法為0.089 0。

3 低壓成套開關設備內部電弧故障試驗研究

3.1 內部故障引弧試驗

當低壓成套開關設備發生內部電弧故障，會產生一系列的效應，如壓力效應、熱效應、輻射效應以及弧光效應。當發生內部電弧故障時，低壓成套開關設備的電弧溫度會快速上升，周圍空氣發生膨脹產生的巨大壓力，會讓柜門爆開并附帶一些部件飛出。根據焦耳定律公式W=I2RT可知，當導體的電阻不變時，電流會通過導體產生能量，并與電流的強度和時間形成正比，燃弧持續時間越久則釋放能量越高，其破壞力也就越大。電弧能量與燃弧的時間關系如圖3所示。

圖3 電弧能量與燃弧時間關系

低壓成套開關設備的內部電弧故障，其引弧試驗是一種自愿性的試驗，根據國家標準研究低壓成套開關設備的內部引弧試驗，選擇GG3作為樣機，其中主母線為[8]

In=2500A，Icw=65kA，Ue=AC380V，Ui=660V，50Hz

配置好需要試驗的成套工具，按照使用說明進行安裝，其中試驗參數為AC380V/50kA，通電時間為0.3 s，得到試驗電流與導線截面的數據，如表3所示[9]。

表3 試驗電流與導線截面

該文引弧試驗采用1.5 mm2的導線截面，對d1～d7進行引弧試驗。使用1.5 mm2的導線截面以最短的距離進行三相連接，在連接的過程中，注意不要將絕緣蓋板、套管進行損壞，并按照以下標準進行評價：柜門、蓋板處于正常運行狀態；沒有大的或者鋒銳物件的飛落；沒有孔洞存在；指示器沒有掂量；電位正常連接。

試驗結果符合上述標準，則內部故障的引弧試驗有效。試驗中的指示器未點燃說明人員安全以及物品完整，點燃則人員受傷或物品損壞，試驗過后的外殼電位連接的有效性是保證人員安全的重要保障[10]。

3.2 試驗現象分析

對于成套設備樣機而言，一旦發生內部故障引弧，其波形圖會發生變化，如果引弧點的試驗過程沒有持續0.3 s，則在其他的引弧點試驗中會出現更長時間的燃弧情況；如果在未達到0.3 s 熄滅，需要在同一個引弧點上進行重復試驗，需要注意的是同一引弧點最多進行2次試驗，進行二次試驗時，應保證損傷狀態不能進行人為恢復，小于0.15 s 則重復試驗。對于同一臺設備進行多次引弧試驗，可以在進行二次引弧試驗之前對設備進行修復，保證在二次引弧試驗時設備處于正常運行狀態。

4 相關策略與防護措施

4.1 相關策略

4.1.1 改變巡檢模式

要想對低壓成套開關設備的內部電弧故障進行有效防護，需要改變對低壓成套開關設備的巡檢方式，之前的人工巡檢方式浪費時間，效率低，不符合當前網絡時代的發展需要。利用互聯網技術，對低壓成套開關設備進行巡檢，以此來強化對低壓成套開關設備內部電弧故障的防范。在人工巡檢的過程中，無法對停電的頻率進行準確掌握，重復斷電時間時有發生，除此之外還有很多人工無法把握的故障存在，都讓低壓成套開關設備的安全運行受到極大的影響。采用互聯網技術可以讓人工巡檢無法關注的地方得到準確掌握，讓巡檢人員在巡檢的過程中可有及時準確地了解低壓成套開關設備的運行狀態，通過具體的試驗可以證實互聯網技術對于低壓成套開關設備的巡檢的重要性。通過手機端的上傳功能對設備的運行狀態進行一鍵上傳；在巡檢的過程中通過網絡的巡檢幫助節省巡檢時間；通過手機端可以準確獲取低壓成套開關設備的故障缺陷問題，并以最快的時間將缺陷的具體情況進行跟蹤匯報和解決，與傳統的低壓成套開關設備的巡檢方式相比，互聯網技術可以讓巡檢工作變得更加方便快捷。

4.1.2 加強安全管理

安全方面的問題需要加強管理，不僅需要對低壓成套開關設備自身的安全問題進行管理，還需要對工作人員的人身安全問題進行管理。當遇到惡劣天氣，要加強對低壓成套開關設備的巡查工作，讓低壓成套開關設備時刻處于安全穩定的運行狀態，這對于工作人員的強度有所增加，因此工作人員需要重視自身的安全問題，佩戴好安全護具，遵守相關工作要求與流程，當進行低壓成套開關設備的維修時，要保持安全距離，在安全范圍內進行維修工作，單位也需要對工作人員的安全問題進行重視。

4.1.3 加強人員培訓

在進行低壓成套開關設備的內部電弧故障操作時，要對工作人員進行重點培訓，讓工作人員保證工作效率的同時，將電弧故障所帶來的影響降至最低。對工作人員進行培訓之前，要明確培訓的目的與內容，重點在于減少低壓成套開關設備的內部故障。

4.2 防護措施

對于封閉式的成套開關設備，當處于正常工作狀態，突然有如動物、工具、有機物殘渣等外物的進入影響設備的正常運行；或者是設備自身的設計缺陷；或者是工作人員的操作不當導致設備發生故障；或者是沒有對設備進行及時的維修處理導致設備發生故障電弧。基于此類種種原因，為了有效避免低壓成套開關設備不再發生內部電弧故障，根據上述試驗反應的結果進行分析后得到如下措施：（1）隔板隔離，對開關設備進行分隔，將功能單元、電纜及儀器儀表分隔，并在隔板上加入絕緣隔弧板，對開關柜體中的內部導電部位進行絕緣設計，讓各個功能之間減少絕緣接觸，降低發生故障電弧的可能性；（2）對低壓成套開關設備中的電器部件、母線等采取距離間隙設定；（3）采用泄壓方式進行泄壓，或者安裝強制通風冷卻裝置，將電弧產生的沖擊力進行釋放，減少對開關柜體的損害；（4）對開關電器進行分斷操作，限制電弧的發生強度，減輕故障電弧發生的級別；（5）擰緊螺栓連接部位，保障螺栓連接轉角的穩定，避免因接觸不良造成電弧故障的發生。

5 結語

綜上所述，低壓成套開關設備在運行過程中，對于工作人員的專業性要求較高，因為低壓成套設備極少發生內部電弧故障，但是以無法完全避免電弧故障的發生。因此，工作人員的技術性以及自身素質要得到保證，避免因人員操作不當引發內部電弧故障。低壓成套開關設備在工業和核電領域中，內燃弧的故障試驗需要重點對柜子的整體結構和絕緣耐壓性進行判斷，在保證工作人員的安全前提下，進行安全操作和使用情況分析。