現(xiàn)場型絕緣安全工器具試驗平臺設計

卞曉亮

（國網(wǎng)上海市電力公司崇明供電公司，上海 202150）

1 絕緣工器具試驗

為了保證作業(yè)操作人員在實際操作中能使用到安全合格的電氣絕緣安全工器具，需要定期對它們進行預防性試驗，來判斷這些電氣絕緣安全工器具是否符合使用條件，從而保證作業(yè)操作人員的人身安全。對電氣絕緣安全工器具進行試驗的試驗設備，由于專業(yè)性較強、技術含量較高，并且市場占有率和普及程度較低，使得這些設備的價格十分昂貴，維修成本高，而且都需要成套購買。因此，有必要在現(xiàn)有設備的基礎上設計一款在試驗過程中能保護試驗人員的安全，試驗效率高，便于使用攜帶的現(xiàn)場型絕緣安全工器具試驗平臺［1-2］。

電氣絕緣安全工器具指的是在帶電設備上或者附近工作時，用來保護工作人員的人身安全，防止觸電﹑灼傷等事故的發(fā)生所使用的一切工器具。根據(jù)各種常用的絕緣安全工器具預防性試驗的項目﹑周期和要求，通過對現(xiàn)有試驗設備和方法的認真分析和研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的試驗方法存在著一些不足，針對這些不足設計新的試驗電路，從而在保護試驗人員安全的同時提高試驗效率。

2 現(xiàn)在所使用絕緣安全工器具的試驗方法

電氣絕緣安全工器具絕緣性能的好壞，直接關系到操作人員的人身安全。電氣絕緣安全工器具對絕緣部分的試驗，通常以工頻交流耐壓試驗為主，對橡膠類材料制成的絕緣安全工器具，還應該測量其泄漏電流，本文以絕緣靴﹑絕緣手套為試驗對象［3］。

在試驗前，首先對絕緣靴﹑絕緣手套進行外觀檢查，檢查絕緣靴﹑絕緣手套有無破損和漏氣，如發(fā)現(xiàn)有破損或者漏氣，即判定為不合格，不得再作為絕緣安全工器具使用。如外觀檢查合格，即可進行后續(xù)的工頻交流耐壓試驗。

測量絕緣靴交流泄漏電流試驗裝置示意圖如圖1所示。工頻交流耐壓試驗時，首先在絕緣靴內(nèi)裝滿水，并吊在經(jīng)絕緣支架支撐同樣盛滿水的金屬器皿內(nèi)，露出水面的部分應保持干燥和清潔，并按圖1進行接線。

圖1 測量絕緣靴交流泄漏電流試驗裝置示意圖

在從圖1可以看出，工頻220V電壓經(jīng)調(diào)壓器平滑的調(diào)節(jié)為試驗變壓器低壓側(cè)所需要的任意試驗電壓，通過試驗變壓器的升壓，在試驗變壓器的高壓側(cè)形成試驗所需要的工頻試驗電壓。通過數(shù)顯高壓可以觀測試驗電壓，達到試驗電壓后開始計時，并觀測毫安表的讀數(shù)和變化，如絕緣靴被擊穿，直接判定不合格，如絕緣靴未被擊穿，1min后調(diào)壓器歸零并斷開試驗電壓，記錄毫安表的讀數(shù)并與表1進行比較，來判定絕緣靴的絕緣性能是否合格，至此工頻交流耐壓試驗結(jié)束［4］。

由于工頻交流耐壓試驗屬于破壞性試驗，因此在交流耐壓試驗前后必須要對被試品進行非破壞性試驗［5-6］。非破壞性試驗是對被試品進行絕緣電阻測量，來初步判斷被試品的絕緣狀況。試驗時的試驗電壓﹑持續(xù)時間﹑泄漏電流的判定條件如表1所示。

在進行電氣絕緣安全工器具預防性試驗時，發(fā)現(xiàn)試驗過程中的一些不足之處，導致試驗的效率較低。

（1）微安表損壞概率較高。安培表串聯(lián)在電路中內(nèi)阻十分小，幾乎可以忽略不計。以表1中最小的工頻耐壓，低壓絕緣手套為例：試驗電壓為2.5kV，安培表的內(nèi)阻為0.1Ω，水是導電的，電極至金屬器皿的電阻為2.4Ω，不考慮兩者的電阻是容性的，還是感性的，使兩者直接相加，總阻抗為2.4+0.1=2.5（Ω）。當?shù)蛪航^緣手套發(fā)生擊穿時，圖1中a，b點的電位相等，等于試驗電壓。

表1 部分安全工器具試驗項目﹑周期和要求

根據(jù)式（1）可見，在發(fā)生擊穿時，通過微安表的電流遠遠大于其量程。隨著試驗電壓的提高，擊穿電流也會大大提高。根據(jù)串聯(lián)時分壓定律，發(fā)生擊穿時微安表承受的電壓可能大于其允許承受電壓，使微安表帶高壓，這對人和設備都是不安全的，這些都會造成微安表的損壞。

（2）試驗時重復接線，重復操作。在實際操作中，為節(jié)約成本減少微安表的損壞，首先會按照圖2接線和試驗，交流耐壓通過后再按照圖1接線，測量其交流泄漏電流。這樣做的原因是由于固體有機絕緣發(fā)生的電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿等現(xiàn)象，在交流耐壓試驗開始至結(jié)束過程中都有可能發(fā)生，在保證微安表不會損壞的情況下，再測量其泄漏電流值，會增加試驗人員的工作負擔，測量一次絕緣安全工器具的泄漏電流值要經(jīng)過2次接線和2次升壓。測量絕緣靴交流耐壓試驗裝置示意圖如圖2所示。

3 現(xiàn)場型絕緣安全工器具試驗平臺

3.1 設計思路

（1）安全性高。在任何時間、任何地點，人的安全是第一的，任何設計都要“以人為本”，同時為了更好地開展工作，也要注意試驗設備的安全。

（2）效率高。在保證人員和設備安全以及試驗質(zhì)量的情況下，減輕試驗人員的工作強度和提高試驗的效率。如何在確?，F(xiàn)有的試驗效率或者更高試驗效率的前提下，減輕試驗人員的工作強度，也是所要考慮的因素之一。

（3）可靠性高。設計的電路或設備，在試驗使用過程中會受到環(huán)境和外力等因素的影響，要確保無故障工作的時間盡可能長。設計的電路應盡可能簡單和實用，來保證使用的可靠性。

（4）經(jīng)濟性好。在以試驗安全性和試驗數(shù)據(jù)準確性為前提的大環(huán)境下，設計電路使用的儀器儀表和元器件應盡可能使用市場能買到的已經(jīng)定型的產(chǎn)品，而不是定制的產(chǎn)品。批量生產(chǎn)的產(chǎn)品和定制的產(chǎn)品價格可能相差幾倍或者十幾倍，使用定型產(chǎn)品可以使成本大大降低，性價比更高。

（5）體積小。由于設備使用的環(huán)境是以可攜帶型、現(xiàn)場型為主體的，為了減輕試驗人員負擔，設計的設備應體積小、質(zhì)量輕。

（6）維護方便。當設計的電路或設備發(fā)生故障時，電路越簡單，就越容易發(fā)現(xiàn)故障。在發(fā)生故障時，使用的定型產(chǎn)品和元器件能及時從市場購買到，從而能及時排除故障，不影響使用。

（7）適用范圍廣。電路的設計應注意使用的通用性和普遍性，這樣在其他試驗和排故過程中也可以使用，減少設備的重復投資。

3.2 電路設計

根據(jù)實際操作中，先交流耐壓通過，后測量泄漏電流，因此需要一種裝置能根據(jù)需要將毫安表切除和投入。在毫安表的兩段并聯(lián)一副觸點，可以解決毫安表的投入和切除問題。由于按鈕結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作可靠，經(jīng)過綜合比較，確定使用按鈕來控制毫安表投切。

雖然初步確定和改進了絕緣靴試驗裝置電路，但由于擊穿發(fā)生于試驗的整個過程，特別是在交變電場中，固體介質(zhì)因介質(zhì)損耗等產(chǎn)生的熱量使其溫度升高。如果散熱不好，就會使溫度不斷上升，介質(zhì)損耗和發(fā)熱更大，熱平衡被破壞，最終使最熱處的介質(zhì)局部熔化、燒焦而形成熱擊穿。如果這時正好按下按鈕，那么高壓就會經(jīng)電極、絕緣靴、金屬器皿、毫安表流入大地，此時試驗人員接觸到的相當于金屬器皿上的電壓，造成試驗人員觸電。因此，需要一種能夠限制電壓，當電壓超過一定數(shù)值時就動作，把電壓控制在一定范圍內(nèi)保護試驗人員的元器件或裝置。經(jīng)過綜合比較，選用放電管作為過電壓保護元件。將放電管并聯(lián)于毫安表兩側(cè)，以限制毫安表兩側(cè)的電壓差，由于毫安表一端接地，并聯(lián)放電管等于限制了對地電壓，保護試驗人員在按下按鈕時發(fā)生擊穿而引起的觸電。

對絕緣工器具試驗電路圖的改動，解決了試驗重復接線和按鈕上會產(chǎn)生過電壓的問題，但毫安表的損壞問題，還沒有從根本上得到解決。造成毫安表損壞的根本原因是絕緣工器具被擊穿的瞬間有大電流通過。限制電流的方法有很多，而最簡單、可靠、實用和經(jīng)濟的是在電路中串聯(lián)電阻。絕緣安全工器具被擊穿時電流都會通過電阻，要求使用熱容量大的電阻。但隨著試驗電壓的不同，為了達到限流作用，需要選用不同的限流電阻，這樣在試驗時需要很多限流電阻以備選用。限流電阻在位置（3）時，如果按鈕沒有按下，它都不會工作，只有在按鈕按下常閉觸點斷開，同時發(fā)生擊穿時才工作。由于有放電管并聯(lián)，在發(fā)生擊穿時，毫安表、按鈕、放電管并聯(lián)模塊兩端的電壓都不會超過放電管的額定工作電壓，這樣對于不同的試驗電壓只需要一個電阻就可以解決所有問題。如果放電管的額定工作電壓小些，限流電阻的阻值大些，那么限流電阻可以選用普通的電阻而不需要專用的限流電阻。根據(jù)這個思路設計現(xiàn)場型絕緣安全工器具試驗平臺示意圖見圖3。

3.3 電路元器件的選擇

（1）放電管的選擇。放電管的作用是當電壓超過額定工作電壓時，由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，使放電管兩端的電壓差不超過額定工作電壓，以保護人和設備安全。本文中主要是用來保護試驗人員安全的，因此電壓越低越好。放電管的電壓范圍為75～3 500V，本文選用75V的放電管。在發(fā)生擊穿時，調(diào)壓器上的保護會馬上動作切斷電源，因此在放電管上過電壓持續(xù)的時間很短。放電管的耐沖擊電流較大，一般都能滿足試驗要求。由于設計的電路應盡可能集成、小巧，經(jīng)綜合分析，選用2RM075-8的放電管。

（2）電流表的選擇。由表1可以看出，在試驗時，泄漏電流不會超過10mA。但在實際試驗過程中，被試品的的泄漏電流可能超過20～30 mA，甚至達到50～60mA。電流表在測量時，讀數(shù)在其量程的三分之二處，精度是最高的。為了降低成本，也為了便于以后的維護和維修，應盡量采用通用型的而不是采用非通用型的專用定制型號，因此選用100mA的毫安表。實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，如果使用指針式的毫安表，受環(huán)境因素的影響較嚴重，例如手機來電電場發(fā)生變化等，都會造成指針偏轉(zhuǎn)，導致試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。為了反應試驗數(shù)據(jù)的真實性，使用抗干擾能力較強的數(shù)顯毫安表。因此，電流表選擇量程為100mA的毫安表。

（3）保護電阻的選擇。為了使電阻能在沖擊電流下仍能充分限制毫安表回路的電流，給它一個冗余系數(shù)K（取3～4），即在3至4倍的電壓下，仍能很好的保護毫安表。在放電管的作用下，毫安表、按鈕、放電管并聯(lián)模塊兩端的電壓差不會超過75V，毫安表的量程為100mA，得到電阻為3kΩ。

同樣是由于放電管和保護電阻的共同作用，在發(fā)生擊穿時毫安表回路的電流，最高只有100 mA，不需要熱容量大的專用限流電阻，因此只需要普通的2.25～3.00kΩ電阻，提高了設備的經(jīng)濟性和可維護性。

（4）點動開關的選擇。點動按鈕開關作用于毫安表、按鈕、放電管并聯(lián)模塊，工作在低壓回路，對地電壓不超過75V?？梢赃x用AC-110／10A的按鈕，為了安全性選用AC-220／5A的按鈕。

4 應用舉例

按照圖3進行絕緣靴的交流耐壓試驗，根據(jù)表1的5kV、1min交流耐壓試驗，開始試驗時與現(xiàn)行的試驗方法相同，電壓到達15kV時，計時開始，毫安表讀數(shù)為“0”。此時如果發(fā)生擊穿，電流直接經(jīng)按鈕的常閉觸點與大地相連，不經(jīng)過毫安表。反之，繼續(xù)保持電壓，接近60s試驗結(jié)束時，按下按鈕，按鈕的常閉觸點斷開，讀取毫安表上面的試驗數(shù)據(jù)。如這時發(fā)生擊穿，試驗人員的手還在按鈕上，放電管由絕緣變導通，進行放電，從而保護了試驗人員。在電阻的作用下，限制了毫安表回路的電流，保護了毫安表。

正常情況，絕緣靴的交流耐壓試驗的電壓為15kV，泄漏電流判定的合格條件為7.5mA，在不考慮試驗變壓器和被試品負載特性是容性還是感性的情況下，回路的阻抗為2 000kΩ。

正常工作情況下，測量泄漏電流時與保護電阻（R取3kΩ）串聯(lián)時，總阻抗為2003kΩ。

泄漏電流為7.49mA。與實際比較，誤差為-0.15%。在實際測量中，影響測量精度造成誤差的有很多，例如試驗變壓器的誤差，儀表的誤差等等，-0.15%的誤差可以忽略。

在保護電阻上的電壓降U阻=I泄Z阻=0.007 5×3 000=22.47（V），小于75V，可得放電管在絕緣狀態(tài)，不工作。現(xiàn)場型絕緣安全工器具平臺在正常工作狀態(tài)。

［1］ 史國生，王念春，趙 陽.電氣控制與可編程控制器技術（第3版）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2013.

［2］ 國家電力公司.電力安全工器具預防性試驗規(guī)程（試行）［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［3］ 王建華，王兆安，巫松楨，等.電氣工程師手冊（第3版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［4］ 張仁豫，陳昌漁，王昌長.高電壓試驗技術（第3版）［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［5］ 郭光榮，李 斌.電力系統(tǒng)繼電保護［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］ 劉 笙 .電氣工程基礎（第2版）［M］.北京：科學出版社，2008.