低压成套开关设备内部电弧故障的试验技术

蔡晓玮

(上海电器科学研究所(集团)有限公司 上海 200063)

低压成套开关设备在整个电力系统中主要负责对低压配电系统进行控制、保护、监测，低压成套开关设备覆盖面极广，如生产车间、公共场所、居民住宅等，我国80%以上的电力支持都是由电压成套设备所提供。低压成套开关设备同时还涉足于工业、电器生产、工艺制造、基础建设以及居民生活用电等，从某种意义上来讲，低压成套开关设备的质量水平间接反映了我国的综合水平。在低压成套开关设备中，最值得关注的问题就是内部电弧故障，内部电弧故障发生概率低，如果一旦发生，对维修人员以及设备运行将会带来极大的危害。当前，内部引弧试验主要集中在中高压成套开关设备中，该文则在中高压成套开关设备的基础之上对低压成套开关设备的内部电弧故障进行试验技术研究。

1 电弧的发生机理

电弧是一种气体放电状态，在正常状态下，气体属于绝缘体，当气体两侧的电场较大时，会激发带电粒子进行定向运动，直至运动到电极消失，并在气隙中形成持续电流，持续电流会有高温，这种状态就是电弧放电，具体如图1 所示[1]。根据图1 可以得到，气体放电氛围辉光放电、弧光放电、火花放电，电弧起弧的电压与电流数值有关，电弧能量与温度有关，电弧是一种等离子体，导电性较好。

图1 气体放电伏安特性

要对低压成套开关设备进行故障电弧研究，首先要充分了解电弧的发生机理，具体如图2 所示。当大气开断电路时，如果电压大于12～20 V，电流大于0.25～1 A时，触头间隙会产生电弧[2]。

图2 电弧的发生机理

当电路处于分断时，电极棒触头即将处于分离状态，两个电极的棒触头间隙之间会形成电场，当电场的强度越来越大，电子会受到原子核的影响穿过势垒，形成场致发射；当触头的接触面变小，两个电极棒之间的间隙电阻增加，电能会产生高温，电子会获得动能变成自由电子，形成热电子发射。在两种不同的发射作用下，大量的自由电子会通过阴极进入间隙，并做定向高速运行动作，高速运动状态下，电子周围的气体分子会产生自由电子和正离子，并在强电场的作用下不断升级直到触碰到其他的气体分子为止。如此反复形成连锁反应，让电极的棒触头气体可以在短时间内发生电离，接通电路，从而形成电弧。当电弧发生后，触头间隙的温度会急速上升，温度可以达到4 000 ℃以上，大量的蒸汽和原子在高温状态下持续电离，以维持电弧稳定。在电弧的形成过程中，持续的高温可以让分子、原子和蒸汽发生电离，让已经发生电离的自由电子和正离子重新复合[3]。

2 低压成套开关设备的寿命预测

低压成套开关设备作为供电系统的重要电力设备之一，在整个供电系统中主要负责对电能进行控制、保护和分配，低压成套开关设备的安全稳定直接关系到电力系统的正常运行。当前，低压成套开关设备采用的维修模式是一种预防性计划的模式，当设备达到预期，无论是否存在故障都需要进行停机检修。这种方式存在一定的不合理性，容易造成系统的大量停电问题。因此，为了保证低压供电系统不出现内部故障，可以安全稳定地运行，通过引入威布尔分布模型的方式，对设备的运行寿命可靠性进行评估，根据评估结果进行维修方案的重新设定。低压成套开关设备的寿命根据威布尔分布采用灰色估算法，对威布尔分布的参数进行估算，根据寿命预测的预测结果，对设备进行维修计划设定与维护，最大化地保证设备维修的及时性，解决停电检修问题，降低维修成本。

2.1 威布尔分布

威布尔分布模型以瑞典科学家的名字所命名，是一种三参数威布尔分布模型。变量T作为随机变量需要服从三参数的威布尔分布模型[4]，得到

式（1）中，f(t)为概率密度函数；β为形状参数；η为尺度参数；γ为位置参数。其中，β、η均>0；γ≥0。

当γ=0，三参数威布尔分布会自动转换成二参数，此时的f(t)表示为

2.2 灰色估计法

灰色微分方程白化方程公式为

白化方程解的时间响应函数表示为

通过灰色GM（1,1）模型，对威布尔分布的参数进行灰色估计，方法为：根据设备的寿命数据按照时间进行排序；根据寿命数据的个数合理选择公式进行分布函数的计算；通过带入分布函数，得到数据结果；通过结果建立灰色微分方程[5]。

对公式（5）中的未知参数a，u进行求解，得到

求解a，u后可以得到威布尔分布的参数结果为

2.3 剩余寿命模型

将低压成套开关设备的寿命T按照三参数威布尔分布求取概率密度函数f(t)，得到

式（7）中，t0为最小寿命；ta为特征寿命；b为形状参数。

当t=t0，R(t0)=1 时，说明最小寿命可靠度为100%；当t=t0，R(ta)=0.368时，说明ta为特征寿命。其中R(t)表示可靠度函数。

如果设备在工作时间可以正常运行，设备可以继续使用直到报废之间所使用的时间是设备的剩余时间，即剩余寿命。剩余寿命用随机变量Tt表示，得到分布函数

2.4 结果分析

对某低压成套开关设备的售后数据进行整理，选取10台设备的寿命数据，按照从小到大的顺序进行排列，得到表1[6]。

表1 低压成套开关设备的寿命

对低压成套开关设备的寿命采用灰色估计法对三参数威布尔分布参数进行估计，得到

采用相对均方根误差对灰色估计法参数进行结果量化，将表1 的数据带入公式（9）中，得到计算结果如表2所示[7]。

表2 寿命可靠度计算结果

相对均方根误差灰色估计法为0.089 0。

3 低压成套开关设备内部电弧故障试验研究

3.1 内部故障引弧试验

当低压成套开关设备发生内部电弧故障，会产生一系列的效应，如压力效应、热效应、辐射效应以及弧光效应。当发生内部电弧故障时，低压成套开关设备的电弧温度会快速上升，周围空气发生膨胀产生的巨大压力，会让柜门爆开并附带一些部件飞出。根据焦耳定律公式W=I2RT可知，当导体的电阻不变时，电流会通过导体产生能量，并与电流的强度和时间形成正比，燃弧持续时间越久则释放能量越高，其破坏力也就越大。电弧能量与燃弧的时间关系如图3所示。

图3 电弧能量与燃弧时间关系

低压成套开关设备的内部电弧故障，其引弧试验是一种自愿性的试验，根据国家标准研究低压成套开关设备的内部引弧试验，选择GG3作为样机，其中主母线为[8]

In=2500A，Icw=65kA，Ue=AC380V，Ui=660V，50Hz

配置好需要试验的成套工具，按照使用说明进行安装，其中试验参数为AC380V/50kA，通电时间为0.3 s，得到试验电流与导线截面的数据，如表3所示[9]。

表3 试验电流与导线截面

该文引弧试验采用1.5 mm2的导线截面，对d1～d7进行引弧试验。使用1.5 mm2的导线截面以最短的距离进行三相连接，在连接的过程中，注意不要将绝缘盖板、套管进行损坏，并按照以下标准进行评价：柜门、盖板处于正常运行状态；没有大的或者锋锐物件的飞落；没有孔洞存在；指示器没有掂量；电位正常连接。

试验结果符合上述标准，则内部故障的引弧试验有效。试验中的指示器未点燃说明人员安全以及物品完整，点燃则人员受伤或物品损坏，试验过后的外壳电位连接的有效性是保证人员安全的重要保障[10]。

3.2 试验现象分析

对于成套设备样机而言，一旦发生内部故障引弧，其波形图会发生变化，如果引弧点的试验过程没有持续0.3 s，则在其他的引弧点试验中会出现更长时间的燃弧情况；如果在未达到0.3 s 熄灭，需要在同一个引弧点上进行重复试验，需要注意的是同一引弧点最多进行2次试验，进行二次试验时，应保证损伤状态不能进行人为恢复，小于0.15 s 则重复试验。对于同一台设备进行多次引弧试验，可以在进行二次引弧试验之前对设备进行修复，保证在二次引弧试验时设备处于正常运行状态。

4 相关策略与防护措施

4.1 相关策略

4.1.1 改变巡检模式

要想对低压成套开关设备的内部电弧故障进行有效防护，需要改变对低压成套开关设备的巡检方式，之前的人工巡检方式浪费时间，效率低，不符合当前网络时代的发展需要。利用互联网技术，对低压成套开关设备进行巡检，以此来强化对低压成套开关设备内部电弧故障的防范。在人工巡检的过程中，无法对停电的频率进行准确掌握，重复断电时间时有发生，除此之外还有很多人工无法把握的故障存在，都让低压成套开关设备的安全运行受到极大的影响。采用互联网技术可以让人工巡检无法关注的地方得到准确掌握，让巡检人员在巡检的过程中可有及时准确地了解低压成套开关设备的运行状态，通过具体的试验可以证实互联网技术对于低压成套开关设备的巡检的重要性。通过手机端的上传功能对设备的运行状态进行一键上传；在巡检的过程中通过网络的巡检帮助节省巡检时间；通过手机端可以准确获取低压成套开关设备的故障缺陷问题，并以最快的时间将缺陷的具体情况进行跟踪汇报和解决，与传统的低压成套开关设备的巡检方式相比，互联网技术可以让巡检工作变得更加方便快捷。

4.1.2 加强安全管理

安全方面的问题需要加强管理，不仅需要对低压成套开关设备自身的安全问题进行管理，还需要对工作人员的人身安全问题进行管理。当遇到恶劣天气，要加强对低压成套开关设备的巡查工作，让低压成套开关设备时刻处于安全稳定的运行状态，这对于工作人员的强度有所增加，因此工作人员需要重视自身的安全问题，佩戴好安全护具，遵守相关工作要求与流程，当进行低压成套开关设备的维修时，要保持安全距离，在安全范围内进行维修工作，单位也需要对工作人员的安全问题进行重视。

4.1.3 加强人员培训

在进行低压成套开关设备的内部电弧故障操作时，要对工作人员进行重点培训，让工作人员保证工作效率的同时，将电弧故障所带来的影响降至最低。对工作人员进行培训之前，要明确培训的目的与内容，重点在于减少低压成套开关设备的内部故障。

4.2 防护措施

对于封闭式的成套开关设备，当处于正常工作状态，突然有如动物、工具、有机物残渣等外物的进入影响设备的正常运行；或者是设备自身的设计缺陷；或者是工作人员的操作不当导致设备发生故障；或者是没有对设备进行及时的维修处理导致设备发生故障电弧。基于此类种种原因，为了有效避免低压成套开关设备不再发生内部电弧故障，根据上述试验反应的结果进行分析后得到如下措施：（1）隔板隔离，对开关设备进行分隔，将功能单元、电缆及仪器仪表分隔，并在隔板上加入绝缘隔弧板，对开关柜体中的内部导电部位进行绝缘设计，让各个功能之间减少绝缘接触，降低发生故障电弧的可能性；（2）对低压成套开关设备中的电器部件、母线等采取距离间隙设定；（3）采用泄压方式进行泄压，或者安装强制通风冷却装置，将电弧产生的冲击力进行释放，减少对开关柜体的损害；（4）对开关电器进行分断操作，限制电弧的发生强度，减轻故障电弧发生的级别；（5）拧紧螺栓连接部位，保障螺栓连接转角的稳定，避免因接触不良造成电弧故障的发生。

5 结语

综上所述，低压成套开关设备在运行过程中，对于工作人员的专业性要求较高，因为低压成套设备极少发生内部电弧故障，但是以无法完全避免电弧故障的发生。因此，工作人员的技术性以及自身素质要得到保证，避免因人员操作不当引发内部电弧故障。低压成套开关设备在工业和核电领域中，内燃弧的故障试验需要重点对柜子的整体结构和绝缘耐压性进行判断，在保证工作人员的安全前提下，进行安全操作和使用情况分析。