低壓成套開關(guān)設(shè)備內(nèi)部電弧故障的試驗(yàn)技術(shù)

蔡曉瑋

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司 上海 200063)

低壓成套開關(guān)設(shè)備在整個(gè)電力系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對(duì)低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)，低壓成套開關(guān)設(shè)備覆蓋面極廣，如生產(chǎn)車間、公共場(chǎng)所、居民住宅等，我國(guó)80%以上的電力支持都是由電壓成套設(shè)備所提供。低壓成套開關(guān)設(shè)備同時(shí)還涉足于工業(yè)、電器生產(chǎn)、工藝制造、基礎(chǔ)建設(shè)以及居民生活用電等，從某種意義上來講，低壓成套開關(guān)設(shè)備的質(zhì)量水平間接反映了我國(guó)的綜合水平。在低壓成套開關(guān)設(shè)備中，最值得關(guān)注的問題就是內(nèi)部電弧故障，內(nèi)部電弧故障發(fā)生概率低，如果一旦發(fā)生，對(duì)維修人員以及設(shè)備運(yùn)行將會(huì)帶來極大的危害。當(dāng)前，內(nèi)部引弧試驗(yàn)主要集中在中高壓成套開關(guān)設(shè)備中，該文則在中高壓成套開關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)之上對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部電弧故障進(jìn)行試驗(yàn)技術(shù)研究。

1 電弧的發(fā)生機(jī)理

電弧是一種氣體放電狀態(tài)，在正常狀態(tài)下，氣體屬于絕緣體，當(dāng)氣體兩側(cè)的電場(chǎng)較大時(shí)，會(huì)激發(fā)帶電粒子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，直至運(yùn)動(dòng)到電極消失，并在氣隙中形成持續(xù)電流，持續(xù)電流會(huì)有高溫，這種狀態(tài)就是電弧放電，具體如圖1 所示[1]。根據(jù)圖1 可以得到，氣體放電氛圍輝光放電、弧光放電、火花放電，電弧起弧的電壓與電流數(shù)值有關(guān)，電弧能量與溫度有關(guān)，電弧是一種等離子體，導(dǎo)電性較好。

圖1 氣體放電伏安特性

要對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備進(jìn)行故障電弧研究，首先要充分了解電弧的發(fā)生機(jī)理，具體如圖2 所示。當(dāng)大氣開斷電路時(shí)，如果電壓大于12～20 V，電流大于0.25～1 A時(shí)，觸頭間隙會(huì)產(chǎn)生電弧[2]。

圖2 電弧的發(fā)生機(jī)理

當(dāng)電路處于分?jǐn)鄷r(shí)，電極棒觸頭即將處于分離狀態(tài)，兩個(gè)電極的棒觸頭間隙之間會(huì)形成電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)的強(qiáng)度越來越大，電子會(huì)受到原子核的影響穿過勢(shì)壘，形成場(chǎng)致發(fā)射；當(dāng)觸頭的接觸面變小，兩個(gè)電極棒之間的間隙電阻增加，電能會(huì)產(chǎn)生高溫，電子會(huì)獲得動(dòng)能變成自由電子，形成熱電子發(fā)射。在兩種不同的發(fā)射作用下，大量的自由電子會(huì)通過陰極進(jìn)入間隙，并做定向高速運(yùn)行動(dòng)作，高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，電子周圍的氣體分子會(huì)產(chǎn)生自由電子和正離子，并在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下不斷升級(jí)直到觸碰到其他的氣體分子為止。如此反復(fù)形成連鎖反應(yīng)，讓電極的棒觸頭氣體可以在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生電離，接通電路，從而形成電弧。當(dāng)電弧發(fā)生后，觸頭間隙的溫度會(huì)急速上升，溫度可以達(dá)到4 000 ℃以上，大量的蒸汽和原子在高溫狀態(tài)下持續(xù)電離，以維持電弧穩(wěn)定。在電弧的形成過程中，持續(xù)的高溫可以讓分子、原子和蒸汽發(fā)生電離，讓已經(jīng)發(fā)生電離的自由電子和正離子重新復(fù)合[3]。

2 低壓成套開關(guān)設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)

低壓成套開關(guān)設(shè)備作為供電系統(tǒng)的重要電力設(shè)備之一，在整個(gè)供電系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對(duì)電能進(jìn)行控制、保護(hù)和分配，低壓成套開關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)前，低壓成套開關(guān)設(shè)備采用的維修模式是一種預(yù)防性計(jì)劃的模式，當(dāng)設(shè)備達(dá)到預(yù)期，無論是否存在故障都需要進(jìn)行停機(jī)檢修。這種方式存在一定的不合理性，容易造成系統(tǒng)的大量停電問題。因此，為了保證低壓供電系統(tǒng)不出現(xiàn)內(nèi)部故障，可以安全穩(wěn)定地運(yùn)行，通過引入威布爾分布模型的方式，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行壽命可靠性進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行維修方案的重新設(shè)定。低壓成套開關(guān)設(shè)備的壽命根據(jù)威布爾分布采用灰色估算法，對(duì)威布爾分布的參數(shù)進(jìn)行估算，根據(jù)壽命預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修計(jì)劃設(shè)定與維護(hù)，最大化地保證設(shè)備維修的及時(shí)性，解決停電檢修問題，降低維修成本。

2.1 威布爾分布

威布爾分布模型以瑞典科學(xué)家的名字所命名，是一種三參數(shù)威布爾分布模型。變量T作為隨機(jī)變量需要服從三參數(shù)的威布爾分布模型[4]，得到

式（1）中，f(t)為概率密度函數(shù)；β為形狀參數(shù)；η為尺度參數(shù)；γ為位置參數(shù)。其中，β、η均>0；γ≥0。

當(dāng)γ=0，三參數(shù)威布爾分布會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成二參數(shù)，此時(shí)的f(t)表示為

2.2 灰色估計(jì)法

灰色微分方程白化方程公式為

白化方程解的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)表示為

通過灰色GM（1,1）模型，對(duì)威布爾分布的參數(shù)進(jìn)行灰色估計(jì)，方法為：根據(jù)設(shè)備的壽命數(shù)據(jù)按照時(shí)間進(jìn)行排序；根據(jù)壽命數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)合理選擇公式進(jìn)行分布函數(shù)的計(jì)算；通過帶入分布函數(shù)，得到數(shù)據(jù)結(jié)果；通過結(jié)果建立灰色微分方程[5]。

對(duì)公式（5）中的未知參數(shù)a，u進(jìn)行求解，得到

求解a，u后可以得到威布爾分布的參數(shù)結(jié)果為

2.3 剩余壽命模型

將低壓成套開關(guān)設(shè)備的壽命T按照三參數(shù)威布爾分布求取概率密度函數(shù)f(t)，得到

式（7）中，t0為最小壽命；ta為特征壽命；b為形狀參數(shù)。

當(dāng)t=t0，R(t0)=1 時(shí)，說明最小壽命可靠度為100%；當(dāng)t=t0，R(ta)=0.368時(shí)，說明ta為特征壽命。其中R(t)表示可靠度函數(shù)。

如果設(shè)備在工作時(shí)間可以正常運(yùn)行，設(shè)備可以繼續(xù)使用直到報(bào)廢之間所使用的時(shí)間是設(shè)備的剩余時(shí)間，即剩余壽命。剩余壽命用隨機(jī)變量Tt表示，得到分布函數(shù)

2.4 結(jié)果分析

對(duì)某低壓成套開關(guān)設(shè)備的售后數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，選取10臺(tái)設(shè)備的壽命數(shù)據(jù)，按照從小到大的順序進(jìn)行排列，得到表1[6]。

表1 低壓成套開關(guān)設(shè)備的壽命

對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備的壽命采用灰色估計(jì)法對(duì)三參數(shù)威布爾分布參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到

采用相對(duì)均方根誤差對(duì)灰色估計(jì)法參數(shù)進(jìn)行結(jié)果量化，將表1 的數(shù)據(jù)帶入公式（9）中，得到計(jì)算結(jié)果如表2所示[7]。

表2 壽命可靠度計(jì)算結(jié)果

相對(duì)均方根誤差灰色估計(jì)法為0.089 0。

3 低壓成套開關(guān)設(shè)備內(nèi)部電弧故障試驗(yàn)研究

3.1 內(nèi)部故障引弧試驗(yàn)

當(dāng)?shù)蛪撼商组_關(guān)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部電弧故障，會(huì)產(chǎn)生一系列的效應(yīng)，如壓力效應(yīng)、熱效應(yīng)、輻射效應(yīng)以及弧光效應(yīng)。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí)，低壓成套開關(guān)設(shè)備的電弧溫度會(huì)快速上升，周圍空氣發(fā)生膨脹產(chǎn)生的巨大壓力，會(huì)讓柜門爆開并附帶一些部件飛出。根據(jù)焦耳定律公式W=I2RT可知，當(dāng)導(dǎo)體的電阻不變時(shí)，電流會(huì)通過導(dǎo)體產(chǎn)生能量，并與電流的強(qiáng)度和時(shí)間形成正比，燃弧持續(xù)時(shí)間越久則釋放能量越高，其破壞力也就越大。電弧能量與燃弧的時(shí)間關(guān)系如圖3所示。

圖3 電弧能量與燃弧時(shí)間關(guān)系

低壓成套開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部電弧故障，其引弧試驗(yàn)是一種自愿性的試驗(yàn)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究低壓成套開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部引弧試驗(yàn)，選擇GG3作為樣機(jī)，其中主母線為[8]

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

配置好需要試驗(yàn)的成套工具，按照使用說明進(jìn)行安裝，其中試驗(yàn)參數(shù)為AC380V/50kA，通電時(shí)間為0.3 s，得到試驗(yàn)電流與導(dǎo)線截面的數(shù)據(jù)，如表3所示[9]。

表3 試驗(yàn)電流與導(dǎo)線截面

該文引弧試驗(yàn)采用1.5 mm2的導(dǎo)線截面，對(duì)d1～d7進(jìn)行引弧試驗(yàn)。使用1.5 mm2的導(dǎo)線截面以最短的距離進(jìn)行三相連接，在連接的過程中，注意不要將絕緣蓋板、套管進(jìn)行損壞，并按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)：柜門、蓋板處于正常運(yùn)行狀態(tài)；沒有大的或者鋒銳物件的飛落；沒有孔洞存在；指示器沒有掂量；電位正常連接。

試驗(yàn)結(jié)果符合上述標(biāo)準(zhǔn)，則內(nèi)部故障的引弧試驗(yàn)有效。試驗(yàn)中的指示器未點(diǎn)燃說明人員安全以及物品完整，點(diǎn)燃則人員受傷或物品損壞，試驗(yàn)過后的外殼電位連接的有效性是保證人員安全的重要保障[10]。

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

對(duì)于成套設(shè)備樣機(jī)而言，一旦發(fā)生內(nèi)部故障引弧，其波形圖會(huì)發(fā)生變化，如果引弧點(diǎn)的試驗(yàn)過程沒有持續(xù)0.3 s，則在其他的引弧點(diǎn)試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的燃弧情況；如果在未達(dá)到0.3 s 熄滅，需要在同一個(gè)引弧點(diǎn)上進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，需要注意的是同一引弧點(diǎn)最多進(jìn)行2次試驗(yàn)，進(jìn)行二次試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保證損傷狀態(tài)不能進(jìn)行人為恢復(fù)，小于0.15 s 則重復(fù)試驗(yàn)。對(duì)于同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行多次引弧試驗(yàn)，可以在進(jìn)行二次引弧試驗(yàn)之前對(duì)設(shè)備進(jìn)行修復(fù)，保證在二次引弧試驗(yàn)時(shí)設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 相關(guān)策略與防護(hù)措施

4.1 相關(guān)策略

4.1.1 改變巡檢模式

要想對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部電弧故障進(jìn)行有效防護(hù)，需要改變對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備的巡檢方式，之前的人工巡檢方式浪費(fèi)時(shí)間，效率低，不符合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展需要。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備進(jìn)行巡檢，以此來強(qiáng)化對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備內(nèi)部電弧故障的防范。在人工巡檢的過程中，無法對(duì)停電的頻率進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，重復(fù)斷電時(shí)間時(shí)有發(fā)生，除此之外還有很多人工無法把握的故障存在，都讓低壓成套開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行受到極大的影響。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以讓人工巡檢無法關(guān)注的地方得到準(zhǔn)確掌握，讓巡檢人員在巡檢的過程中可有及時(shí)準(zhǔn)確地了解低壓成套開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過具體的試驗(yàn)可以證實(shí)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于低壓成套開關(guān)設(shè)備的巡檢的重要性。通過手機(jī)端的上傳功能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行一鍵上傳；在巡檢的過程中通過網(wǎng)絡(luò)的巡檢幫助節(jié)省巡檢時(shí)間；通過手機(jī)端可以準(zhǔn)確獲取低壓成套開關(guān)設(shè)備的故障缺陷問題，并以最快的時(shí)間將缺陷的具體情況進(jìn)行跟蹤匯報(bào)和解決，與傳統(tǒng)的低壓成套開關(guān)設(shè)備的巡檢方式相比，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以讓巡檢工作變得更加方便快捷。

4.1.2 加強(qiáng)安全管理

安全方面的問題需要加強(qiáng)管理，不僅需要對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備自身的安全問題進(jìn)行管理，還需要對(duì)工作人員的人身安全問題進(jìn)行管理。當(dāng)遇到惡劣天氣，要加強(qiáng)對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備的巡查工作，讓低壓成套開關(guān)設(shè)備時(shí)刻處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)于工作人員的強(qiáng)度有所增加，因此工作人員需要重視自身的安全問題，佩戴好安全護(hù)具，遵守相關(guān)工作要求與流程，當(dāng)進(jìn)行低壓成套開關(guān)設(shè)備的維修時(shí)，要保持安全距離，在安全范圍內(nèi)進(jìn)行維修工作，單位也需要對(duì)工作人員的安全問題進(jìn)行重視。

4.1.3 加強(qiáng)人員培訓(xùn)

在進(jìn)行低壓成套開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部電弧故障操作時(shí)，要對(duì)工作人員進(jìn)行重點(diǎn)培訓(xùn)，讓工作人員保證工作效率的同時(shí)，將電弧故障所帶來的影響降至最低。對(duì)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)之前，要明確培訓(xùn)的目的與內(nèi)容，重點(diǎn)在于減少低壓成套開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部故障。

4.2 防護(hù)措施

對(duì)于封閉式的成套開關(guān)設(shè)備，當(dāng)處于正常工作狀態(tài)，突然有如動(dòng)物、工具、有機(jī)物殘?jiān)韧馕锏倪M(jìn)入影響設(shè)備的正常運(yùn)行；或者是設(shè)備自身的設(shè)計(jì)缺陷；或者是工作人員的操作不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障；或者是沒有對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的維修處理導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障電弧?；诖祟惙N種原因，為了有效避免低壓成套開關(guān)設(shè)備不再發(fā)生內(nèi)部電弧故障，根據(jù)上述試驗(yàn)反應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行分析后得到如下措施：（1）隔板隔離，對(duì)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行分隔，將功能單元、電纜及儀器儀表分隔，并在隔板上加入絕緣隔弧板，對(duì)開關(guān)柜體中的內(nèi)部導(dǎo)電部位進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)，讓各個(gè)功能之間減少絕緣接觸，降低發(fā)生故障電弧的可能性；（2）對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備中的電器部件、母線等采取距離間隙設(shè)定；（3）采用泄壓方式進(jìn)行泄壓，或者安裝強(qiáng)制通風(fēng)冷卻裝置，將電弧產(chǎn)生的沖擊力進(jìn)行釋放，減少對(duì)開關(guān)柜體的損害；（4）對(duì)開關(guān)電器進(jìn)行分?jǐn)嗖僮?，限制電弧的發(fā)生強(qiáng)度，減輕故障電弧發(fā)生的級(jí)別；（5）擰緊螺栓連接部位，保障螺栓連接轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定，避免因接觸不良造成電弧故障的發(fā)生。

5 結(jié)語

綜上所述，低壓成套開關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過程中，對(duì)于工作人員的專業(yè)性要求較高，因?yàn)榈蛪撼商自O(shè)備極少發(fā)生內(nèi)部電弧故障，但是以無法完全避免電弧故障的發(fā)生。因此，工作人員的技術(shù)性以及自身素質(zhì)要得到保證，避免因人員操作不當(dāng)引發(fā)內(nèi)部電弧故障。低壓成套開關(guān)設(shè)備在工業(yè)和核電領(lǐng)域中，內(nèi)燃弧的故障試驗(yàn)需要重點(diǎn)對(duì)柜子的整體結(jié)構(gòu)和絕緣耐壓性進(jìn)行判斷，在保證工作人員的安全前提下，進(jìn)行安全操作和使用情況分析。