低压综合配电箱短路耐受强度影响技术分析

张学军

摘要：短路耐受强度是低压综合配电箱安全性能的重要指标之一，也是监督检查的重点项目，文中结合检验工作经验和对产品标准的理解，深入分析JP柜的短路耐受强度试验方法，分析影响该项目不合格的主要因素，并对JP柜中断路器的选型和短路强度性能改善等方面提出相关建议。

关键词：低压综合配电箱（JP柜）；断路器；短路耐受强度

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

低压综合配电箱（以下简称“JP柜”）是指安装于柱上变压器的低压出线侧，由低压开关设备、无功补偿调节装置、电能表、避雷器等元件组成的低压成套设备，可以实现配电、安全保护、无功补偿、计量等多种功能。一般箱体采用不锈钢材质，布置在户外能够防雨、防尘，防电磁干扰，并且有足够的强度。由于和变压器的容量形成固定配合，布置到现场十分便捷，在农村和城乡结合部等地方得到广泛的应用。

短路耐受强度是JP柜安全性能的重要指标之一，该项目也是国家电网公司对于JP柜质量监督检查的重点项目。文中深入分析JP柜的短路耐受强度试验方法，分析影响该项目的主要因素，并对改善短路强度性能提出了相应的建议，对于促进JP柜安全运行，促进质量提升具有重要的意义。

1短路耐受强度试验方法[1]

文中提到的JP柜短路耐受强度标准依照GB/T 7251.1-2013執行，应能耐受不超过额定值的短路电流所产生的热应力和电动应力，对于JP柜中无功补偿容量不小于150kvar时[2]，其主电路的额定短时耐受电流应不小于15kA。

JP柜中主电路一般有3种保护方案：1）不依赖于短路保护电器；2）依赖于成套设备中进线短路保护电器；3）依赖于上一级短路保护电器。不管用上述的一种或者几种保护方案，主电路都应该达到额定值的短路电流引发的最大热应力和电动应力。

对于有主母线的成套开关设备[3]，还应检验主母线和至少含一个拟向外延伸母线接点的进线电路的短路耐受强度，试验中短路点应选择包括主母线在内的长度应为2m±0.4m处，对于常用的JP柜，主母线长度一般小于1.6m，试验时应该验证整条母线，短路点设置在母线的末端。短路强度试验除了测试主电路母线外，还需要测试中性导体和最靠近相导体之间的短路耐受强度，试验电流是相电流的60%。

为了验证保护成套开关设备保护电路的连续性，将单相试验电源一极连接到一相的进线端子上，另一极连接到进线保护导体的端子上，成套设备的框架应与地绝缘，试验电压为1.05倍额定工作电压的单相值。每一个出线回路都要进行测试，试验电流值应至少为成套设备三相试验期间相电流的60%。

2  JP柜短路强度试验技术分析

2.1 选用的JP柜参数

文中选取JP柜的无功补偿容量为400KVA，配电回路的配置为一进两出，其进线主电路都选取了额定电流为800A的塑料外壳式断路器，出线回路选取额定电流均为400A的塑料外壳式断路器和隔离开关组合。

在短路强度试验过程中，依次对JP柜的进线开关和各个功能单元的进出线进行短路强度的验证。依据现行标准方法，试验施加短路电流15kA，试验过程中采用数据存储式采集系统进行测量。柜内短路点及分布如图1所示。

2.2 母线短路耐受强度

标准中规定应对有主母线的成套设备进行短路耐受强度的试验验证，如果一组母线是由不同母线段构成，则每段要分别进行试验，文中研究的JP柜都是采用相同的水平母线结构。母线进行短时耐受能力验证试验后，母线和导体的变形是允许的，但是电气间隙和爬电距离应满足标准的规定，并且母线和柜体结构的变形不应使正常使用者受到损害，不能造成柜体不满足相应的防护等级要求，其母线支撑件不应出现裂缝，不应碎裂成多块。

文中选取JP柜主母线采用60mm×6mm的铜排，铜排水平安装，长边相对，中心距离60mm，母线长度0.4m，母线中流过的短路电流为15kA，三相交流电的最大短路电动力一定是冲击短路电流峰值出现的时刻，此时边上两相受到的最大电动力是2.65倍稳态时电动力，而中间相受到的最大电动力为2.8倍稳态时电动力，是周期性摇摆的电动力。查界面系数曲线[4]，因为（铜排中心距-铜排厚度）/（铜排厚度+铜排宽度）=（60-6）/（60+6）=0.81，取截面系数Kc为0.85。此时计算中间相电动力如式（1）。

由式（1）可见，中间相受到的最大短时电动力有将近2KN，比较常见的故障是将铜排固定在柜体的绝缘子出现开裂的情况，有部分生产厂家因为节省成本，采用不饱和树脂制成的绝缘子，甚至会出现全部脱落的现象，短路故障发生时，失去绝缘子控制的铜排会甩到壳体或者其他带电导体上，造成二次短路故障。

从多次测试经验来看，户外型JP柜普遍采用厚度约为2mm的不锈钢柜体，四周具有固定钢筋，整体结构比较牢固，即使是内部发生较严重短路故障，也没有发现试验后壳体变形较大的情况，也很少發现因为短路故障，造成母排之间或母排对壳体之间的电气间隙和爬电距离达不到标准规定的情况。

2.3功能单元短路强度验证

功能单元短路强度是为了验证电路中的断路器遇到短路电流时的保护性能。在试验电路中，对于额定电流小于或等于630A的断路器，连接导线进出线长度为0.75m，导线截面积依据GB/T 7251.1-2013中表11和表12选择。试验过程中，试验电压应在1.05倍额定工作电压下进行，且应维持足够长时间，以便断路器切断短路电流后，恢复电压能够持续维持在电路上，以测试短路电流分断后会不会引起故障重燃，为此整个通电试验过程通常要设定在持续时间为200ms以上。

短路试验过后，柜内各功能单元会产生的失效现象主要有以下几种情况：

1）部分断路器不能正常分断电路，造成短路电流在断路器内部产生较大的电动力和热效应，试验的波形如图2所示，短路电流会产生局部上千度的高温，很容易造成断路器触头的熔焊、外壳的熔化变形等问题。

2）有的电路断路器分断时金属颗粒喷溅到壳体上引起单相对地短路，喷溅到相邻相引发相间短路等二次故障，试验波形如图3所示，断路器在20ms左右的时间已经分断电路，但是此时飞溅的金属颗粒喷到其他相发生相间短路，短路释放出巨大能量，短时间内快速熔化铜排，灼伤壳体内壁，并时常伴随产生明火和浓烟，严重危害用电安全。

3）JP柜的出线回路大部分都是采用自动重合闸的漏电断路器，这种产品在原有塑壳式断路器的外壳上要加装塑料外壳，用于包裹自动重合闸的电机和漏电控制等模块，经常发现因为外壳选用材质比较脆，在短路电流产生的短路能量的巨大冲击力下，发生开裂现象，对于就地操作断路器的人员有很大的安全风险。

4）因为JP柜内空间有限，断路器安装的时候靠顶棚较近，断路器分断的过程中形成的电弧在柜体内移动，柜内其他地方相间或者相对地距离比较小的位置，就有可能发生二次短路故障。

3 分析与建议

综合上述试验过程和结果的分析，针对JP柜的柜型特征，建议采用以下措施改善JP柜的短路强度性能：

1）采用注塑型绝缘子或者更高机械强度的绝缘子，避免发生短路故障的情况下引发绝缘子机械强度不够裂开的情况。

2）选用自动重合闸漏电断路器的时候，选择外壳材料不能太脆。由于JP柜空间有限，要兼顾配电、安全保护、无功补偿等功能的要求，飞弧距离长的断路器在柜内发生二次短路故障的概率就高，最好选用零飞弧的产品。根据JP柜安装位置需要采用下进线的时候，还需要选择能够适应下进线的断路器。

3）JP柜出厂检查时，对断路器进出线铜排连接处和母排连接的末端，特别注意检查铜排上是否带有毛刺，是否有安装过程中遗漏的导线或者螺钉落在铜排上，铜排靠近壳体的距离是否满足电气间隙的要求等。

参考文献

[1]全国低压成套开关设备和控制设备标准化技术委员会.

低压成套开关设备和控制设备 第１部分总则：GB/T

7251.1-2013/IEC 61439-1：2011[S].北京：中国标准

出版社，2013：12.

[2]全国低压成套开关设备和控制设备标准化技术委员会.

低压成套无功功率补偿装置：GB/T 15576-2020[S].

北京：中国标准出版社，2020：11.

[3]张晓戈.低压成套开关设备进行短路强度试验的方法

探析[J]，电气设备，2014，（1）：64-66.

[4]刘屏周.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国

电力出版社，2016：366-367.