基于内部故障引弧试验的综合配电箱结构优化

曾作钦，郑立新，陈金汕，魏运明

（福建省产品质量检验研究院国家低压开关电器产品质量监督检验中心，福建福州350002）

低压开关柜（箱）的内部故障电弧是一种频发性、灾难性的严重故障。故障电弧一旦发生，便会辐射出巨大的声、光、电、热等能量，导致电力系统瘫痪、用电设备毁坏及人身伤亡[1-2]。据有关资料统计，由故障电弧引发的电气火灾占相当大的比例，并且有继续增大的趋势[3]。因此，研究如何减小开关柜内部故障电弧带来的危害，如何将危害减小到最低程度已逐渐成为行业关注的焦点。

现有的方法主要是通过传感器检测弧光、弧声、电压电流等信号，并对信号进行分析或与相应的设定值进行比较，判别是否产生故障电弧，从而提供适当的保护措施。文献[3]提出了利用积分值、均方根值、小波和频谱分析提取故障电弧特征信息，再用突变理论建立故障电弧判别模型，通过特征量信息融合判断故障电弧的情况；文献[4]通过对一系列光源的研究后，根据内部故障电弧的弧光特征，研发了一种故障电弧检测装置；文献[5]根据故障电弧放电声的频谱特性，提出了基于三层小波包分解的频带能量特征弧声识别算法，并构建了基于DSP的故障电弧预警系统；文献[6]通过研究故障电弧产生的物理过程及与电弧燃烧时间相关的特性，设计了一种限制电弧燃烧时间的保护装置。然而不同类型的开关柜在不同运行负荷时故障电弧发生时的弧光、弧声以及电压电流等信号千差万别，并且传感器的种类多，系统结构复杂，很难选取合适的界定值；另外，这些故障电弧的检测技术、保护装置多数处于研发后的尝试应用阶段，还没有大量应用于开关柜的实例或成熟产品。与此不同，本文以实际的一种开关柜内部故障引弧试验为基础，通过试验数据的分析总结并揭示发生故障电弧的薄弱点，提出简单实用的结构优化方案，从基本的结构改进着手，减小故障电弧带来的危害。

综合配电箱（符合标准GB 7251.12-2013、GB/T 15576-2008）是一种新型户外配电无功补偿综合箱，集电能分配、计量、保护、控制、无功补偿于一体，广泛应用于城网、农网改造、路灯照明、住宅小区等交流0.4 kV电压等级的配电系统，其质量的好坏直接影响配电网的安全和稳定。另外，它结构紧凑，内部空间狭小，常安装于高空中与变压器配套使用，操作检修极不方便[7]。因此，本文就以贴近民生用电的综合配电箱为研究对象，展开箱内产生故障电弧的薄弱点和结构优化方面的研究。

1 引弧试验的方法及评判

由中国质量认证中心制定的封闭式低压开关设备与控制设备内部故障引弧试验的相关认证规则CQC13-462216-2015已发布实施[8]，认证规则中指定的检验依据标准为GB/Z 18859-2002[9]，并规定引弧点的选择应使其生成的电弧效应在成套设备内产生最大压力，推荐的引弧点为[8]：

1）主进线开关的进线端；

2）主进线开关的出线端；

3）主母线末端；

4）出线开关的进线端（可选择1个或多个典型的出线开关）；

5）出线开关的出线端（可选择1个或多个典型的出线开关）；

6）配电母线末端；

7）其他（如母线间距最小处）。

一般情况下，至少选择引燃点1）—3）进行引弧试验。电弧持续时间按主回路保护电器的动作时间选择，通常为0.1～0.5 s，一般情况下取0.3 s，以便于保护高压设备的运行。电弧在整个试验持续时间不到一半时熄灭且没有再引燃，则应在同一引燃点上重复试验，如仍不能达到持续时间，则不必再重复试验。

在标准中，规定达到提供人身防护要求的封闭式低压开关柜的合格评判准则为[9]：

1）门、盖板等应处于正确的使用状态，且没有被打开；

2）可能引起危险的设备部件不能飞落（包括大的部件或有锋锐边缘的部件，如观察窗、压力释放阀、盖板等）；

3）电弧的燃烧或其他效应在成套设备外壳可自由触及的外表上不应造成孔洞；

4）垂直放置的指示器不应被点燃（因漆和粘着剂点燃指示器除外）；

5）成套设备外壳的可接近部件的保护电路仍然有效。

可见，如果综合配电箱的内部结构设计不合理，某隔室内的故障电弧就完全可能造成人员伤亡、设备损毁。

2 引弧试验的设计

综合配电箱的引弧试验需要用到能产生一定预期短路电流（可低于额定短时耐受电流）的试验系统，而本单位现有的通断试验系统完全可满足该要求，如图1所示。从图1中可见，引入的35 kV高压后，流经隔离开关QS、高压断路器QHV1和QHV2、冲击变压器TM、变压为0.4 kV的低压，再通过可调节电阻R、可调节电抗L的适当投切后，便可产生预期的短路电流，最后经过低压断路器QF到试验断口，便可对综合配电箱D进行引弧试验，该通断试验系统的短路能力为420 V、50 kA。

图1 试验系统原理图Fig.1 Principle diagram of the test system

图1中：TA为Rogowski线圈；TV1为线电压传感器；TV2为断口电压（相电压）传感器，采集的电压电流信号由数据采集系统记录、保存，而所有这些开关的操作和数据采集都是在独立的中央控制中心完成的。除了用到通断试验系统、数据采集系统等常规的短路试验设备外，还需用到一些辅助设施，如指示器、裸铜引燃线和安装固定设施等。其中，指示器由面积大约为150 mm×150 mm的黑色棉布片夹在相应尺寸的钢板安装框架中构成。

为了确保试验数据的可靠性，选用型号规格为380 V、630 A、90 kV·A，结构及主回路基本相似的综合配电箱进行试验。该规格配电箱的主回路如图2所示，由进线主开关QF，配电回路A1、A2及带有电力电容器的补偿回路组成，并根据经验采取了常用的故障电弧防护措施，例如：用隔板将各隔室分隔好；对门锁进行加固等。试验的进线点选为d，电弧引燃点考虑了全部的推荐点，分别为：1）主开关进线端d1；2）主开关出线端d2；3）主母排末端d3；4）A1回路进线端d4；5）A1回路断路器出线端d5；6）补偿回路进线端d6，如图2所示。

综合配电箱通常与变压器配套使用，安装在变压器下方或侧边，常采用下进线或侧进线。因此，为了尽可能接近正常使用状态，在试验安装布置时将其放置在平稳的绝缘支撑板上，再通过绝缘布带连接箱体的吊环，与地面的安装螺栓固定，现场安装布置如图3所示。

图3 引弧试验的安装布置Fig.3 Installation and arrangement of the arcing test

从图3中可见，综合配电箱与试验断口之间通过合适尺寸的导线连接，并对导线进行夹紧加固，在箱体四周可能喷出电弧的所有点（例如：接合处、检测窗、门）相距30 cm±5%的区域均垂直放置了指示器。

3 试验数据分析与结构优化

根据前面的试验方法、评判标准及试验设计随机选取6台型号规格相同、结构及回路相似的综合配电箱进行图2中所示引燃点d1～d6的引弧试验，试验条件为：试验电流Icc=15 kA，允许持续时间0.3 s；选用的铜引燃线尺寸为0.75 mm2。需要说明的是配电箱的主开关全部为塑料外壳式断路器，最大瞬时脱扣电流整定值为12In，因此，电弧持续时间均没有达到允许持续时间的一半（最长为44.7 ms），主开关就自动保护断开，所有引燃点都进行了2次的试验。最后，6台配电箱全部顺利通过引弧试验的考核，并满足第1节所列出的5个评判准则要求。下面对试验结果进行详细的讨论分析。

在电工电气领域常用焦耳积分I2t来表示实际通电时间或给定时间Δt内通过导体的电流所产生的能量，如式（1）所示。

式中：i表示电流的瞬时值。下面先来看看各引燃点在试验实际通电过程中产生的能量分布情况。图4所示为各引燃点采集到的三相电流波形中焦耳积分值最大那一相的焦耳积分值分布图，横坐标1—6对应图2的引燃点d1—d6，纵坐标为各引燃点的焦耳积分值，同时为了不出现混淆，将同一台配电箱的所有引燃点对应的焦耳积分值用直线相连，共6条曲线。从图4（a）中可见，全部的引燃点3即主母排末端位置因裸铜线引燃产生电弧的能量都相对比较大，焦耳积分值全部都超过1.0×106A2s，最大的值为2.5×106A2s。引燃点5和6即A1回路断路器出线端和补偿回路进线端位置次之，其中引燃点5有一个焦耳积分值大于1.0×106A2s，一个小于0.5×106A2s，其他散布在中间；而引燃点6有2个焦耳积分值大于1.0×106A2s，其他的全部小于0.5×106A2s。引燃点1、2、4位置产生电弧的能量都比较小、比较集中，全部都处于0.5×106A2s及以下。发生这样的情况并非偶然，从图4（b）中可以看到第二次试验的结果，与图4（a）中所描述的情况非常相似。

图4 各引燃点的最大焦耳积分值Fig.4 The maximum joule integral value of all ignition points

其中，焦耳积分值为2.5×106A2s的引燃点3，即主母排末端附近引弧试验后的状况，如图5所示。可以清楚地看到，主母排及分支母排的部分热缩套管裂开或烧毁，母排出现一定的损伤；贴近母排末端的箱体侧面板被大面积烧伤，特别是喷弧中心处烧出明显的低洼处；另外，附近的顶盖、前后面板及绝缘支撑件等受到不同程度的伤害，而这样严重的损伤在其他引燃点附近没有出现过。

图5 主母排末端附近引弧试验后的状况Fig.5 Condition near the main bus-bar terminal after thearcing test

式中i表示电流的瞬时值。单位时间内通过的电量越大，电流平均值越大，产生电弧的能量就越大。因此，不妨再来看一下与焦耳积分值密切相关的电流平均值的情况，如图5所示。从图5（a）和图5（b）中都可以看到，全部引燃点3位置的电流平均值都比较大，都超过了8 kA；引燃点5和6位置都有个别超过8 kA，其他都散布在下方；而引燃点1、2和4位置都比较集中，且相对较小。这也与图4所描述的焦耳积分值的分布情况相似。

图6 各引燃点的最大电流平均值Fig.6 The maximum average current value of all ignition points

因此，通过试验和分析可以发现，这些综合配电箱的故障电弧薄弱点主要集中在主母排末端附近，配电回路断路器出线端及补偿回路进线端次之。根据以上的分析结果和现场引弧试验经验对综合配电箱薄弱点及其结构的优化提出以下建议。

1）主母排末端附近。主母排之间、主母排与箱体侧面板及顶盖应尽量保持一定的距离；裸露母排用绝缘性能较好的热缩套管包覆，在满足温升试验要求时尽量不露出母排端面；主母排与分支母排的连接部位采用专用绝缘套包覆；门板或盖板推荐采用2 mm厚的金属板，适当增设加强筋等加强措施；选用材料性能较好的绝缘支撑件，可靠安装并适当增加支撑点。

2）配电回路断路器出线端附近。大多数配电回路带有接地保护功能，断路器与隔离开关紧挨连接并加装防触电挡板，造成断路器出线端空间狭窄。因此，在保证连接排足够强度的情况下应尽量拉开断路器与隔离开关的距离；因专业操作人员都戴有绝缘手套，可去除防触电挡板；断路器接线端子间选用绝缘性能较好的隔板隔好。

3）补偿回路进线端附近。补偿回路的进线开关大多是250 A左右的断路器，电气间隙和爬电距离相对较小，相间接线排紧挨，且补偿室空间狭窄。因此，应合理选择断路器的安装位置，保证四周的间隙；接线排用绝缘性能较好的热缩套管妥当包覆；断路器接线端子间选用绝缘性能较好的隔板隔好。

4）其余引燃点附近。参照以上措施进行适当改进；另外注意选用性能较好的连接螺栓，加强螺栓连接部位的接触压力。

4 结论

本文以研究如何减小综合配电箱内部故障电弧带来的危害为出发点，以一批相似的综合配电箱为研究对象，从实际的内部故障引弧试验方法研究着手，并进行了试验系统设计。通过现场试验和对试验数据分析发现，引燃点主母排末端的电流平均值最大，产生电弧的能量最大，破坏性也最大；配电回路断路器出线端及补偿回路进线端次之；而主开关进、出线端及配电回路进线端的电弧危害都相对较小。据此，提出了适当保持母排之间、元器件之间、带电部件与箱体之间的距离；适当增加面板厚度，增设加强设施；选用材料性能较好的热缩套管、绝缘支撑件、绝缘隔板、连接螺栓等简单实用的结构优化方案。

[1] 蓝会立，张认成.开关柜内部故障电弧探测法的研究现状及趋势[J].高电压技术，2008，34（3）:496-499.LAN Huili，ZHANG Rencheng.Current research and development trends on faults arc detection method in switch cabinet[J].High Voltage Engineering，2008，34（3）:496-499.

[2] 王倩，谭王景，叶赞，等.基于ATP_EMTP的电弧接地故障的建模及仿真[J].电网与清洁能源，2015，31（1）:16-21.WANG Qian，TAN Wangjing，YE Zan，et al.Modeling and simulating of arc grounding fault based on ATP-EMTP[J].Power System and Clean Energy，2015，31（1）:16-21.

[3] 董爱华，孔林娟，杜静静.基于突变理论信息融合的故障电弧检测方法[J].电力系统及其自动化学报，2016，28（5）:35-40.DONG Aihua，KONG Linjuan，DU Jingjing.Arc-fault detection method based on information fusion of catastrophe theory[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2016，28（5）:35-40.

[4] 蔡彬，陈德桂，吴锐，等.开关柜内部故障电弧的在线检测和保护装置[J].电工技术学报，2005，20（10）:83-87.CAIBin，CHENDegui，WURui，etal.Onlinedetectingand protection system for internal faults arc in switchgear[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20（10）:83-87.

[5] 蓝会立，张认成.故障电弧早期预测预警系统研究[J].计算机测量与控制，2011，19（2）:286-291.LAN Huili，ZHANG Rencheng.Study on key technology of DSP-Based forecast&early warning system of faults arc[J].Computer Measurement&Control，2011，19（2）:286-291.

[6] 曾新雄，李新海，曾庆祝，等.10 kV开关柜内部电弧故障的危害与保护[J].广东电力，2016，29（6）:67-71.ZENG Xinxiong，LI Xinhai，ZENG Qingzhu，et al.Harm and protection of arc fault inside 10 kV switchgear[J].Guangdong Electric Power，2016，29（6）:67-71.

[7] 王铮.低压综合配电箱内部故障电弧防护的试验研究[J].电器与能效管理技术，2016（12）:42-45，55.WANG Zheng.Experimental study on internal fault arc protection oflow voltage powerdistribution box[J].Electrical&Energy Management Technology，2016（12）:42-45，55.

[8] 中国质量认证中心.在内部故障引起电弧情况下的封闭式低压成套开关设备和控制设备安全性能认证规则：CQC13-462216-2015[S].北京:中国质量认证中心，2015：3.

[9] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.封闭式低压成套开关设备和控制设备在内部故障引起电弧情况下的试验导则：GB/Z 18859-2002[S].北京:中国标准出版社，2003：4.