化工厂配电线路电弧故障断路器有效性的测试研究

赵新伟 吴锋

摘 要：电弧故障短路器能监测线路中电弧故障，其通过电弧特性判断监测串联及并联电弧，在电弧引起火灾前切断电源。本文对电弧断路器在化工厂设备与低压配电线间的适用性进行分析，并通过人为产生电弧的方式对四种电弧断路器的性能进行测试，考虑跳脱比例与误动作比例，电弧故障断路器能适用于化工厂低压配电系统，通过对电弧断路器动作原理的探讨分析，为国内研究及开发电弧断路器提供参考。

关键词：电弧断路器；电弧故障；低压配电；电弧火灾

为维护化工厂用电安全，常在低压配电线路中安装过电流及过载保护装置，在短路或过载时切断电源，避免电弧故障引起火灾。电弧故障断路器对线路中正常的电弧，如开关启动、插拔插座时的电弧不会产生跳脱。电弧故障断路器在国内的推广使用，将进一步减小室内火灾的发生，保护居住安全。

对于电弧故障断路器的推广使用，必须掌握其特性与适用条件。基于此，本文对电弧故障断路器动作特性的测试技术，评估发生电弧故障时电弧故障断路器能否有效切离电源的有效性进行了分析，降低因用电不安全而造成生命财产的损失。

1 电弧故障断路器测试規则

一般化工厂低压线路中发生的电弧可分为正常操作下产生的电弧，如插拔电器插头时产生的电弧；线路上故障时产生的电弧，包括串联故障电弧和并联故障电弧。根据故障情况，并联故障电弧可细分为线对线故障电弧和线对地故障电弧。电弧的高温能引燃周围的可燃物质，造成火灾的意外事故。

电弧故障短路器能在监测到电弧故障发生时，断开电路停止供电，以保护用电安全。结合型电弧故障短路器能监测串联电弧与并联电弧，且具有漏电断路器与过载保护器的作用。对结合型电弧故障短路器进行测量时，应测量以下几种故障：1）在发生串联及并联电弧故障时，电弧故障短路器能否及时跳脱切断电源，达到保护效果。2）在无电弧事故、一些特殊负载及正常电弧状态时，电弧故障短路器是否会发生误跳脱动作。

2 电弧故障断路器测试方法

制造串、并连电弧以测试电弧故障短路器的动作情况。测试时应考虑电弧故障的类型、负载电流大小、导线长度、导线截面积及负载条件等。测试负载正常操作产生电弧时，电弧故障短路器是否会动作。并进一步考虑配线、负载及滤波器等电路特性，对电弧故障短路器动作的影响。包括：长距离导线测试、滤波器测试、导线弯曲测试、混合负载测试。

对串联电弧故障测试的步骤，具体如下：首先检查电路是否正确无误，避免人身伤害，确保实验正确。再将电弧机两导体慢慢靠近至导通状态，代表电路中发生串联电弧的工况。确认电路无误后投入电弧故障短路器与负载间的开关，最后启动负载及操作电弧机使之产生电弧，记录电压与电流波形及电弧故障短路器动作情况。

并联电弧故障测试则包括：首先检查试验电路是否正确，并打开示波器存储波形。然后，将电弧故障短路器打开投入电路，随后闭合负载开关。最后将两端导体慢慢分开产生电弧，如果导体间开路而断弧，调整两端导体慢慢接近使电弧产生，重复以上步骤。如果电弧故障短路器跳脱，示波器停止记录波形；如果电弧故障短路器未跳脱，示波器也停止并记录波形。

3 测试结果与分析

在串联电弧故障实验与电弧故障短路器跳脱次数及比例中，包括所有串联电弧故障实验时（含5A以下负载），故障实验共200项，每项实验共有5次，串联电弧故障实验次数共1000次，全部电弧故障短路器跳脱次数为440次，跳脱百分比为44%。如果只取5A以上负载的数据计算，串联电弧故障实验次数共880次，全部电弧故障短路器跳脱440次，百分比为50%。经过对串联电弧故障实验数据整理，可得到如下结果：

1）激波电流与非正弦电流并不会造成电弧故障短路器的误动作。在正常用电操作下产生的电弧实验中，电弧故障短路器发生2次跳脱，仅占总实验次数500次的0.4%。

2）如果负载电流太小时，电弧故障短路器不易跳脱，电弧故障短路器监测串联电弧故障时，电流需大于5A。

3）在使用50 m长导线实验中，采用绞线时电弧故障短路器跳脱次数比采用单芯线次数多，且线径越大跳脱次数越多。

4）较长导线及使用滤波器会影响电弧故障短路器监测电流信号的能力，使电弧故障短路器不易跳脱。

5）导线弯曲与混合负载，皆不影响电弧故障短路器动作，火线与中性线反接，并不影响电弧故障短路器动作。

在并联电弧故障实验中，电弧故障短路器跳脱的因素可能因监测并联电弧而跳脱，或因短路过载而跳脱，需做区别探讨。在测试电弧故障短路器因短路过载电流的动作时，将电弧发生器前端短路，使有持续75A的电流通过电弧故障断路器。而电弧故障断路器短路过载时最短的跳脱时间为1.83 s，最常的为7.03 s。

在并联电弧故障实验中电弧故障断路器皆能动作，此外电弧故障断路器也可以在短路过载时跳脱，是电弧故障断路器在并联故障上有提供比较周全的保护功能。在64例故障实验中，每项实验测试5次，总实验次数为320次。电弧故障断路器跳脱次数合计为300次，均对并联电弧故障非常灵敏，使跳脱百分比均为九成以上。

4 结论

对于起弧造成电弧故障断路器跳脱时的电流，可能造成电弧故障断路器跳脱的条件说明如下：

1）UL中提到在0.5秒内，连续起弧时间达8次一半电力周期以上。

2）电流持续变动，并有矩形现象。

3）起弧时电流过电弧故障断路器的电流达到5A以上，有变动高频成分。

对低压配电线路进行电弧故障实验时，测试电弧故障断路器的功能，一共进行的377项实验中，其中串联电弧故障部分200项，并联电弧故障部分64项，每项实验均重复测试5次。合计电弧故障断路器的成功跳脱百分超过50%，对并联电弧故障的成功跳脱百分超过90%。因此合并电弧故障断路器保护功能与传统线路断路器可进一步防止电气火灾。因此期望电弧故障断路器未来能应用在国内电气火灾预防上，以增加用电安全防护。