GB 7251.12中成套電力開關(guān)和控制設(shè)備試驗(yàn)分析

牟聿強(qiáng)，王姜驊，盧林，張文征，戴銘，高永樂

（1.天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津300180；2.中國質(zhì)量認(rèn)證中心，北京100070）

《GB 7251.1—2013/IEC 61439—1：2011 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第一部分：總則》［1］以及《GB 7251.12—2013/IEC 61439—2：2011 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第二部分：成套電力開關(guān)和控制設(shè)備》［2］已于2013-12-31發(fā)布。其代替版本為《GB 7251.1—2005/IEC 60439—1：1999 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第一部分：型式試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)成套設(shè)備》［3］。本文第一部分?jǐn)⑹隽薌B 7251.12 針對替代版本中增加和變化的試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)各個試驗(yàn)的特點(diǎn)給出一種建議性的試驗(yàn)順序。本文的第二部分針對變化較大的溫升試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述并給出一個溫升試驗(yàn)案例。最后對影響溫升結(jié)論的各種因素進(jìn)行了分析并給出了優(yōu)化方案。（GB 7251.1—2013 有3 種驗(yàn)證方式，本文僅討論試驗(yàn)驗(yàn)證verification test）。希望得出的結(jié)論對廣大試驗(yàn)人員與成套設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)人員有所幫助。

1 GB 7251.12中的試驗(yàn)項(xiàng)目

GB 7251.1—2005 中的全部型式試驗(yàn)項(xiàng)目均包含于GB 7251.12—2013 中，GB 7251.12—2013對其替代版本進(jìn)行了試驗(yàn)的增加和變化。由于替代版本已施行多年，下面分別對增加和變化的項(xiàng)目進(jìn)行說明，對于相同的試驗(yàn)項(xiàng)目則不重述。

1.1 GB 7251.12新增的試驗(yàn)項(xiàng)目

GB 7251.12 對空殼體的要求與試驗(yàn)和IEC62208/GB/T 20641［4］基本等同，增加了針對殼體的以下試驗(yàn)：耐腐蝕、絕緣材料性能、耐紫外線、提升、機(jī)械碰撞、標(biāo)志。GB 7251.12 中也明確指出若殼體符合文獻(xiàn)［4］的要求并沒有進(jìn)行過降低外殼性能的更改則可免除材料方面的試驗(yàn)，事實(shí)上兩者之間有一定的差異。由于文獻(xiàn)［4］已發(fā)布并實(shí)施多年，下面敘述以上各項(xiàng)試驗(yàn)與文獻(xiàn)［4］的異同。

耐腐蝕性的嚴(yán)酷試驗(yàn)A與文獻(xiàn)［4］中9.12.1 a）相同。絕緣材料的外殼熱穩(wěn)定性試驗(yàn)與文獻(xiàn)［4］中9.8.1 相同。絕緣材料耐受非正常熱和著火的試驗(yàn)與文獻(xiàn)［4］中9.8.3 相同。提升試驗(yàn)與文獻(xiàn)［4］中9.4 相同。機(jī)械碰撞試驗(yàn)與文獻(xiàn)［4］中9.6相同。標(biāo)志試驗(yàn)與文獻(xiàn)［4］中9.2相同。

GB 7251.12中耐腐蝕試驗(yàn)嚴(yán)酷等級B為2個12 天合計(jì)24 天的存儲，每個12 天循環(huán)包含5 天濕熱循環(huán)與7 天鹽霧循環(huán)；文獻(xiàn)［4］中耐腐蝕為12 天濕熱循環(huán)和14 天鹽霧循環(huán)合計(jì)26 天的存儲。另外，GB 7251.12中絕緣材料耐紫外線的試驗(yàn)方法與文獻(xiàn)［4］中9.11 相同，不同處在于文獻(xiàn)［4］中9.11要求試驗(yàn)后增加灼熱絲試驗(yàn)。

1.2 有變化的試驗(yàn)項(xiàng)目

1.2.1 沖擊耐受電壓

關(guān)于沖擊耐受電壓GB 7251.12與文獻(xiàn)［3］在施加位置，可以用交流或直流代替方面是相同的。在試驗(yàn)電壓值方面有細(xì)微差別，比如：海平面當(dāng)額定沖擊耐受電壓為6 kV時文獻(xiàn)［2］的試驗(yàn)電壓為7.3 kV，而文獻(xiàn)［3］中為7.4 kV。表1給出了兩個標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)上的差別。

表1 沖擊耐受電壓試驗(yàn)要求比較Tab.1 Comparison of impulse withstand voltage test requirement

GB 7251.12 中提出了當(dāng)電氣間隙測量值大于要求值1.5 倍時可免除沖擊耐受電壓，同時可以用交流或直流電壓試驗(yàn)代替沖擊耐受電壓試驗(yàn)。文獻(xiàn)［5］指出固體絕緣耐受電壓應(yīng)力的能力必須通過電壓試驗(yàn)驗(yàn)證。固體絕緣對不同電壓有不同的耐受特性，而且不同電壓的傳播方式不同。本文認(rèn)為用沖擊耐受電壓試驗(yàn)進(jìn)行的絕緣配合是較優(yōu)的。

1.2.2 工頻耐受電壓

GB 7251.12 的工頻耐受試驗(yàn)電壓值與GB 14048系列標(biāo)準(zhǔn)一致。表2為兩個標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)上的差別。

表2 工頻耐受電壓試驗(yàn)要求比較Tab.2 Comparison of power frequency withstand voltage test requirement

1.2.3 防護(hù)等級

對于IPX1 而言GB 7251.12 放寬了試驗(yàn)條件，允許以移動滴水箱代替轉(zhuǎn)動試品。文獻(xiàn)［3］嚴(yán)格按IEC 60529/GB 4208的要求不允許移動滴水箱。

1.2.4 機(jī)械操作

GB 7251.12 對于機(jī)械操作的次數(shù)由文獻(xiàn)［3］的50次變?yōu)?00次。

1.2.5 電磁兼容

GB 7251.12 中電磁兼容對兩類環(huán)境的試驗(yàn)進(jìn)行了區(qū)分且試驗(yàn)比GB 7251.1—2005中都有增加。增加項(xiàng)目為IEC 61000—4—6，8，11。

1.3 建議性的試驗(yàn)順序

GB 7251.12中并沒有對試驗(yàn)順序進(jìn)行要求，考慮到某些試驗(yàn)的要求本段給出一個建議性的試驗(yàn)順序簡述如下。

GB 7251.12 中的絕緣配合試驗(yàn)包括沖擊耐受電壓、工頻耐受電壓、電氣間隙爬電距離測量，這些試驗(yàn)均以文獻(xiàn)［5］為依據(jù)。文獻(xiàn)［5］中規(guī)定在進(jìn)行試驗(yàn)前要對試品進(jìn)行溫度、濕度、機(jī)械沖擊等試驗(yàn)以模擬其可能處于的工作條件及運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等情況。而溫升、材料與部件強(qiáng)度、機(jī)械操作試驗(yàn)滿足了上述要求。短路試驗(yàn)由于其破壞性應(yīng)安排在最后一項(xiàng)。溫升試驗(yàn)?zāi)M試品正常工作條件下應(yīng)該考慮到抽出式單元動靜觸頭由于抽插情況帶來的磨損并導(dǎo)致接觸電阻變化對溫升的影響。最后防護(hù)等級未達(dá)要求的溫升試驗(yàn)被視為是無效的。

綜上，把所有試驗(yàn)分為4組，第1組為材料性能、機(jī)械操作、防護(hù)等級；第2組為溫升；第3組為絕緣配合；第4 組為短路。試驗(yàn)順序也按此排序?yàn)橐?。至于保護(hù)接地由于某些試驗(yàn)試前試后均需進(jìn)行則按各個試驗(yàn)要求進(jìn)行。

2 溫升試驗(yàn)

GB 7251.12 中增加了代表性功能單元與母線單元的定義以便于溫升方案的選擇。在外接導(dǎo)線方面增加了3 150～4 000 A 導(dǎo)體的尺寸。明確了溫升應(yīng)在控制電路線圈和主回路均達(dá)到平衡時測量。給出了電流的允差進(jìn)線試驗(yàn)電流的平均值應(yīng)在預(yù)期值的-0%和+3%之間。每相應(yīng)在預(yù)期值的±5%范圍內(nèi)。

與文獻(xiàn)［3］相比GB 7251.12增加了溫升試驗(yàn)方案為3 種，下面分別對這3 種方案進(jìn)行說明并給出一個案例。對于影響溫升的因素進(jìn)行分析并給出一些解決方案。

2.1 3種溫升試驗(yàn)方法

3 種溫升試驗(yàn)方法為：整個成套設(shè)備的驗(yàn)證——方法a）；分別驗(yàn)證各功能單元和整個成套設(shè)備——方法b）；分別驗(yàn)證各功能單元，主母線，配電母線和整個成套設(shè)備——方法c）。由于方法b）包含于方法c）中，故先介紹方法c）。

圖1 為某開關(guān)設(shè)備的1 次系統(tǒng)圖，各個功能單元以矩形表示代表一種或多種電器元件的組合，其額定電流標(biāo)于框內(nèi)。表3給出了完成溫升驗(yàn)證所需的各種測試電流方案。假定額定分散系數(shù)0.8。

圖1 例1主回路接線圖Fig.1 Example1 main circuit wiring diagram

2.1.1 方法c）

1）主母線通以其額定電流，電流流過主母線全長并包含所有連接點(diǎn)；進(jìn)行測試9。

2）配電母線在與出現(xiàn)單元隔離情況下通以額定電流，電流流過配電母線全長，當(dāng)主母線額定電流大于配電母線額定電流時，應(yīng)輸出附加電流保證兩者連接點(diǎn)達(dá)到主母線額定電流；進(jìn)行測試7，8。

表3 例1溫升試驗(yàn)電流值Tab.3 Example1 test current of temperature rise

3）每個功能單元單獨(dú)通以額定電流，當(dāng)主母線或配電母線額定電流大于功能單元額定電流，應(yīng)輸出附加電流保證兩者連接點(diǎn)達(dá)到主母線或配電母線額定電流；進(jìn)行測試3，4，5，6。

4）進(jìn)線電路通以額定電流，各出線功能單元通以它的額定電流乘以額定分散系數(shù)。進(jìn)行測試2。

2.1.2 方法b）

按2.1.1中3），4）進(jìn)行。

2.1.3 方法a）

成套設(shè)備的進(jìn)、出電路通以額定電流；進(jìn)行測試1。

2.1.4 出線電路試驗(yàn)電流之和大于進(jìn)線電流

上邊的例子沒有考慮到出線試驗(yàn)電流之和大于進(jìn)線試驗(yàn)電流的情況。圖2為一個開關(guān)設(shè)備的試驗(yàn)方案，方框中為其試驗(yàn)電流。此時無論是方法c）的4）還是方法a）均需要分解為若干測試進(jìn)行。分解的方法為出線回路根據(jù)進(jìn)線或配電母線額定電流分為幾組至少保證一個分組包含了所有不同的功能單元。具體的測試電流見表4。

圖2 例2主回路接線圖Fig.2 Example 2 main circuit wiring diagram

表4 例2溫升試驗(yàn)電流值Tab.4 Example2 test current of temperature rise

2.2 溫升試驗(yàn)方法的評價

方法a）要求的測試次數(shù)最少，但試驗(yàn)安排會比需要的更嚴(yán)酷。方法b）考慮了出線電路負(fù)載的分散系數(shù)適用于多數(shù)場合。然而，如方法a），結(jié)果只適用于成套設(shè)備特殊布置。方法c）要求比方法a）和b）進(jìn)行更多的試驗(yàn)，它的優(yōu)勢在于可以驗(yàn)證模塊化系統(tǒng)而不是成套設(shè)備的特殊布置。

測試1，2 的負(fù)載施加在了水平位置，也可以施加在2個垂直母排處。要指出的是無論負(fù)載如何進(jìn)行選擇，測試1，2 均不會如測試7，8 那樣驗(yàn)證整個配電母線的額定電流，它們只能使配電母線的一部分達(dá)到其額定電流。

2.3 溫升影響因素

溫升的過程由發(fā)熱與耗熱兩方面決定。試驗(yàn)中發(fā)熱由試驗(yàn)電流產(chǎn)生熱量，一部分使導(dǎo)體溫度升高；另一部分散失到周圍空氣中經(jīng)過長時間過程達(dá)到穩(wěn)定。降低溫升的方法在于減小導(dǎo)體產(chǎn)生熱量或增加散失的熱量。

2.3.1 導(dǎo)體的長期發(fā)熱

溫升過程導(dǎo)體發(fā)熱為I2Ract，I為試驗(yàn)電流，試驗(yàn)中為恒定值，t為時間，Rac為導(dǎo)體交流電阻。可見減小導(dǎo)體發(fā)熱的方法為降低發(fā)熱電阻。Rac由以下幾個部分組成：導(dǎo)體直流電阻、集膚效應(yīng)附加電阻以及導(dǎo)體連接處接觸電阻。對于常用的矩形導(dǎo)體，從文獻(xiàn)［6］中可知對同截面積導(dǎo)體長寬比越大集膚系數(shù)越低，即Rac越小。

載流部件間的電氣連接有螺栓連接和壓板連接兩種。螺栓連接可靠性和適用性強(qiáng)。其不足是需要在導(dǎo)體上鉆孔，從而造成電流線畸變。與壓板連接方式相比其接觸壓力不規(guī)則，但仍被大量采用；壓板連接可使接觸壓力非常均勻，接觸面也平整，連接處的加緊裝置；因加大了散熱面積而利于冷卻。不足是費(fèi)用較高。

導(dǎo)體的接觸面應(yīng)清潔以避免氧化導(dǎo)致接觸電阻增加。實(shí)際中有些廠家將導(dǎo)體表面的麻面進(jìn)行處理，增加了接觸面積，減小了接觸電阻。在導(dǎo)體表面清潔之后，若在連接面涂抹導(dǎo)電膏后進(jìn)行連接，可有效增加接觸面積，降低接觸電阻。施加在接觸面的壓力越大接觸電阻越小，但當(dāng)壓力大于導(dǎo)體、螺栓、壓板的彈性極限時，由于發(fā)熱時導(dǎo)體與連接件的膨脹系數(shù)不同會導(dǎo)致導(dǎo)體變形。

2.3.2 熱量的散失

電熱量的散失主要為對流換熱和輻射換熱。同一安裝水平面上，矩形截面導(dǎo)體豎放的散熱要優(yōu)于橫放，但機(jī)械強(qiáng)度相反［6］。合理設(shè)計(jì)的通風(fēng)孔以及加裝風(fēng)扇都可以改善對流環(huán)境。涂有黑色無光澤油漆導(dǎo)體的輻射系數(shù)高于裸導(dǎo)體，其散熱速度快。導(dǎo)體之上加裝散熱片同樣可加快散熱。

影響溫升結(jié)果的因素有很多，諸多因素間又相互制約。降低溫升應(yīng)從設(shè)備全局統(tǒng)一考慮，在設(shè)備設(shè)計(jì)、選材、裝配等方面有探索和改進(jìn)的空間。

3 結(jié)論

本文介紹了GB 7251.12—2013 的試驗(yàn)項(xiàng)目。對比其代替版本GB 7251.1—2005給出了新增和有變化的試驗(yàn)內(nèi)容。按照各個試驗(yàn)的特點(diǎn)給出了一種建議性的試驗(yàn)順序。詳細(xì)介紹了溫升試驗(yàn)的方法并給出一個試驗(yàn)方案，對影響溫升的因素進(jìn)行了分析并給出了改進(jìn)建議。

［1］GB 7251.1—2013/IEC 61439—1：2011 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第一部分：總則［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［2］GB 7251.12—2013/IEC 61439—2：2011 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第二部分：成套電力開關(guān)和控制設(shè)備［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［3］GB 7251.1—2005/IEC 60439—1：1999 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：型式試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)成套設(shè)備［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4］GB/T 20641—2006/IEC 62208：2002 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備空殼體的一般要求［S］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［5］GB/T 16935.1—2008/IEC 60064—1：2007 低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第一部分：原理、要求和試驗(yàn)［S］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［6］范錫普.發(fā)電廠電器部分［M］.第2 版.北京：中國電力出版社，1995.