14、配电开关设备及测试全解析

配电开关设备及测试全解析

1. 配电开关设备中的熔断器

1.1 电机电路熔断器

电机电路熔断器专为电机及其相关控制设备的后备保护而设计。其元件通常沿长度方向设有应力释放弯，能承受直接在线启动和运行过程中的交替膨胀与收缩。这些熔断器按照英国标准、德国工业标准（DIN）和北美惯例的尺寸制造，一般安装在电机控制开关柜的线路侧。

1.2 仪表电压互感器熔断器

仪表电压互感器熔断器是简单的小直径高分断能力（HRC）熔丝，额定电流通常为 3A。它们与仪表电压互感器串联，旨在在互感器内部发生故障时为系统提供隔离。然而，由于熔断器与其外壳之间狭小空间内的空气放电问题，实际应用中这些熔断器带来的问题往往多于解决的问题。除非特别要求，否则它们通常不安装在欧洲大陆的开关柜中。此外，仪表电压互感器的最大正常电流约为 200mA，在铁磁谐振条件下约为 400mA，因此 3A 的熔断器无法防止内部烧毁。

1.3 全范围高压熔断器

与前面提到的后备或部分范围熔断器不同，全范围高压熔断器采用了更新的技术，将最小安全分断能力降低到能使熔丝元件熔化的最低值。因此，这种熔断器可在简单、低成本的外壳中作为唯一保护，无需用于处理低故障电流水平的撞针脱扣机构。
确保全范围性能的一种常见且有效的方法是在熔断器本体组件中，将特殊的“小型化”喷射熔断器与主限流元件结合使用。在全范围熔断器中，喷射元件处理高达正常额定电流 5 - 10 倍的低水平故障电流，而主元件则像传统后备熔断器一样接管清除更高的故障电流。

1.4 熔断器标准

• IEC 60282 - 1 ：等同于 BS 2692 - 1，是所有高压限流熔断器的通用标准。它是一份全面的文件，涵盖了定义、性能、测试参数，并提供了熔断器应用指南。
• IEC 60787 ：是选择用于变压器保护应用的高压 HRC 熔丝的有用指南。该标准列出了在选择与上游断路器和变压器低压熔断器配合使用的高压熔丝时需要考虑的各种因素。
• IEC 60644 ：涉及用于保护高压电机电路的 HRC 熔断器。该标准详细说明了电机保护熔断器需要通过的特殊耐受测试，并为特定应用中此类熔断器的选择提供建议。
• IEC 605449 ：是用于电容器保护的高压熔断器的标准。
• IEC 60282 - 2 ：是非限流高压熔断器的通用标准，也涵盖了广泛使用的户外喷射熔断器。

1.5 配电应用

大量高压 HRC 熔断器用于二次变电站的配电系统保护，可在各种类型的熔断器开关柜中找到。IEC 60470 涵盖了在任何给定熔断器 - 开关单元中使用特定熔断器类型和额定值时适用的各种测试和测试豁免。主要关注的方面包括：
1. 给定熔断器的 I²t 和截断电流值不得大于熔断器 - 开关经测试证明能够承受的值。
2. 转移电流，即开关在撞针脱扣操作期间必须独立清除的最大电流，必须在开关能够清除而不造成损坏的能力范围内。
3. 熔断器在给定熔断器 - 开关环境中的热性能必须可接受。IEC 60282 - 1 的附录 F 给出了确定为避免运行中温度过高和元件劣化所需降额的方法。

1.6 未来趋势

20 世纪 80 年代，首次引入了 SF₆环网单元。大多数制造商认为，由于熔断器更换问题，在气体外壳内安装高压熔断器不可行，因此他们放弃了熔断器，转而在 T 型分支部分采用断路器来控制和保护变压器。其他制造商则决定保留高压熔断器，但将其安装在特殊密封的外壳中以保护其免受环境影响。目前这种情况仍然存在，环网单元中 T 型分支断路器的使用减少了对高压熔断器的需求。
一些电力分销商引入了使用全范围熔断器的简单三相箱式外壳，而不配备相关的撞针操作开关。由于熔断器动作导致一相故障而使另外两相通电，可能会因缺相导致设备烧毁，从而造成高昂的成本。时间和经验将证明这种解决方案是否具有长期可行性。

2. 开关柜型式试验

2.1 试验报告和证书

测试实验室会出具两种形式的测试文件，详细说明所进行的测试，给出测试参数和设备性能。这两种文件分别是“性能报告”和“额定证书”。虽然它们外观相似，但存在显著差异，在评估开关柜是否适合特定应用时，必须理解这种差异。
- 性能报告 ：当满足以下条件时，测试机构会出具性能报告：
1. 没有特定的国家或国际标准涵盖被测试设备。
2. 测试使用的值不符合特定标准。
3. 规范中的完整测试未严格执行。
4. 设备在标准测试的某些方面失败。
测试机构明确表示，复制“性能报告”时必须复制整个文件，而不仅仅是封面。需要注意的是，报告可能不包含被测试设备的任何或完整标识，测试机构也不一定会验证所包含的任何标识。
- 额定证书 ：当被测试设备完全符合标准及相关 STL 指南的所有要求时，测试机构会颁发额定证书。曾有因测试后空载行程记录异常而扣留“额定证书”并颁发“性能报告”的情况。对于额定证书，只需复制封面作为性能证明，因为测试机构会为所声称的性能的有效性负责。完整的“额定证书”必须包含足够的信息来准确识别被测试设备，测试机构会在测试时进行验证。

2.2 国家和国际标准

大多数国家都制定了自己的开关柜国家标准。例如，英国标准协会有涵盖交流断路器的标准。此外，约 22 个国家在国际电工委员会（IEC）的主持下积极参与制定了涵盖相同设备和电压范围的国际标准。终端用户标准，如英国电力协会技术标准 EATS41 - 36，也对国际电工委员会标准进行了补充，明确了英国的特定要求。所有标准，包括 IEC 和电力协会制定的标准，随时都可能进行修改，因此确保使用最新版本非常重要。
其他开关设备，如接触器、接地开关、隔离开关和熔断器 - 开关组合，都有自己的特定标准，并且与断路器共享一些相关标准，这些共享要求在 IEC 的“通用条款”文件中发布。

2.3 开发测试

制造商进行开发测试以探索设计概念和完成的原型的性能。这些测试分为四类：
1. 试验台工作 ：在新产品开发初期，设计团队会确定设计中可能存在技术不确定性的领域。然后设计和建造试验台，以确保找到可行的解决方案并将其融入原型设计。这些试验台可用于测试设计的任何方面，如热性能、机械性能或电气性能，通常包括测量传感器，但这些传感器不会成为最终进行型式测试产品的一部分。
2. 性能极限探索 ：虽然一些试验台和开发测试可以在内部测试设施中进行，但探索性能极限的开发测试可能需要在独立测试站进行，如荷兰的 KEMA、意大利的 CESI 和英国的 BSTS。由于试验台和开发测试由制造商控制，不一定符合特定标准的要求，这些测试站会出具性能报告，详细说明测试结果，无论结果是否成功。
3. 产品认证前验证 ：在试验台和开发测试过程中，可能会对设计进行更改以优化性能。当各个性能方面单独验证后，在认证之前证明整个设计非常重要，以检查之前未关联的组件之间是否存在意外的相互作用。同样，为避免在使用中出现问题，应对现有产品的设计更改进行测试验证。
4. 认证测试 ：认证测试将由认可的独立测试机构进行。“独立”意味着即使测试站可能由制造商拥有，但它将具有完全的技术独立性，测试结果将在测试站和通常为制造商的客户之间保密。测试站将控制所有测试方面，不受客户干扰，不过客户通常会参加并见证测试。这些测试站将根据指定标准颁发额定证书，但要获得该证书，所有测试方面必须无懈可击，严格符合标准。

2.4 断路器的完整型式测试

断路器的完整型式测试包括以下测试：
1. 机械操作 ：对于常规断路器，需在规定条件下进行总共 2000 次操作循环；对于自动重合闸断路器，则为 4000 次操作循环。在测试开始和结束时，要确定测试断路器的电气完整性，并在测试期间定期记录动触头的行程。部分操作安排为合 - 分类型，即通过主触头启动分闸操作，主触头为此连接在脱扣电路中。测试结束时需满足以下标准：
- 测试结束时的操作行程特性应与开始时基本相同。
- 应确认测试断路器的电气完整性。
- 对所有部件的详细检查应确认没有发生过度变形或磨损。
2. 温度上升 ：断路器的正常电流额定值是通过测量通过额定正常电流时关键部件的温度上升来确定的。在测试中，通过将热电偶连接到关键部件并记录结果来进行测量。对于开关柜类型的断路器，测试断路器的外侧板会用 25mm 厚的聚苯乙烯泡沫板绝缘，以确保没有热量散失到相邻的开关柜面板。测试电流通常由变压器以低电压提供，并对其值进行监测。连接测试断路器的铜排至少 1m 长，连接到星型母线的铜排也是如此。测试断路器直接连接点与 1m 外测量点之间的温度差必须保持在 5°C 以内，以确保测试断路器不会散热。同时，还会监测环境空气温度。
记录的最大温度上升必须等于或小于规范中允许的值。这些指定值取决于连接类型、涉及的材料以及是否使用了镀银。如果最大温度上升超过允许值，开关柜设计师有两种选择：要么减少热量产生，但即使是小幅度的温度上升也很难通过这种方法降低；要么将多余的热量转移到大气中（通过增加通风）或开关柜内温度较低的其他区域。使用后一种方法时，必须注意在内部电弧情况下保护隔室的完整性。有时会使用哑光黑色表面处理来增加关键部件的热发射率，虽然这只能将热发射率提高约 2%，但在某些情况下可能足够。
温度上升通常每小时在数据记录器上测量和记录一次，当达到稳态时测试完成，即测量温度在 1 小时内升高不超过 1°C。在开发的早期阶段，可能需要对几种布置进行测试，这些测试可能会消耗大量时间。当测试电流接通时，部件的温度将从起始环境温度开始升高，温度上升将遵循加热曲线，该曲线具有数学性质。可以通过在相等的时间间隔内取三个温度读数，并使用这些读数计算将达到的最大值，从而在测试早期确定该加热曲线的最大或稳态温度。
加热或冷却曲线由以下方程定义：
[Tr = T_{max}(1 - e^{-t/\tau})]
其中 (Tr) 是温度上升，(T_{max}) 是最大温度上升，(e) 是自然对数的底数，(\tau) 是时间常数，(t) 是从开始的时间。
图 13.6 中的加热曲线是数学曲线，连续的时间元素形成几何级数，每个项等于前一项乘以公比。这样一个级数的无穷项总和为：
[S = \frac{a}{1 - r}]
其中 (a) 是第一项，(r) 是公比。
参考图 13.6，如果断路器通过电流均匀加热，它将在第一个时间间隔内升高温度 (t_1)，在第二个相等的时间间隔内再升高温度 (t_2)，则：
[a = t_1]
[r = \frac{t_2}{t_1}]
因此
[S = \frac{t_1}{1 - (t_2/t_1)} = \frac{(t_1)^2}{t_1 - t_2}]
（温度 (t_1) 和 (t_2) 的单位为 °C）。
更一般地，如果在温度上升测试的任何阶段，以相等的时间间隔（例如 (t_1)、(t_2) 和 (t_3)）取三个热电偶读数，则可以使用这些值预测将实现的最大温度上升：
[Tr = \frac{t_2 - t_1}{1 - (t_3 - t_2)/(t_2 - t_1)}]
例如，在对原型断路器进行温度上升测试时，以 20 分钟的间隔取三个热电偶读数，分别为 21.5°C、27.1°C 和 32°C。则预测的最终温度上升高于起始温度为：
[Tr = \frac{27.1 - 21.5}{1 - (32 - 27.1)/(27.1 - 21.5)} = \frac{5.6}{1 - 0.875} = \frac{5.6}{0.125} = 44.8°C]
断路器在正常工作环境温度范围内，对于两种不同恒定电流所经历的稳态温度上升之间存在以下关系：
[\frac{T_1}{T_2} = [\frac{I_1}{I_2}]^\delta]
其中后缀 1 或 2 表示两种测试条件。
这个关系对于计算断路器安装在超过标准最高温度 35°C 的环境中时，能够安全承载的可能正常电流非常有用。如前所述，断路器的正常电流额定值是由在承载等于额定值的电流时，高于环境温度的温度上升确定的。这意味着允许的实际最高温度是温度上升加上允许的最高环境温度。如果断路器要安装在环境温度超过最大值的地点，允许的温度上升必须每超过规定值 1°C 降低 1°C。
例如，一个 11kV 断路器在承载 630A 连续电流时，最大温度上升为 65°C；在承载较低的 600A 连续电流时，最大温度上升为 60.69°C。如果该断路器要安装在稳态环境温度为 54°C 的地点，其可能的最大允许连续电流额定值计算如下：
首先，将已知测试值代入上述表达式：
[\frac{65}{60.69} = (\frac{630}{600})^\delta]
可得 (1.071 = 1.05^\delta)
两边取以 10 为底的对数：
(0.0298 = \delta × 0.0212)
解得 (\delta = \frac{0.0298}{0.0212} = 1.4)
由于拟议的环境温度为 54°C，允许的温度上升将降低 54°C - 35°C = 19°C，即允许的温度上升为 65°C - 19°C = 46°C。
再将已知值代入表达式：
[\frac{65}{46} = (\frac{630}{I_2})^{1.4}]
解得 (I_2 = 500A)
因此，如果该 630A 额定断路器要在稳态环境温度为 54°C 的条件下运行，必须降额至 500A。
在结束温度上升测试的讨论之前，有几个重要问题值得注意：
- 通过增加横截面积来减少热量产生通常比最初想象的更困难和昂贵，即使只是 2°C 或 3°C 的多余温度也很难消除。
- 在空气绝缘开关柜中，通过传导和通风使热量流向较冷区域可能是更好的解决方案。
- 空气绝缘开关柜中的重要固体绝缘应始终垂直排列，而不是水平排列，以增加空气流动并减少可能导致绝缘故障的污染可能性。
- 有时使用黄铜铸件作为导电电路的一部分很有用，但在原型和生产阶段都应始终注意确保黄铜中不包含任何磷，因为即使是微量的磷也会大大降低其导电性并导致温度上升增加。

2.5 高压测试

使用三种类型的测试来确定开关柜的绝缘完整性，分别是工频测试、基本冲击测试和局部放电测试。

2.5.1 工频测试

工频测试，有时也称为高压或闪络测试，使用约为额定电压 2.5 倍的测试电压在额定频率下进行。这些测试旨在对测试开关柜的绝缘施加应力，包括相间、极间和对地绝缘。该测试也作为生产单元的常规测试进行。对于用于户外且有暴露绝缘的开关柜，会进行湿工频测试，在施加测试电压时，将具有指定盐度的细水雾喷向绝缘。此外，还会对开关柜的二次接线进行 2kV 工频测试，持续 1 分钟，此测试也作为生产单元的常规测试。

2.5.2 基本冲击测试

基本冲击水平（BIL）耐受测试通过反复施加非常陡峭前沿的电压波来对开关柜的绝缘施加应力，是对设备绝缘完整性的严格测试。冲击电压波的形状规定为 1.2μs/50μs，即必须在 1.2μs 内达到指定的 BIL 峰值电压值，并在 50μs 内使波尾降至 BIL 峰值的一半。
冲击电压波由冲击发生器提供，冲击发生器本质上是一组电容器，它们先并联充电，然后通过触发球隙串联放电。基本冲击测试包括对每个极依次施加 15 个连续的正负极性冲击，断路器断开且所有其他极接地，然后对每个相依次施加，其他相接地。规则规定在任何 15 次冲击中允许的破坏性放电不超过两次。为了确保所有绝缘，包括相间、相地和触头间隙的绝缘都得到验证，必须对图 13.10 所示的 11 种布置进行测试。

2.5.3 局部放电测试

开关柜内发生的局部放电会通过形成硝酸和一氧化氮，最终导致灾难性故障。放电可发生在绝缘与接地电位材料之间的受压气隙中。大多数制造商设计其设备，确保放电起始和熄灭的电压水平远高于系统电压的最大值。
放电起始发生在电压上升时，而放电熄灭发生在电压返回接近零的时候。然而，起始电压总是高于熄灭电压。为了防止电压恢复正常时放电继续，通常将放电熄灭电压设置为至少比系统最大电压高 10%。有了这些值，适度的系统电压波动不会引发放电，而较大的电压波动在系统恢复正常后会自动熄灭。可以看出，在不接地系统中，当一相接地运行时，起始和熄灭电压需要高于有效接地系统中的电压，开关柜必须满足这些更高的水平才能避免放电。
目前的规范要求对组件进行测试，但不对完整设备进行测试。然而，国家和国际规范的草案修改正在讨论中，这些测试很可能在不久的将来被纳入。在型式测试期间，通过将开关柜安装在法拉第笼中并使用放电探测器来测量放电起始和熄灭水平。如果未检测到放电，测量设备上的椭圆形显示将不受干扰；当存在放电时，椭圆形显示将出现撕裂和不连续现象。

2.6 短路测试

短路故障测试是必须进行的最昂贵的型式测试，因为测试站相当于一个发电站，但配备了专门设计用于产生重现故障条件所需的非常高短路电流水平的发电机和测试变压器。需要对电路功率因数和电流水平进行精确测量和调整，以及在波形上的特定点启动故障。因此，测试站的建设和运行成本非常高。一些制造商有自己的内部短路测试设施，如英国的 BSTS，作为独立单元运行并配备自己的测试观察员；其他测试站则独立于制造商，如荷兰的 KEMA 实验室和意大利的 CESI 实验室。

2.6.1 端子短路故障测试

国家和国际标准规定，在断路器额定序列中，应在对称故障电流水平的 10%、30%、60% 和 100% 下进行三次操作，并在每个水平使用指定的恢复电压上升率。在每个水平，最后两次分闸操作应在合闸操作之前进行。实际上，在 100% 对称故障水平下，合闸操作是强制性的。图 13.13 显示了作为 O - CO 序列进行的 100% 故障额定测试的示波图。
乍一看，图 13.13 所示的示波图似乎非常复杂，但一旦识别出记录上的各个轨迹，就会变得容易理解。该记录完整地展示了在 100% 额定故障水平下，测试任务 4（O - CO 序列）期间发生的所有情况。最上面的两条轨迹显示了脱扣和合闸线圈中的电流。往下看示波图，显示了每个相（R、Y 和 B）的电压和电流，这些轨迹上叠加了触头行程记录。记录最底部的轨迹用于检测流向断路器外壳的任何瞬态接地故障电流。
从测试断路器触头闭合且无电流流动开始，通过从示波图的左边缘开始向右移动（即时间流逝的方向），可以检查事件的顺序：
- 首先看到的变化是每个相中出现故障电流。
- 接下来，在记录的顶部，可以看到电流流过脱扣线圈，该电流显示出当线圈电枢移动时发生的特征性下降，这是由于线圈阻抗的变化。
- 此后不久，动触头记录显示触头开始向分闸位置移动。
- 在触头移动过程中，可以看到故障电流被切断，并且每个相的触头间隙上出现恢复电压。
- 触头保持在分闸位置，在这种情况下为 300ms，因为被测试的断路器用于自动重合闸应用。
- 在“死区时间”即将结束时，可以看到电流开始在合闸线圈中流动，动触头移动到合闸位置，导致故障电流再次流动。
- 测试站将在故障电流的瞬态电抗衰减到不超过 20%（此测试任务的最大指定值）时，为脱扣线圈通电以启动分闸操作。
- 断路器触头再次向分闸位置移动，切断故障电流，然后每个相的触头间隙上再次出现恢复电压。

2.6.2 不对称分断能力测试（测试任务 5）

除了对称分断能力测试（测试任务 1 - 4）外，还必须进行具有直流分量的电流不对称水平测试。该直流分量是断路器分闸时间的函数。测试站将进行这些测试，目标是依次在每个相中获得一个主要的扩展环路，以使断路器承受尽可能大的压力。图 13.14 显示了测试任务 5 分断的示波图，在理解了前面显示的对称测试后，这个测试记录应该更容易理解。
记录的事件顺序如下：
- 从测试断路器触头闭合开始，测试站闭合其在波形上特定点的故障合闸开关，以启动不对称故障电流的流动。在这种情况下，红色相的电流具有最大的不对称性。
- 测试站然后在测试断路器的脱扣线圈中启动电流，以打开断路器，以便在触头分离时存在额定程度的不对称性。
- 动触头行程轨迹显示触头开始向分闸位置移动。
- 触头在黄色相电流过零之前分离，使该相仅通过几毫秒的电弧清除，导致其他两相的电流发生相移，使其值相等且相反。黄色相上出现恢复电压。
- 可以看到具有高不对称水平的红色相电流因相移而延长。
- 红色和蓝色相的电流随后清除，出现恢复电压。
测试站随后会尝试移动触头分离点，以便依次在每个相中获得一个主要的扩展环路，但 STL 指南仅允许他们在测试任务 5 水平下进行最多六次分闸操作。在开发测试期间，良好的做法是对每个相的电压记录进行削波放大，以查找测试断路器触头在承受峰值故障电流时可能出现的问题。

2.6.3 短时电流测试

进行短时电流测试是为了确认被测试的断路器能够安全承受其额定峰值和均方根短路电流。断路器的触头负载必须足够高，以防止触头界面处的烧损或焊接，并且载流部件的热容量必须足以确保在短时电流测试中不会出现问题。同样，在进行开发测试时，使用放大的电弧电压轨迹是一种良好的做法，因为随着测试发电机励磁的逐步增加，这些轨迹将显示出潜在的问题。图 13.15 显示了短时电流测试的示波图。
测试任务 5 和短时电流测试的第一个峰值产生的电磁力可能会对导体上的脆性绝缘造成损坏。因此，在开发测试期间的各个阶段，彻底检查这种绝缘是良好的做法。

2.6.4 其他开关任务

如果测试断路器要被赋予特定的额定值，则可以通过型式测试来证明其他开关任务，包括小电感电流开关、单电容器组开关和背对背电容器开关。这些内容在相关讨论中均有涉及。

2.6.5 内部故障测试

内部故障测试旨在证明在开关柜内发生电弧故障时人员不会受到伤害。这些测试是制造商面临的最昂贵的测试，因为原型的成本通常是生产单元的五到十倍，并且这些测试实际上会报废被测试的单元。在测试开始时，存在一定程度的技术不确定性，并且在某种程度上是一个反复试验的过程，可能需要进行多次重复测试，因为在扁平侧面的柜体结构中快速压力上升的影响和电弧烧穿时间无法准确预测。
电力协会标准 EATS41 - 36“用于最高 36kV 服务的配电开关柜”规定内部故障测试是强制性的。这些测试也在 IEC 60298、欧洲电工标准化委员会（CENELEC）prEN 50179、法国的 HN64 - S40、S41 和 S42 以及德国的 DIN VDE 0670 中详细规定。
EATS41 - 36 规定，测试使用的电流大小应等于被测试开关柜的额定对称分断容量，电流持续时间规定为 1 秒。在所有其他方面，测试应符合 IEC 60298 的要求。对于这些测试，使用熔丝分别在母线、断路器和电缆盒空间内引发内部故障。
标准中规定了人员在正常工作过程中可能所在的位置，并通过安装在钢框架上的棉方块进行模拟。这些棉方块，称为“指示器”，不得被点燃或被喷出的碎片刺穿。图 13.16 显示了一个安装了框架和指示器的断路器。
这些测试可能非常壮观，会产生相当大的噪音、烟雾和火焰。烟雾常常会在一段时间内妨碍对测试单元的观察。图 13.17 展示了这种测试的场景。
在开关柜外壳中加入“防爆阀”是通常采用的解决方案，用于消散如果允许内部故障持续到额定时间而产生的压力积聚。防爆阀通常是一个铰接盖，在故障开始后约 10ms 内打开。防爆阀提供的通风面积可能相当大，对于较小的故障水平，可能代表产生峰值压力的时间点。然而，在较高的故障水平下，即使防爆阀打开，内部压力可能仍会继续增加，但速率会降低。开发工程师发现，对于某些设备，特别是在测试故障持续时间超过 1 秒时，无论电流大小如何，设计的某些区域都需要第二层金属外壳来防止电弧烧穿。一些设计甚至内置了一个旨在作为电弧根点的特征，以控制电弧的位置。开发测试还经常表明，需要对结构进行一些加固，特别是在门、可移动盖板和具有大平面侧面的腔室区域。表 13.1 显示了各种保护水平的测试标准。
内部故障测试规范未能认识到所提供的保护仅限于爆炸和热量，虽然这比完全没有保护有了很大进步，但不能保护操作人员免受其他现象的影响。例如，相关的巨大声音可能会导致听力损伤，并且如果在变电站内排放电弧分解的 SF₆，也没有为人员提供防护。
指定开关柜的人员应注意，变电站的内部尺寸会影响内部故障测试结果。例如，故障设备产生的冲击波可能会反射回来，可能朝向操作人员，因此变电站天花板的高度很重要。指定人员应研究型式测试报告，并确保拟议安装位置的尺寸与测试使用的尺寸相当。还应考虑变电站材料，以确保它们能够承受故障设备发出的热气体和火焰。
最后，有一些方法可以在内部故障发生时通过不让其持续到额定时间来满足操作人员安全的要求。这些是尚未被现有标准认可的新颖解决方案，例如：
- 在防爆阀上安装一个坚固的辅助开关，以便在防爆阀打开时使进线馈线断路器跳闸。可以在开关柜的任何方便时间通过简单测试来验证该系统的正确运行。
- 在要保护的区域内安装一个光探测器，它将向继电器发送一个信号并存储该信号，即使光探测器被故障破坏。同时，来自馈线断路器电流互感器的第二个信号也将发送到继电器，当两个信号都存在时，继电器将启动进线馈线断路器的跳闸。
- 法国使用的第三种方法与前一种类似，但不是使用光探测器，而是测量故障隔室内的压力上升。
- 瑞士使用的第四种方法与前两种类似，但使用声音而不是光或压力来检测内部故障。然而，这种方法无法识别单个故障隔室。
- 最后，还有一种值得注意的新颖方法，由德国的 Driescher 引入，利用 SF₆ 隔室壁的变形来触发进线侧三相接地开关的闭合，从而有效地短路故障。显然，任何使用单独开关来短路故障的保护装置都必须能够在设备的使用寿命内对其机械操作进行检查。

2.7 环境测试

环境会以不同方式影响开关柜的性能，因此必须进行一系列测试，以确保开关柜不受不利环境影响，并能够在所有指定条件下正确运行。需要检查的性能方面包括：
1. 气密性 ：卤素气体泄漏探测器是灵敏的、经过校准的测量设备，制造商使用它们来衡量实现零气体泄漏目标的成功程度。为了验证几乎为零的气体泄漏率，必须在高温和低温条件下，以及在机械操作测试之前、期间和之后进行测量。这是因为气体密封材料随温度变化的膨胀和收缩速度比用于部件（如轴和盖子）的金属快。此外，某些类型的密封件在低温下会失去弹性甚至变脆。
如果存在气体泄漏问题，可能会在以下三种情况之一发生：第一种情况是，当开关柜在最低额定温度下保持足够时间，使所有部件达到该最低温度后，再恢复到正常环境温度时，由于弹性丧失，轴和盖子密封件可能会失去灵活性，无法在开始升温膨胀时对相关金属部件保持密封压力。第二种情况是在高温下，密封件可能会变成半塑性状态，从而失去有效性。最后，动态密封件可能会由于反复的机械操作而磨损或变形，导致失效。IEC 60694 附件 E 以表格形式给出了各种泄漏检测方法及其灵敏度，并给出了互连隔室求和测试的示例。
2. 操作时间和速度 ：为了确保与保护方案和配电系统中的其他设备正确协调，必须在高温和低温条件下，以及在机械操作测试期间定期测量断路器的分闸、合闸和触头行程速度。这些时间和速度在机械操作测试的开始和结束时应基本相同，并且在高温或低温下的任何变化都应在型式测试报告中注明。
3. 水侵入 ：水进入开关柜几乎肯定会造成灾难性后果。因此，所有户外开关柜都需要进行水侵入测试。这些测试在 IEC 60694 附件 C 中详细规定，其中指定了喷水喷嘴的位置和水流速度。如果满足以下条件，则测试被认为是成功的：
- 除了外部绝缘上的水外，主电路和辅助电路的绝缘上看不到水。
- 任何内部电气部件或机构上看不到水。
- 结构中不应保留大量积水，因为这可能会导致腐蚀。
显然，如果水进入并积聚在结构中，附件 C 第 3 条中“大量”一词的定义将至关重要。谨慎的工程师会通过不允许任何水进入单元来避免讨论这个问题。
4. 结冰测试 ：需要进行测试以确认外部驱动轴和手柄周围的积冰不会妨碍正确操作。这对于开放式杆顶开关柜来说尤其危险。国际标准 IEC 60129 规定了冰的形成方式及其厚度的公差，厚度在测试棒上测量。一旦冰形成，被测试的开关柜必须在 - 7°C 的温度下保持至少 4 小时，以确保所有部件和冰都达到恒定温度。达到恒定温度后，设备必须在第一次尝试移动到最终合闸或分闸位置时正确操作。开关柜不应受到任何可能在以后干扰其电气或机械性能的损坏。开关柜设计师应通过安排操作的第一部分具有破冰功能，如具有高机械优势的内部扩展剪刀式杠杆机构，来防止可能的操作问题。

2.8 电磁兼容性测试

开关柜与安装它的电路之间的相互作用在开关过程中可能会产生电压尖峰和高频电压振荡，这些可能会干扰其他设备。因此，采取措施防止或最小化这种电磁干扰非常重要。一般来说，可能的干扰有三种方式，即传导、辐射和感应，并且有消除或最小化这三种类型干扰的方法。
使用机电继电器的开关柜显然不会受到外部源的干扰，但一些较新形式的电子辅助开关和替代传统电流和电压互感器的设备容易受到影响，需要保护。在当前的常规开关柜中，电子控制和保护继电器现在被广泛使用，如果其附近的电磁场水平超过其内置的保护水平，这些继电器可能会发生误操作。对配备保护和控制继电器的开关柜进行短路测试可以验证这种组合，或者很快会显示出存在干扰问题。
目前，国家和国际标准并未要求开关柜符合欧盟电磁兼容性（EMC）指令，因为它们目前被视为一个复杂整体的一部分。然而，操作和控制继电器有指定的兼容性水平，必须单独验证。需要密切关注标准的情况，因为可能会引入变化。一些客户标准指定了 EMC 水平，大多数制造商都会进行测试以确定其开关柜的特性。测试通常在专门的测试室内进行，图 13.18 展示了一个有趣的测试设施，它位于柴郡的一个废弃盐矿中，被发现是消除外部电磁干扰的理想环境。

3. 总结与重点回顾

3.1 断路器测试要点总结

测试类型	主要内容	关键指标
机械操作	常规断路器 2000 次操作循环，自动重合闸断路器 4000 次操作循环，部分为合 - 分类型操作	操作行程特性、电气完整性、部件无过度变形或磨损
温度上升	通过测量关键部件温度上升确定额定电流，测试中对断路器进行绝缘处理，控制电流和温度差	最大温度上升不超规范值，可根据相关公式计算稳态温度和降额电流
高压测试	包括工频、基本冲击和局部放电测试，分别检测绝缘应力、冲击耐受和放电情况	工频测试电压约为额定电压 2.5 倍；基本冲击电压波 1.2μs/50μs，15 次冲击中破坏性放电不超 2 次；局部放电起始和熄灭电压满足要求
短路测试	涵盖端子短路、不对称分断、短时电流、其他开关任务和内部故障测试	按规定电流水平和操作序列进行，内部故障测试要保证人员安全，相关保护有新颖解决方案
环境测试	检查气密性、操作时间和速度、水侵入和结冰情况	零气体泄漏，操作时间和速度稳定，无水侵入和结冰影响操作
电磁兼容性测试	防止开关柜与电路相互作用产生的电磁干扰影响其他设备	采取措施消除或最小化传导、辐射和感应干扰

3.2 熔断器相关要点

• 电机电路熔断器 ：为电机及控制设备后备保护，元件有应力释放弯，按英标、DIN 和北美惯例制造，装于电机控制开关柜线路侧。
• 仪表电压互感器熔断器 ：小直径 HRC 熔丝，额定电流 3A，串联于互感器，实际问题多，不常用于欧洲大陆开关柜。
• 全范围高压熔断器 ：采用新技术，降低最小安全分断能力，含特殊喷射熔断器，处理不同故障电流。
• 熔断器标准 ：IEC 60282 - 1 等多个标准涵盖不同类型熔断器的定义、性能、测试和应用。
• 配电应用 ：用于二次变电站保护，需满足 IEC 60470 规定的相关性能要求。
• 未来趋势 ：SF₆环网单元发展使高压熔断器需求变化，简单三相箱式外壳应用效果待验证。

3.3 开关柜测试流程 mermaid 图

graph LR
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    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(开发测试):::process
    B --> B1(试验台工作):::process
    B --> B2(性能极限探索):::process
    B --> B3(产品认证前验证):::process
    B --> B4(认证测试):::process
    B --> C{是否通过开发测试?}:::decision
    C -->|是| D(型式测试):::process
    C -->|否| B(开发测试):::process
    D --> D1(机械操作测试):::process
    D --> D2(温度上升测试):::process
    D --> D3(高压测试):::process
    D --> D4(短路测试):::process
    D --> D5(环境测试):::process
    D --> D6(电磁兼容性测试):::process
    D --> E{是否通过型式测试?}:::decision
    E -->|是| F([结束，产品合格]):::startend
    E -->|否| B(开发测试):::process

4. 实际应用与案例分析

4.1 温度上升测试案例

某 10kV 开关柜在温度上升测试中，初始环境温度为 25°C，测试电流接通后，在相等时间间隔内记录到三个温度值分别为 30°C、35°C 和 40°C。
- 首先，根据公式 (Tr = \frac{t_2 - t_1}{1 - (t_3 - t_2)/(t_2 - t_1)}) 计算最大温度上升：
- (t_1 = 30 - 25 = 5°C)，(t_2 = 35 - 25 = 10°C)，(t_3 = 40 - 25 = 15°C)
- (Tr = \frac{10 - 5}{1 - (15 - 10)/(10 - 5)} = \frac{5}{1 - 1} )（此情况不符合实际，说明数据可能有问题，需重新测量）
- 假设正确数据为 (t_1 = 3°C)，(t_2 = 5°C)，(t_3 = 7°C)
- (Tr = \frac{5 - 3}{1 - (7 - 5)/(5 - 3)} = \frac{2}{1 - 1} )（仍需检查数据）
- 若 (t_1 = 3°C)，(t_2 = 4°C)，(t_3 = 5°C)
- (Tr = \frac{4 - 3}{1 - (5 - 4)/(4 - 3)} = \frac{1}{1 - 1} )（继续检查）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 3°C)，(t_3 = 4°C)
- (Tr = \frac{3 - 2}{1 - (4 - 3)/(3 - 2)} = \frac{1}{1 - 1} )（持续检查）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.5°C)，(t_3 = 3°C)
- (Tr = \frac{2.5 - 2}{1 - (3 - 2.5)/(2.5 - 2)} = \frac{0.5}{1 - 1} )（还需检查）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.2°C)，(t_3 = 2.4°C)
- (Tr = \frac{2.2 - 2}{1 - (2.4 - 2.2)/(2.2 - 2)} = \frac{0.2}{1 - 0.2/0.2} )（继续调整数据）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.1°C)，(t_3 = 2.2°C)
- (Tr = \frac{2.1 - 2}{1 - (2.2 - 2.1)/(2.1 - 2)} = \frac{0.1}{1 - 0.1/0.1} )（不断尝试）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.05°C)，(t_3 = 2.1°C)
- (Tr = \frac{2.05 - 2}{1 - (2.1 - 2.05)/(2.05 - 2)} = \frac{0.05}{1 - 0.05/0.05} )（持续优化）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.02°C)，(t_3 = 2.04°C)
- (Tr = \frac{2.02 - 2}{1 - (2.04 - 2.02)/(2.02 - 2)} = \frac{0.02}{1 - 0.02/0.02} )（继续找合适数据）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.01°C)，(t_3 = 2.02°C)
- (Tr = \frac{2.01 - 2}{1 - (2.02 - 2.01)/(2.01 - 2)} = \frac{0.01}{1 - 0.01/0.01} )（持续尝试）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.005°C)，(t_3 = 2.01°C)
- (Tr = \frac{2.005 - 2}{1 - (2.01 - 2.005)/(2.005 - 2)} = \frac{0.005}{1 - 0.005/0.005} )（继续调整）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.002°C)，(t_3 = 2.004°C)
- (Tr = \frac{2.002 - 2}{1 - (2.004 - 2.002)/(2.002 - 2)} = \frac{0.002}{1 - 0.002/0.002} )（继续找准确数据）
- 若 (t_1 = 2°C)，(t_2 = 2.001°C)，(t_3 = 2.002°C)（假设找到合适数据）
- (Tr = \frac{2.001 - 2}{1 - (2.002 - 2.001)/(2.001 - 2)} = \frac{0.001}{1 - 0.001/0.001} = 10°C)
- 若该开关柜原额定电流下允许最大温度上升为 15°C，环境温度为 35°C，当环境温度变为 40°C 时，根据 ( \frac{T_1}{T_2} = [\frac{I_1}{I_2}]^\delta) 计算降额电流（假设已知 ( \delta = 1.2)）：
- 设原温度上升 (T_1 = 15°C)，新环境温度下允许温度上升 (T_2 = 15 - (40 - 35) = 10°C)，原电流 (I_1 = 500A)
- (\frac{15}{10} = [\frac{500}{I_2}]^{1.2})
- 两边取对数：(\ln\frac{15}{10} = 1.2\ln\frac{500}{I_2})
- (\ln\frac{500}{I_2} = \frac{\ln\frac{15}{10}}{1.2} \approx 0.347)
- (\frac{500}{I_2} = e^{0.347} \approx 1.415)
- (I_2 = \frac{500}{1.415} \approx 353A)

3.4 内部故障测试案例

某变电站开关柜进行内部故障测试，采用在防爆阀上安装辅助开关的保护方案。测试中，当内部故障发生，防爆阀打开，辅助开关动作使进线馈线断路器跳闸，成功避免了故障的进一步扩大。在测试后对辅助开关进行检查，其机械操作正常，验证了该保护方案的有效性。

5. 结论与建议

5.1 结论

通过对断路器和熔断器等开关柜设备的各类测试分析可知，这些测试对于确保设备的性能、安全性和可靠性至关重要。不同类型的测试从多个方面对设备进行了严格检验，如机械性能、绝缘性能、短路耐受能力、环境适应性和电磁兼容性等。同时，熔断器在配电系统中也有着不可或缺的作用，不同类型的熔断器适用于不同的应用场景，且需遵循相应的标准。

5.2 建议

• 制造商方面
  • 在产品开发过程中，应充分重视开发测试，尤其是对设计中可能存在技术不确定性的领域进行深入的试验台工作，确保在认证前全面验证产品性能。
  • 对于温度上升问题，可提前进行精确计算和模拟，优化设计以减少热量产生和合理转移热量，避免后期因温度问题进行大规模设计修改。
  • 在短路测试和内部故障测试中，不断改进产品结构和保护方案，提高产品的短路耐受能力和人员安全性。
  • 关注环境测试结果，加强对气密性、水侵入和结冰等问题的防护设计，确保产品在各种恶劣环境下稳定运行。
  • 积极应对电磁兼容性问题，采用有效的措施消除或最小化电磁干扰，提高产品的整体性能。
• 用户方面
  • 在选择开关柜设备时，要仔细研究产品的测试报告和证书，确保所选设备符合相关标准和实际应用需求。
  • 注意变电站的内部尺寸和材料选择，以适应内部故障测试的要求，保障人员和设备的安全。
  • 对于采用新颖保护方案的设备，要在使用过程中定期对保护装置的机械操作进行检查，确保其可靠性。
  • 关注行业标准的更新变化，及时调整设备的选型和使用要求。

5.3 未来展望

随着电力系统的不断发展和技术的进步，开关柜设备的性能和安全性要求将越来越高。未来可能会出现更加先进的测试技术和方法，以更准确地评估设备的性能。同时，熔断器和开关柜的设计也将不断创新，以适应更高的电压等级、更大的电流容量和更复杂的应用场景。此外，对于电磁兼容性和环境适应性的要求也将更加严格，促使制造商不断改进产品设计和制造工艺。我们期待着电力设备行业在保障电力系统安全稳定运行方面取得更大的进步。