試論低壓成套開關(guān)設(shè)備短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)方法

杜然瓏，戴宇飛，張曉戈，張?chǎng)?，劉?/p>

（1.天津電氣科學(xué)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(shè)備發(fā)生短路故障會(huì)引起很大的電動(dòng)力并產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)線路和成套設(shè)備造成極大的危害，可能使設(shè)備受到破壞或產(chǎn)生永久性變形，試驗(yàn)室按照低壓成套開關(guān)設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低壓成套開關(guān)設(shè)備短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)部分包括兩個(gè)方面：額定限制短路電流Icc和額定短時(shí)耐受電流Icw試驗(yàn)，下面對(duì)這兩類試驗(yàn)先簡(jiǎn)要介紹相關(guān)參數(shù)的含義，再進(jìn)行試驗(yàn)方法的分析和探討。

1 低壓成套開關(guān)設(shè)備短路試驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)參數(shù)含義

（1）短路電流（Ic）：由于電路中的故障或錯(cuò)誤連接引起的短路所產(chǎn)生的過(guò)電流。（2）預(yù)期短路電流（Icp）：在盡可能接近成套設(shè)備電源端，用一根阻抗可以忽略不計(jì)的導(dǎo)體使電路的供電導(dǎo)體短路時(shí)流過(guò)的電流有效值。（3）短時(shí)耐受電流（Icw）：在成套設(shè)備中能承受相當(dāng)電流的沖擊并保證觸頭在一定時(shí)間內(nèi)保持閉合且開關(guān)無(wú)損傷，這個(gè)電流就是短時(shí)耐受電流。（4）額定限制短路電流（Icc）：成套設(shè)備制造商宣稱的在規(guī)定條件下在短路保護(hù)器件（SCPD）全部動(dòng)作時(shí)間內(nèi)（斷開時(shí)間）能夠承受的預(yù)期短路電流。

2 低壓成套開關(guān)設(shè)備短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)方法

對(duì)于所有短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)，都要首先進(jìn)行預(yù)期短路電流的測(cè)定，具體安排如下：在成套設(shè)備供電的導(dǎo)體即短路試驗(yàn)電源處提供一試驗(yàn)電壓等于1.05 倍額定工作電壓，并在盡可能靠近成套設(shè)備的輸入電源處用合適的導(dǎo)線或銅排做短封處理。通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)電路中的高壓阻抗來(lái)獲得短路預(yù)期電流，使其等于給出的額定短時(shí)耐受電流、額定峰值耐受電流或額定限制短路電流。試驗(yàn)電流波形應(yīng)滿足峰值和有效值對(duì)應(yīng)關(guān)系：即短路峰值電流通過(guò)系數(shù)n 乘以短路電流的有效值得到，有關(guān)系統(tǒng)n 標(biāo)準(zhǔn)值以及有關(guān)功率因數(shù)參考GB 7251.1-2013/IEC 61439-1：2011 表7。

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

進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，需要短路試驗(yàn)的成套設(shè)備應(yīng)正常安裝。如果有相同的功能單元，只選取對(duì)試驗(yàn)來(lái)講最嚴(yán)苛的一個(gè)功能單元做短路。同理，假如母線的配置有相同的結(jié)構(gòu)，僅對(duì)一個(gè)母線進(jìn)行短路即可。假如試驗(yàn)電路中有熔斷器，則應(yīng)選用額定電流最大的熔芯，而且，應(yīng)該選擇制造商指定的熔斷器。試驗(yàn)連接導(dǎo)線和短路連接線一般用絕緣母線夾或其他絕緣材料（如環(huán)氧玻璃布板）支撐固定，以保證有足夠的短路耐受強(qiáng)度，不會(huì)給成套設(shè)備，也就是試品造成任何附加的應(yīng)力。如果沒(méi)有特殊要求，試驗(yàn)電路的三相電源應(yīng)接到成套設(shè)備的進(jìn)線端上。另外，需要一直徑為0.8mm，長(zhǎng)度不小于50mm 的銅絲連接在與保護(hù)導(dǎo)體連接的設(shè)備的所有部件（包含金屬外殼）與電源中性點(diǎn)之間，用來(lái)檢測(cè)故障電流。需要注意的是，如果是三相三線系統(tǒng)，銅絲需要與對(duì)地電弧可能性最小的相導(dǎo)體和外殼相連，這樣，一旦其他兩相中的任意一相對(duì)外殼發(fā)生放電，產(chǎn)生電弧，會(huì)立即接通檢測(cè)故障電流的回路，使銅絲熔斷。

3 低壓成套開關(guān)設(shè)備常見短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)分析

3.1 通用要求

（1）對(duì)于主電路試驗(yàn)，有以下3 種情況：①成套開關(guān)設(shè)備內(nèi)沒(méi)有SCPD。對(duì)成套設(shè)備進(jìn)行額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流試驗(yàn)。②成套開關(guān)設(shè)備內(nèi)有SCPD。用預(yù)期進(jìn)線短路電流對(duì)成套設(shè)備進(jìn)行額定限制短路電流試驗(yàn)。③制造商指定在成套開關(guān)設(shè)備外部有上一級(jí)SCPD。應(yīng)在成套開關(guān)設(shè)備進(jìn)線前串入相關(guān)SCPD，再進(jìn)行額定限制短路電流試驗(yàn)。

如果進(jìn)線或出線電路包含SCPD，其可調(diào)短路脫扣器應(yīng)整定在最大延時(shí)時(shí)間和相應(yīng)于指定預(yù)期短路電流的電流整定值。這樣，做本回路Icw試驗(yàn)時(shí)，保證在最大延時(shí)時(shí)間內(nèi)不動(dòng)作；做本回路Icc試驗(yàn)時(shí)，保證不跳閘。

試驗(yàn)結(jié)果判定：試驗(yàn)后，母線和導(dǎo)體的變形是允許的，但電氣間隙和爬電距離應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。成套設(shè)備的母線或結(jié)構(gòu)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(yīng)視為不合格。由于短路試驗(yàn)造成的外殼或內(nèi)部擋板變形不能削弱其防護(hù)等級(jí)，否則，認(rèn)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(xiàn)裂縫。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)具體情況，嚴(yán)格的做法是附加工頻試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為2 倍Ue且不小于1kV，試驗(yàn)部位如下：a.成套設(shè)備所有帶電部件和外露可導(dǎo)電部件之間；b.每一極和被連接到成套設(shè)備外露可導(dǎo)電部分的所有其他極之間。導(dǎo)線連接件不應(yīng)松動(dòng)。檢測(cè)故障電流的銅絲不應(yīng)熔斷。

（2）對(duì)保護(hù)電路試驗(yàn)，成套設(shè)備應(yīng)與地絕緣。然后把單相電源一端連接到一相進(jìn)線端子（注意選擇相導(dǎo)體的原則是最靠近保護(hù)導(dǎo)體的相導(dǎo)體），另一端連接到進(jìn)線保護(hù)導(dǎo)體的端子上。在每個(gè)有代表性的出現(xiàn)單元的出線相端子和相關(guān)的出現(xiàn)保護(hù)導(dǎo)體的端子之間進(jìn)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(yàn)電流值為成套設(shè)備三相試驗(yàn)相電流的60%。

試驗(yàn)結(jié)果判定：目測(cè)保護(hù)電路不應(yīng)遭受嚴(yán)重破壞。對(duì)相關(guān)出線單元通以額定電流以驗(yàn)證保護(hù)電路連續(xù)性。由于短路試驗(yàn)造成的外殼或內(nèi)部擋板變形不能削弱其防護(hù)等級(jí)。電氣間隙或爬電距離不應(yīng)減小到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值以下。

3.2 額定限制短路電流Icc 試驗(yàn)

此試驗(yàn)主要考核電路中的短路保護(hù)電器SCPD。在試驗(yàn)電路中，對(duì)于額定電流不大于630A 的SCPD，出線端子短路連接的導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)為0.75m；對(duì)于額定電流大于630A 的SCPD，短路導(dǎo)線長(zhǎng)度不做要求。如果由初始制造商指定，短封導(dǎo)線長(zhǎng)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(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)電壓應(yīng)維持足夠長(zhǎng)時(shí)間，以便SCPD 切斷短路故障電流，在任何情況下，短路時(shí)長(zhǎng)應(yīng)至少為10 個(gè)周期。試驗(yàn)要在額定電壓下進(jìn)行。

3.3 短時(shí)耐受電流以及峰值耐受電流試驗(yàn)

第一，進(jìn)行短時(shí)耐受電流試驗(yàn)，主要目的是測(cè)量在部分特殊情況下的開關(guān)電氣設(shè)備，發(fā)生短路故障時(shí)，在電路不進(jìn)行分?jǐn)嗟那疤嵯率欠窨梢猿袚?dān)短時(shí)間、大電流產(chǎn)生的電動(dòng)力以及熱效應(yīng)，而且仍舊可以保持良好性能。

短路電流會(huì)形成較大的熱與電動(dòng)力效應(yīng)，所以會(huì)發(fā)生絕緣破壞、導(dǎo)體變形、電器元件損壞等問(wèn)題。在線路中裝置的電器在發(fā)生短路故障的較短時(shí)間內(nèi)，會(huì)經(jīng)受一定的短路電流且不被破壞。電器在通過(guò)短路故障電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)與電動(dòng)力效應(yīng)，而且會(huì)同時(shí)作用于電器：（1）有關(guān)電動(dòng)力效應(yīng)會(huì)在電器動(dòng)、靜觸頭之間形成的斥力，導(dǎo)致觸頭增大接觸電阻，增大觸頭發(fā)熱，也就是增加了熱效應(yīng)。（2）熱效應(yīng)能夠降低電器全部載流部件自身的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而削弱了耐受電動(dòng)力程度。由此可見，熱穩(wěn)定性以及電動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行最重要。短耐試驗(yàn)就是對(duì)成套開關(guān)設(shè)備熱穩(wěn)定性與電動(dòng)穩(wěn)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(shí)耐受電流或者是峰值耐受電流試驗(yàn)過(guò)程中，要是試驗(yàn)站無(wú)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(shí)，實(shí)際電流應(yīng)等于額定短時(shí)耐受電流或峰值耐受電流。這是因?yàn)樵?.05 倍額定電壓下，實(shí)驗(yàn)室短路容量不足，做高電壓大短路電流時(shí)，輸出不了那么大的功率。成套設(shè)備制造商也期望實(shí)際短路電流等于額定短時(shí)耐受電流或峰值耐受電流。這就要求我們調(diào)節(jié)預(yù)期短路電流時(shí)，要接上成套設(shè)備，以滿足實(shí)際電流輸出的需要。

對(duì)主母線進(jìn)行驗(yàn)證額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流時(shí)，短路點(diǎn)應(yīng)選擇包括主母線長(zhǎng)度在內(nèi)的長(zhǎng)度為2m±0.4m處。如長(zhǎng)度小于1.6m，則應(yīng)試驗(yàn)整個(gè)母線的全長(zhǎng)，短路點(diǎn)選擇最末端。

對(duì)配電母線進(jìn)行驗(yàn)證額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流時(shí)，短路點(diǎn)應(yīng)選擇在配電母線最末端，保證短路試驗(yàn)動(dòng)熱穩(wěn)定考核最重要。

對(duì)中性導(dǎo)體，選擇與它最接近的相導(dǎo)體（包括任何一個(gè)連接點(diǎn)）進(jìn)行短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)。中性導(dǎo)體的試驗(yàn)電流至少為三相試驗(yàn)時(shí)相電流的60%。

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行短時(shí)耐受電流試驗(yàn)，應(yīng)選用最大工作電壓與適合的電壓進(jìn)行試驗(yàn)，其中適合電壓條件下的結(jié)果更重要。針對(duì)型式試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定，唯有在試驗(yàn)過(guò)程中保護(hù)裝置出現(xiàn)瞬間觸點(diǎn)分離時(shí)，應(yīng)采用最大工作電壓展開再次試驗(yàn)。而驗(yàn)證額定限制短路電流必須在額定電壓下進(jìn)行，持續(xù)的試驗(yàn)時(shí)間需依據(jù)操作規(guī)程中要求的時(shí)間，要是無(wú)法確定試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間應(yīng)確保斷路保護(hù)器動(dòng)作。