張學(xué)軍

摘要：短路耐受強(qiáng)度是低壓綜合配電箱安全性能的重要指標(biāo)之一，也是監(jiān)督檢查的重點(diǎn)項(xiàng)目，文中結(jié)合檢驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)和對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的理解，深入分析JP柜的短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)方法，分析影響該項(xiàng)目不合格的主要因素，并對(duì)JP柜中斷路器的選型和短路強(qiáng)度性能改善等方面提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：低壓綜合配電箱（JP柜）；斷路器；短路耐受強(qiáng)度

Technical Analysis of Short-circuit Withstand Strength of Low-voltage Integrated Distribution Box

ZHANG Xuejun

（ Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350002， Fujian， China ）

Abstract： Short-circuit withstand strength is one of the important indicators for evaluating the safety performance of low-voltage integrated distribution box， and it is also a key item of supervision and inspection. This paper， based on the work experience of inspection and the understanding of product standards， delves into the short-circuit withstand strength test method of JP cabinet and analyzes the main factors affecting the disqualification of the project， and puts forward relevant suggestions on the selection of circuit breaker in JP cabinet and the improvement of short-circuit strength performance.

Key Words： Low-voltage integrated distribution box （JP cabinet）; Circuit breaker; Short circuit withstand strength

0引言

低壓綜合配電箱（以下簡(jiǎn)稱“JP柜”）是指安裝于柱上變壓器的低壓出線側(cè)，由低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置、電能表、避雷器等元件組成的低壓成套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)配電、安全保護(hù)、無(wú)功補(bǔ)償、計(jì)量等多種功能。一般箱體采用不銹鋼材質(zhì)，布置在戶外能夠防雨、防塵，防電磁干擾，并且有足夠的強(qiáng)度。由于和變壓器的容量形成固定配合，布置到現(xiàn)場(chǎng)十分便捷，在農(nóng)村和城鄉(xiāng)結(jié)合部等地方得到廣泛的應(yīng)用。

短路耐受強(qiáng)度是JP柜安全性能的重要指標(biāo)之一，該項(xiàng)目也是國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)于JP柜質(zhì)量監(jiān)督檢查的重點(diǎn)項(xiàng)目。文中深入分析JP柜的短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)方法，分析影響該項(xiàng)目的主要因素，并對(duì)改善短路強(qiáng)度性能提出了相應(yīng)的建議，對(duì)于促進(jìn)JP柜安全運(yùn)行，促進(jìn)質(zhì)量提升具有重要的意義。

1短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)方法[1]

文中提到的JP柜短路耐受強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)依照GB/T 7251.1-2013執(zhí)行，應(yīng)能耐受不超過(guò)額定值的短路電流所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和電動(dòng)應(yīng)力，對(duì)于JP柜中無(wú)功補(bǔ)償容量不小于150kvar時(shí)[2]，其主電路的額定短時(shí)耐受電流應(yīng)不小于15kA。

JP柜中主電路一般有3種保護(hù)方案：1）不依賴于短路保護(hù)電器；2）依賴于成套設(shè)備中進(jìn)線短路保護(hù)電器；3）依賴于上一級(jí)短路保護(hù)電器。不管用上述的一種或者幾種保護(hù)方案，主電路都應(yīng)該達(dá)到額定值的短路電流引發(fā)的最大熱應(yīng)力和電動(dòng)應(yīng)力。

對(duì)于有主母線的成套開(kāi)關(guān)設(shè)備[3]，還應(yīng)檢驗(yàn)主母線和至少含一個(gè)擬向外延伸母線接點(diǎn)的進(jìn)線電路的短路耐受強(qiáng)度，試驗(yàn)中短路點(diǎn)應(yīng)選擇包括主母線在內(nèi)的長(zhǎng)度應(yīng)為2m±0.4m處，對(duì)于常用的JP柜，主母線長(zhǎng)度一般小于1.6m，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該驗(yàn)證整條母線，短路點(diǎn)設(shè)置在母線的末端。短路強(qiáng)度試驗(yàn)除了測(cè)試主電路母線外，還需要測(cè)試中性導(dǎo)體和最靠近相導(dǎo)體之間的短路耐受強(qiáng)度，試驗(yàn)電流是相電流的60%。

為了驗(yàn)證保護(hù)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備保護(hù)電路的連續(xù)性，將單相試驗(yàn)電源一極連接到一相的進(jìn)線端子上，另一極連接到進(jìn)線保護(hù)導(dǎo)體的端子上，成套設(shè)備的框架應(yīng)與地絕緣，試驗(yàn)電壓為1.05倍額定工作電壓的單相值。每一個(gè)出線回路都要進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)電流值應(yīng)至少為成套設(shè)備三相試驗(yàn)期間相電流的60%。

2? JP柜短路強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)分析

2.1 選用的JP柜參數(shù)

文中選取JP柜的無(wú)功補(bǔ)償容量為400KVA，配電回路的配置為一進(jìn)兩出，其進(jìn)線主電路都選取了額定電流為800A的塑料外殼式斷路器，出線回路選取額定電流均為400A的塑料外殼式斷路器和隔離開(kāi)關(guān)組合。

在短路強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，依次對(duì)JP柜的進(jìn)線開(kāi)關(guān)和各個(gè)功能單元的進(jìn)出線進(jìn)行短路強(qiáng)度的驗(yàn)證。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法，試驗(yàn)施加短路電流15kA，試驗(yàn)過(guò)程中采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)式采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。柜內(nèi)短路點(diǎn)及分布如圖1所示。

2.2 母線短路耐受強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定應(yīng)對(duì)有主母線的成套設(shè)備進(jìn)行短路耐受強(qiáng)度的試驗(yàn)驗(yàn)證，如果一組母線是由不同母線段構(gòu)成，則每段要分別進(jìn)行試驗(yàn)，文中研究的JP柜都是采用相同的水平母線結(jié)構(gòu)。母線進(jìn)行短時(shí)耐受能力驗(yàn)證試驗(yàn)后，母線和導(dǎo)體的變形是允許的，但是電氣間隙和爬電距離應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并且母線和柜體結(jié)構(gòu)的變形不應(yīng)使正常使用者受到損害，不能造成柜體不滿足相應(yīng)的防護(hù)等級(jí)要求，其母線支撐件不應(yīng)出現(xiàn)裂縫，不應(yīng)碎裂成多塊。

文中選取JP柜主母線采用60mm×6mm的銅排，銅排水平安裝，長(zhǎng)邊相對(duì)，中心距離60mm，母線長(zhǎng)度0.4m，母線中流過(guò)的短路電流為15kA，三相交流電的最大短路電動(dòng)力一定是沖擊短路電流峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，此時(shí)邊上兩相受到的最大電動(dòng)力是2.65倍穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)力，而中間相受到的最大電動(dòng)力為2.8倍穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)力，是周期性搖擺的電動(dòng)力。查界面系數(shù)曲線[4]，因?yàn)椋ㄣ~排中心距-銅排厚度）/（銅排厚度+銅排寬度）=（60-6）/（60+6）=0.81，取截面系數(shù)Kc為0.85。此時(shí)計(jì)算中間相電動(dòng)力如式（1）。

由式（1）可見(jiàn)，中間相受到的最大短時(shí)電動(dòng)力有將近2KN，比較常見(jiàn)的故障是將銅排固定在柜體的絕緣子出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，有部分生產(chǎn)廠家因?yàn)楣?jié)省成本，采用不飽和樹(shù)脂制成的絕緣子，甚至?xí)霈F(xiàn)全部脫落的現(xiàn)象，短路故障發(fā)生時(shí)，失去絕緣子控制的銅排會(huì)甩到殼體或者其他帶電導(dǎo)體上，造成二次短路故障。

從多次測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，戶外型JP柜普遍采用厚度約為2mm的不銹鋼柜體，四周具有固定鋼筋，整體結(jié)構(gòu)比較牢固，即使是內(nèi)部發(fā)生較嚴(yán)重短路故障，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后殼體變形較大的情況，也很少發(fā)現(xiàn)因?yàn)槎搪饭收希斐赡概胖g或母排對(duì)殼體之間的電氣間隙和爬電距離達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況。

2.3功能單元短路強(qiáng)度驗(yàn)證

功能單元短路強(qiáng)度是為了驗(yàn)證電路中的斷路器遇到短路電流時(shí)的保護(hù)性能。在試驗(yàn)電路中，對(duì)于額定電流小于或等于630A的斷路器，連接導(dǎo)線進(jìn)出線長(zhǎng)度為0.75m，導(dǎo)線截面積依據(jù)GB/T 7251.1-2013中表11和表12選擇。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)電壓應(yīng)在1.05倍額定工作電壓下進(jìn)行，且應(yīng)維持足夠長(zhǎng)時(shí)間，以便斷路器切斷短路電流后，恢復(fù)電壓能夠持續(xù)維持在電路上，以測(cè)試短路電流分?jǐn)嗪髸?huì)不會(huì)引起故障重燃，為此整個(gè)通電試驗(yàn)過(guò)程通常要設(shè)定在持續(xù)時(shí)間為200ms以上。

短路試驗(yàn)過(guò)后，柜內(nèi)各功能單元會(huì)產(chǎn)生的失效現(xiàn)象主要有以下幾種情況：

1）部分?jǐn)嗦菲鞑荒苷７謹(jǐn)嚯娐?，造成短路電流在斷路器?nèi)部產(chǎn)生較大的電動(dòng)力和熱效應(yīng)，試驗(yàn)的波形如圖2所示，短路電流會(huì)產(chǎn)生局部上千度的高溫，很容易造成斷路器觸頭的熔焊、外殼的熔化變形等問(wèn)題。

2）有的電路斷路器分?jǐn)鄷r(shí)金屬顆粒噴濺到殼體上引起單相對(duì)地短路，噴濺到相鄰相引發(fā)相間短路等二次故障，試驗(yàn)波形如圖3所示，斷路器在20ms左右的時(shí)間已經(jīng)分?jǐn)嚯娐?，但是此時(shí)飛濺的金屬顆粒噴到其他相發(fā)生相間短路，短路釋放出巨大能量，短時(shí)間內(nèi)快速熔化銅排，灼傷殼體內(nèi)壁，并時(shí)常伴隨產(chǎn)生明火和濃煙，嚴(yán)重危害用電安全。

3）JP柜的出線回路大部分都是采用自動(dòng)重合閘的漏電斷路器，這種產(chǎn)品在原有塑殼式斷路器的外殼上要加裝塑料外殼，用于包裹自動(dòng)重合閘的電機(jī)和漏電控制等模塊，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)因?yàn)橥鈿みx用材質(zhì)比較脆，在短路電流產(chǎn)生的短路能量的巨大沖擊力下，發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)于就地操作斷路器的人員有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4）因?yàn)镴P柜內(nèi)空間有限，斷路器安裝的時(shí)候靠頂棚較近，斷路器分?jǐn)嗟倪^(guò)程中形成的電弧在柜體內(nèi)移動(dòng)，柜內(nèi)其他地方相間或者相對(duì)地距離比較小的位置，就有可能發(fā)生二次短路故障。

3 分析與建議

綜合上述試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的分析，針對(duì)JP柜的柜型特征，建議采用以下措施改善JP柜的短路強(qiáng)度性能：

1）采用注塑型絕緣子或者更高機(jī)械強(qiáng)度的絕緣子，避免發(fā)生短路故障的情況下引發(fā)絕緣子機(jī)械強(qiáng)度不夠裂開(kāi)的情況。

2）選用自動(dòng)重合閘漏電斷路器的時(shí)候，選擇外殼材料不能太脆。由于JP柜空間有限，要兼顧配電、安全保護(hù)、無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ艿囊?，飛弧距離長(zhǎng)的斷路器在柜內(nèi)發(fā)生二次短路故障的概率就高，最好選用零飛弧的產(chǎn)品。根據(jù)JP柜安裝位置需要采用下進(jìn)線的時(shí)候，還需要選擇能夠適應(yīng)下進(jìn)線的斷路器。

3）JP柜出廠檢查時(shí)，對(duì)斷路器進(jìn)出線銅排連接處和母排連接的末端，特別注意檢查銅排上是否帶有毛刺，是否有安裝過(guò)程中遺漏的導(dǎo)線或者螺釘落在銅排上，銅排靠近殼體的距離是否滿足電氣間隙的要求等。

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