低壓綜合配電箱短路耐受強度影響技術分析

張學軍

摘要：短路耐受強度是低壓綜合配電箱安全性能的重要指標之一，也是監督檢查的重點項目，文中結合檢驗工作經驗和對產品標準的理解，深入分析JP柜的短路耐受強度試驗方法，分析影響該項目不合格的主要因素，并對JP柜中斷路器的選型和短路強度性能改善等方面提出相關建議。

關鍵詞：低壓綜合配電箱（JP柜）；斷路器；短路耐受強度

Technical Analysis of Short-circuit Withstand Strength of Low-voltage Integrated Distribution Box

ZHANG Xuejun

（ Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350002， Fujian， China ）

Abstract： Short-circuit withstand strength is one of the important indicators for evaluating the safety performance of low-voltage integrated distribution box， and it is also a key item of supervision and inspection. This paper， based on the work experience of inspection and the understanding of product standards， delves into the short-circuit withstand strength test method of JP cabinet and analyzes the main factors affecting the disqualification of the project， and puts forward relevant suggestions on the selection of circuit breaker in JP cabinet and the improvement of short-circuit strength performance.

Key Words： Low-voltage integrated distribution box （JP cabinet）; Circuit breaker; Short circuit withstand strength

0引言

低壓綜合配電箱（以下簡稱“JP柜”）是指安裝于柱上變壓器的低壓出線側，由低壓開關設備、無功補償調節裝置、電能表、避雷器等元件組成的低壓成套設備，可以實現配電、安全保護、無功補償、計量等多種功能。一般箱體采用不銹鋼材質，布置在戶外能夠防雨、防塵，防電磁干擾，并且有足夠的強度。由于和變壓器的容量形成固定配合，布置到現場十分便捷，在農村和城鄉結合部等地方得到廣泛的應用。

短路耐受強度是JP柜安全性能的重要指標之一，該項目也是國家電網公司對于JP柜質量監督檢查的重點項目。文中深入分析JP柜的短路耐受強度試驗方法，分析影響該項目的主要因素，并對改善短路強度性能提出了相應的建議，對于促進JP柜安全運行，促進質量提升具有重要的意義。

1短路耐受強度試驗方法[1]

文中提到的JP柜短路耐受強度標準依照GB/T 7251.1-2013執行，應能耐受不超過額定值的短路電流所產生的熱應力和電動應力，對于JP柜中無功補償容量不小于150kvar時[2]，其主電路的額定短時耐受電流應不小于15kA。

JP柜中主電路一般有3種保護方案：1）不依賴于短路保護電器；2）依賴于成套設備中進線短路保護電器；3）依賴于上一級短路保護電器。不管用上述的一種或者幾種保護方案，主電路都應該達到額定值的短路電流引發的最大熱應力和電動應力。

對于有主母線的成套開關設備[3]，還應檢驗主母線和至少含一個擬向外延伸母線接點的進線電路的短路耐受強度，試驗中短路點應選擇包括主母線在內的長度應為2m±0.4m處，對于常用的JP柜，主母線長度一般小于1.6m，試驗時應該驗證整條母線，短路點設置在母線的末端。短路強度試驗除了測試主電路母線外，還需要測試中性導體和最靠近相導體之間的短路耐受強度，試驗電流是相電流的60%。

為了驗證保護成套開關設備保護電路的連續性，將單相試驗電源一極連接到一相的進線端子上，另一極連接到進線保護導體的端子上，成套設備的框架應與地絕緣，試驗電壓為1.05倍額定工作電壓的單相值。每一個出線回路都要進行測試，試驗電流值應至少為成套設備三相試驗期間相電流的60%。

2? JP柜短路強度試驗技術分析

2.1 選用的JP柜參數

文中選取JP柜的無功補償容量為400KVA，配電回路的配置為一進兩出，其進線主電路都選取了額定電流為800A的塑料外殼式斷路器，出線回路選取額定電流均為400A的塑料外殼式斷路器和隔離開關組合。

在短路強度試驗過程中，依次對JP柜的進線開關和各個功能單元的進出線進行短路強度的驗證。依據現行標準方法，試驗施加短路電流15kA，試驗過程中采用數據存儲式采集系統進行測量。柜內短路點及分布如圖1所示。

2.2 母線短路耐受強度

標準中規定應對有主母線的成套設備進行短路耐受強度的試驗驗證，如果一組母線是由不同母線段構成，則每段要分別進行試驗，文中研究的JP柜都是采用相同的水平母線結構。母線進行短時耐受能力驗證試驗后，母線和導體的變形是允許的，但是電氣間隙和爬電距離應滿足標準的規定，并且母線和柜體結構的變形不應使正常使用者受到損害，不能造成柜體不滿足相應的防護等級要求，其母線支撐件不應出現裂縫，不應碎裂成多塊。

文中選取JP柜主母線采用60mm×6mm的銅排，銅排水平安裝，長邊相對，中心距離60mm，母線長度0.4m，母線中流過的短路電流為15kA，三相交流電的最大短路電動力一定是沖擊短路電流峰值出現的時刻，此時邊上兩相受到的最大電動力是2.65倍穩態時電動力，而中間相受到的最大電動力為2.8倍穩態時電動力，是周期性搖擺的電動力。查界面系數曲線[4]，因為（銅排中心距-銅排厚度）/（銅排厚度+銅排寬度）=（60-6）/（60+6）=0.81，取截面系數Kc為0.85。此時計算中間相電動力如式（1）。

由式（1）可見，中間相受到的最大短時電動力有將近2KN，比較常見的故障是將銅排固定在柜體的絕緣子出現開裂的情況，有部分生產廠家因為節省成本，采用不飽和樹脂制成的絕緣子，甚至會出現全部脫落的現象，短路故障發生時，失去絕緣子控制的銅排會甩到殼體或者其他帶電導體上，造成二次短路故障。

從多次測試經驗來看，戶外型JP柜普遍采用厚度約為2mm的不銹鋼柜體，四周具有固定鋼筋，整體結構比較牢固，即使是內部發生較嚴重短路故障，也沒有發現試驗后殼體變形較大的情況，也很少發現因為短路故障，造成母排之間或母排對殼體之間的電氣間隙和爬電距離達不到標準規定的情況。

2.3功能單元短路強度驗證

功能單元短路強度是為了驗證電路中的斷路器遇到短路電流時的保護性能。在試驗電路中，對于額定電流小于或等于630A的斷路器，連接導線進出線長度為0.75m，導線截面積依據GB/T 7251.1-2013中表11和表12選擇。試驗過程中，試驗電壓應在1.05倍額定工作電壓下進行，且應維持足夠長時間，以便斷路器切斷短路電流后，恢復電壓能夠持續維持在電路上，以測試短路電流分斷后會不會引起故障重燃，為此整個通電試驗過程通常要設定在持續時間為200ms以上。

短路試驗過后，柜內各功能單元會產生的失效現象主要有以下幾種情況：

1）部分斷路器不能正常分斷電路，造成短路電流在斷路器內部產生較大的電動力和熱效應，試驗的波形如圖2所示，短路電流會產生局部上千度的高溫，很容易造成斷路器觸頭的熔焊、外殼的熔化變形等問題。

2）有的電路斷路器分斷時金屬顆粒噴濺到殼體上引起單相對地短路，噴濺到相鄰相引發相間短路等二次故障，試驗波形如圖3所示，斷路器在20ms左右的時間已經分斷電路，但是此時飛濺的金屬顆粒噴到其他相發生相間短路，短路釋放出巨大能量，短時間內快速熔化銅排，灼傷殼體內壁，并時常伴隨產生明火和濃煙，嚴重危害用電安全。

3）JP柜的出線回路大部分都是采用自動重合閘的漏電斷路器，這種產品在原有塑殼式斷路器的外殼上要加裝塑料外殼，用于包裹自動重合閘的電機和漏電控制等模塊，經常發現因為外殼選用材質比較脆，在短路電流產生的短路能量的巨大沖擊力下，發生開裂現象，對于就地操作斷路器的人員有很大的安全風險。

4）因為JP柜內空間有限，斷路器安裝的時候靠頂棚較近，斷路器分斷的過程中形成的電弧在柜體內移動，柜內其他地方相間或者相對地距離比較小的位置，就有可能發生二次短路故障。

3 分析與建議

綜合上述試驗過程和結果的分析，針對JP柜的柜型特征，建議采用以下措施改善JP柜的短路強度性能：

1）采用注塑型絕緣子或者更高機械強度的絕緣子，避免發生短路故障的情況下引發絕緣子機械強度不夠裂開的情況。

2）選用自動重合閘漏電斷路器的時候，選擇外殼材料不能太脆。由于JP柜空間有限，要兼顧配電、安全保護、無功補償等功能的要求，飛弧距離長的斷路器在柜內發生二次短路故障的概率就高，最好選用零飛弧的產品。根據JP柜安裝位置需要采用下進線的時候，還需要選擇能夠適應下進線的斷路器。

3）JP柜出廠檢查時，對斷路器進出線銅排連接處和母排連接的末端，特別注意檢查銅排上是否帶有毛刺，是否有安裝過程中遺漏的導線或者螺釘落在銅排上，銅排靠近殼體的距離是否滿足電氣間隙的要求等。

參考文獻

[1]全國低壓成套開關設備和控制設備標準化技術委員會.

低壓成套開關設備和控制設備 第１部分總則：GB/T

7251.1-2013/IEC 61439-1：2011[S].北京：中國標準

出版社，2013：12.

[2]全國低壓成套開關設備和控制設備標準化技術委員會.

低壓成套無功功率補償裝置：GB/T 15576-2020[S].

北京：中國標準出版社，2020：11.

[3]張曉戈.低壓成套開關設備進行短路強度試驗的方法

探析[J]，電氣設備，2014，（1）：64-66.

[4]劉屏周.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國

電力出版社，2016：366-367.