蘇雄斌

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，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)備保護與控制任務(wù)的低壓成套開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備（以下簡稱“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、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，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[1-3]。

1 內(nèi)部故障電弧的危害

在成套設(shè)備的某個部位產(chǎn)生故障電弧后，故障電弧會迅速燃燒，所產(chǎn)生的能量可高達幾十MA2s，甚至幾百MA2s，與故障電流的平方及電弧燃燒的持續(xù)時間成正比。在持續(xù)時間超過100ms后，所釋放的能量急劇增加并呈指數(shù)級上升，引起包括弧光、弧聲、熱量及壓力等效應(yīng)，對開關(guān)設(shè)備的電纜及銅排等造成嚴(yán)重?fù)p壞。同時，將可能導(dǎo)致門被炸開、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，隨時會造成人身傷害，甚至引起火災(zāi)[4-5]?？梢姽收想娀〉奈：π苑浅４?，對成套設(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導(dǎo)則》對成套設(shè)備由于內(nèi)部故障引起電弧情況下的試驗方法給予指導(dǎo)，于2017年7月1日實施，替代舊標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 18859—2002[9-10]。

2.1 試驗參數(shù)的差異

1）試驗電壓的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)要求：試驗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，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)改為所有試驗在額定頻率下進行，偏差為±25%。

4）試驗持續(xù)時間的不同

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

2.2 試驗程序的差異

1）電源電路的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)只說明試品的連接應(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)定了不帶限流保護器時的引燃線尺寸，其他都參考選擇；而新標(biāo)準(zhǔn)新增了詳細(xì)的帶限流保護器時引燃線尺寸的選擇，并詳細(xì)說明了該情況下的試驗有效性和重復(fù)試驗的判定原則。

3）推薦電弧引燃點的不同

舊標(biāo)準(zhǔn)只說明引燃點的選擇應(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：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)的電弧引燃防護區(qū)（但不應(yīng)在電弧引燃防護區(qū)引發(fā)）；③沿配電母線；④沿主母線；⑤進線單元的負(fù)載側(cè)；⑥進線單元的電源側(cè)。

2.3 試驗指示器的差異

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)具體說明：指示器應(yīng)垂直放置在與成套設(shè)備每個面板平行的平面內(nèi)，高度為2m±50mm，與面板距離為(300±30)mm，并以棋盤形式均勻分布，覆蓋被評估區(qū)域的40%～50%，另外還指出指示器安裝架的尺寸，與面板距離的測量方法及指示器的安裝圖示。

2.4 試驗結(jié)果評價準(zhǔn)則的差異

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

準(zhǔn)則②的差異：舊標(biāo)準(zhǔn)要求沒有可能引起危險的設(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)備沒有質(zhì)量超過60g的部分噴射出來。

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，則熱氣和黑煙對試驗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GB 7251.12的10.9.2來驗證，試驗電壓為給出電壓的1.5倍，持續(xù)1min。假如可以很容易恢復(fù)至與IPXXB一致的等級防護，門和蓋板的彎曲和卷邊可接受。試驗區(qū)外的單元應(yīng)保持機械和電氣的完全可操作性，并基本與試驗前相同。

2.5 試驗報告要求的差異

1）對預(yù)期和試驗電流參數(shù)的要求不同

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

新標(biāo)準(zhǔn)則分開要求：

對預(yù)期電流：①第一個3個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)的實際持續(xù)時間的電流平均值。

對試驗電流：①實際燃燒持續(xù)時間的電流平均值；②最高電流峰值；③試驗的持續(xù)時間；④焦耳積分；⑤電弧實際總?cè)紵掷m(xù)時間。

2）其他描述說明要求的不同

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

2.6 試驗樣品要求的差異

1）差異部分

在樣機的裝配方面，新標(biāo)準(zhǔn)對模擬組件（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）所有開關(guān)器件應(yīng)開啟，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，如控制開關(guān)、測量儀表等應(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）試驗可按使用條件進行單相或三相試驗。

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。電弧等級 A：通過符合準(zhǔn)則①～⑤電弧情況下人員保護的成套設(shè)備；

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

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

電弧等級Ⅰ：僅通過電弧引燃防護區(qū)的方式降低電弧故障風(fēng)險的成套設(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 新增電弧引燃防護區(qū)概念及其要求

電弧引燃防護區(qū)也稱無弧區(qū)，無弧區(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。

（2）絕緣符合GB 7251.12中定義的電氣的、熱的和機械的要求。

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

（4）固體絕緣滿足規(guī)定的IP試驗要求。

（5）絕緣障礙滿足規(guī)定的IP試驗要求。

2）介電試驗要求

利用金屬箔在無弧區(qū)上進行工頻介電試驗，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和開口。按GB 7251.1中表8給出電壓的1.5倍和10.9.2的規(guī)定進行試驗和評價。

3）IP試驗要求

依照IEC 60529，固體絕緣應(yīng)進行IP4X試驗，絕緣障礙應(yīng)進行IP3XD試驗。

2.9 新增相似樣品的選擇及其試驗的有效性評價

電弧試驗應(yīng)在代表性的成套設(shè)備上，且在最繁復(fù)位置的每一個代表性功能單元上進行。鑒于功能單元和組件的類型、額定值及可能組合的多樣性，在所有布置上進行電弧試驗不現(xiàn)實，任何特殊布置的性能都能由可比較設(shè)計的試驗結(jié)果證實。并可認(rèn)為在以下方面與試驗單元相同：①尺寸；②外殼的結(jié)構(gòu)和強度；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)時間進行的試驗包含相同或更低的短路電流、工作電壓和持續(xù)時間。

3 結(jié)論

從新舊標(biāo)準(zhǔn)的變化來看，無論是在試驗還是在結(jié)果的評價上，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，特別是新增的電弧情況下低壓成套設(shè)備的分類、電弧引燃防護區(qū)及相似樣品的選擇及有效性評價等內(nèi)容，進一步完善了低壓成套設(shè)備產(chǎn)品進行內(nèi)部故障引弧試驗的檢測需求。

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[9] GB/Z 18859—2002. 封閉式低壓成套開關(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導(dǎo)則[S].

[10] GB/T 18859—2016. 封閉式低壓成套開關(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導(dǎo)則[S].