GB 7251.12中成套电力开关和控制设备试验分析

2015-06-26牟聿强王姜骅卢林张文征戴铭高永乐

电气传动 2015年1期

牟聿强，王姜骅，卢林，张文征，戴铭，高永乐

（1.天津电气传动设计研究所有限公司，天津300180；2.中国质量认证中心，北京100070）

《GB 7251.1—2013/IEC 61439—1：2011 低压成套开关设备和控制设备第一部分：总则》［1］以及《GB 7251.12—2013/IEC 61439—2：2011 低压成套开关设备和控制设备第二部分：成套电力开关和控制设备》［2］已于2013-12-31发布。其代替版本为《GB 7251.1—2005/IEC 60439—1：1999 低压成套开关设备和控制设备第一部分：型式试验和部分型式试验成套设备》［3］。本文第一部分叙述了GB 7251.12 针对替代版本中增加和变化的试验项目。根据各个试验的特点给出一种建议性的试验顺序。本文的第二部分针对变化较大的温升试验进行了详细的阐述并给出一个温升试验案例。最后对影响温升结论的各种因素进行了分析并给出了优化方案。（GB 7251.1—2013 有3 种验证方式，本文仅讨论试验验证verification test）。希望得出的结论对广大试验人员与成套设备生产企业人员有所帮助。

1 GB 7251.12中的试验项目

GB 7251.1—2005 中的全部型式试验项目均包含于GB 7251.12—2013 中，GB 7251.12—2013对其替代版本进行了试验的增加和变化。由于替代版本已施行多年，下面分别对增加和变化的项目进行说明，对于相同的试验项目则不重述。

1.1 GB 7251.12新增的试验项目

GB 7251.12 对空壳体的要求与试验和IEC62208/GB/T 20641［4］基本等同，增加了针对壳体的以下试验：耐腐蚀、绝缘材料性能、耐紫外线、提升、机械碰撞、标志。GB 7251.12 中也明确指出若壳体符合文献［4］的要求并没有进行过降低外壳性能的更改则可免除材料方面的试验，事实上两者之间有一定的差异。由于文献［4］已发布并实施多年，下面叙述以上各项试验与文献［4］的异同。

耐腐蚀性的严酷试验A与文献［4］中9.12.1 a）相同。绝缘材料的外壳热稳定性试验与文献［4］中9.8.1 相同。绝缘材料耐受非正常热和着火的试验与文献［4］中9.8.3 相同。提升试验与文献［4］中9.4 相同。机械碰撞试验与文献［4］中9.6相同。标志试验与文献［4］中9.2相同。

GB 7251.12中耐腐蚀试验严酷等级B为2个12 天合计24 天的存储，每个12 天循环包含5 天湿热循环与7 天盐雾循环；文献［4］中耐腐蚀为12 天湿热循环和14 天盐雾循环合计26 天的存储。另外，GB 7251.12中绝缘材料耐紫外线的试验方法与文献［4］中9.11 相同，不同处在于文献［4］中9.11要求试验后增加灼热丝试验。

1.2 有变化的试验项目

1.2.1 冲击耐受电压

关于冲击耐受电压GB 7251.12与文献［3］在施加位置，可以用交流或直流代替方面是相同的。在试验电压值方面有细微差别，比如：海平面当额定冲击耐受电压为6 kV时文献［2］的试验电压为7.3 kV，而文献［3］中为7.4 kV。表1给出了两个标准在试验上的差别。

表1 冲击耐受电压试验要求比较Tab.1 Comparison of impulse withstand voltage test requirement

GB 7251.12 中提出了当电气间隙测量值大于要求值1.5 倍时可免除冲击耐受电压，同时可以用交流或直流电压试验代替冲击耐受电压试验。文献［5］指出固体绝缘耐受电压应力的能力必须通过电压试验验证。固体绝缘对不同电压有不同的耐受特性，而且不同电压的传播方式不同。本文认为用冲击耐受电压试验进行的绝缘配合是较优的。

1.2.2 工频耐受电压

GB 7251.12 的工频耐受试验电压值与GB 14048系列标准一致。表2为两个标准在试验上的差别。

表2 工频耐受电压试验要求比较Tab.2 Comparison of power frequency withstand voltage test requirement

1.2.3 防护等级

对于IPX1 而言GB 7251.12 放宽了试验条件，允许以移动滴水箱代替转动试品。文献［3］严格按IEC 60529/GB 4208的要求不允许移动滴水箱。

1.2.4 机械操作

GB 7251.12 对于机械操作的次数由文献［3］的50次变为200次。

1.2.5 电磁兼容

GB 7251.12 中电磁兼容对两类环境的试验进行了区分且试验比GB 7251.1—2005中都有增加。增加项目为IEC 61000—4—6，8，11。

1.3 建议性的试验顺序

GB 7251.12中并没有对试验顺序进行要求，考虑到某些试验的要求本段给出一个建议性的试验顺序简述如下。

GB 7251.12 中的绝缘配合试验包括冲击耐受电压、工频耐受电压、电气间隙爬电距离测量，这些试验均以文献［5］为依据。文献［5］中规定在进行试验前要对试品进行温度、湿度、机械冲击等试验以模拟其可能处于的工作条件及运输、安装、运行等情况。而温升、材料与部件强度、机械操作试验满足了上述要求。短路试验由于其破坏性应安排在最后一项。温升试验模拟试品正常工作条件下应该考虑到抽出式单元动静触头由于抽插情况带来的磨损并导致接触电阻变化对温升的影响。最后防护等级未达要求的温升试验被视为是无效的。

综上，把所有试验分为4组，第1组为材料性能、机械操作、防护等级；第2组为温升；第3组为绝缘配合；第4 组为短路。试验顺序也按此排序为宜。至于保护接地由于某些试验试前试后均需进行则按各个试验要求进行。

2 温升试验

GB 7251.12 中增加了代表性功能单元与母线单元的定义以便于温升方案的选择。在外接导线方面增加了3 150～4 000 A 导体的尺寸。明确了温升应在控制电路线圈和主回路均达到平衡时测量。给出了电流的允差进线试验电流的平均值应在预期值的-0%和+3%之间。每相应在预期值的±5%范围内。

与文献［3］相比GB 7251.12增加了温升试验方案为3 种，下面分别对这3 种方案进行说明并给出一个案例。对于影响温升的因素进行分析并给出一些解决方案。

2.1 3种温升试验方法

3 种温升试验方法为：整个成套设备的验证——方法a）；分别验证各功能单元和整个成套设备——方法b）；分别验证各功能单元，主母线，配电母线和整个成套设备——方法c）。由于方法b）包含于方法c）中，故先介绍方法c）。

图1 为某开关设备的1 次系统图，各个功能单元以矩形表示代表一种或多种电器元件的组合，其额定电流标于框内。表3给出了完成温升验证所需的各种测试电流方案。假定额定分散系数0.8。

图1 例1主回路接线图Fig.1 Example1 main circuit wiring diagram

2.1.1 方法c）

1）主母线通以其额定电流，电流流过主母线全长并包含所有连接点；进行测试9。

2）配电母线在与出现单元隔离情况下通以额定电流，电流流过配电母线全长，当主母线额定电流大于配电母线额定电流时，应输出附加电流保证两者连接点达到主母线额定电流；进行测试7，8。

表3 例1温升试验电流值Tab.3 Example1 test current of temperature rise

3）每个功能单元单独通以额定电流，当主母线或配电母线额定电流大于功能单元额定电流，应输出附加电流保证两者连接点达到主母线或配电母线额定电流；进行测试3，4，5，6。

4）进线电路通以额定电流，各出线功能单元通以它的额定电流乘以额定分散系数。进行测试2。

2.1.2 方法b）

按2.1.1中3），4）进行。

2.1.3 方法a）

成套设备的进、出电路通以额定电流；进行测试1。

2.1.4 出线电路试验电流之和大于进线电流

上边的例子没有考虑到出线试验电流之和大于进线试验电流的情况。图2为一个开关设备的试验方案，方框中为其试验电流。此时无论是方法c）的4）还是方法a）均需要分解为若干测试进行。分解的方法为出线回路根据进线或配电母线额定电流分为几组至少保证一个分组包含了所有不同的功能单元。具体的测试电流见表4。

图2 例2主回路接线图Fig.2 Example 2 main circuit wiring diagram

表4 例2温升试验电流值Tab.4 Example2 test current of temperature rise

2.2 温升试验方法的评价

方法a）要求的测试次数最少，但试验安排会比需要的更严酷。方法b）考虑了出线电路负载的分散系数适用于多数场合。然而，如方法a），结果只适用于成套设备特殊布置。方法c）要求比方法a）和b）进行更多的试验，它的优势在于可以验证模块化系统而不是成套设备的特殊布置。

测试1，2 的负载施加在了水平位置，也可以施加在2个垂直母排处。要指出的是无论负载如何进行选择，测试1，2 均不会如测试7，8 那样验证整个配电母线的额定电流，它们只能使配电母线的一部分达到其额定电流。

2.3 温升影响因素

温升的过程由发热与耗热两方面决定。试验中发热由试验电流产生热量，一部分使导体温度升高；另一部分散失到周围空气中经过长时间过程达到稳定。降低温升的方法在于减小导体产生热量或增加散失的热量。

2.3.1 导体的长期发热

温升过程导体发热为I2Ract，I为试验电流，试验中为恒定值，t为时间，Rac为导体交流电阻。可见减小导体发热的方法为降低发热电阻。Rac由以下几个部分组成：导体直流电阻、集肤效应附加电阻以及导体连接处接触电阻。对于常用的矩形导体，从文献［6］中可知对同截面积导体长宽比越大集肤系数越低，即Rac越小。

载流部件间的电气连接有螺栓连接和压板连接两种。螺栓连接可靠性和适用性强。其不足是需要在导体上钻孔，从而造成电流线畸变。与压板连接方式相比其接触压力不规则，但仍被大量采用；压板连接可使接触压力非常均匀，接触面也平整，连接处的加紧装置；因加大了散热面积而利于冷却。不足是费用较高。

导体的接触面应清洁以避免氧化导致接触电阻增加。实际中有些厂家将导体表面的麻面进行处理，增加了接触面积，减小了接触电阻。在导体表面清洁之后，若在连接面涂抹导电膏后进行连接，可有效增加接触面积，降低接触电阻。施加在接触面的压力越大接触电阻越小，但当压力大于导体、螺栓、压板的弹性极限时，由于发热时导体与连接件的膨胀系数不同会导致导体变形。

2.3.2 热量的散失

电热量的散失主要为对流换热和辐射换热。同一安装水平面上，矩形截面导体竖放的散热要优于横放，但机械强度相反［6］。合理设计的通风孔以及加装风扇都可以改善对流环境。涂有黑色无光泽油漆导体的辐射系数高于裸导体，其散热速度快。导体之上加装散热片同样可加快散热。

影响温升结果的因素有很多，诸多因素间又相互制约。降低温升应从设备全局统一考虑，在设备设计、选材、装配等方面有探索和改进的空间。