低壓塑殼開關(guān)絕緣操作工具的研制與應(yīng)用

張 科，符祥斌，毛紅杰，陳子樂，吳乾銘

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昌江供電局，海南 昌江黎族自治縣 572700）

1 工具研制背景

在中國實際工程中應(yīng)用低壓斷路器時發(fā)現(xiàn)，其存在多種使用局限性。在使用斷路器時經(jīng)常出現(xiàn)安全事故的原因有多種，包括操作失靈、絕緣故障、開斷、關(guān)合性能不良、導(dǎo)電性能不良等。安全事故的產(chǎn)生原因包括產(chǎn)品本身運行缺陷造成的技術(shù)因素及因操作人員操作失誤造成的工作因素。無論是哪種原因，均會對電網(wǎng)構(gòu)成嚴重威脅[1]。目前低壓塑殼開關(guān)的分、合閘操作采用傳統(tǒng)的人手操作方式。操作人員需用手直接操作，沒有專門的輔助操作工具，很容易因開關(guān)或線路出現(xiàn)故障時，合閘產(chǎn)生的電弧對操作人員造成傷害。本文提出一種通用型低壓塑殼開關(guān)絕緣操作工具，是一種輔助操作人員對開關(guān)進行分、合閘的工具，使操作人員身體遠離開關(guān)，避免合閘時產(chǎn)生的短路電弧對操作人員造成傷害[2]。

2 塑殼斷路器特性

塑殼斷路器也被稱為裝置式斷路器，所有的零件都密封于塑料外殼中，輔助觸點、欠電壓脫扣器以及分勵脫扣器等多采用模塊化。塑殼指的是用塑料絕緣體來作為裝置的外殼，用來隔離導(dǎo)體之間以及接地金屬部分。塑殼斷路器通常含有熱磁跳脫單元。由于結(jié)構(gòu)非常緊湊，基本無法檢修塑殼斷路器，其主觸點是靠手動操作或電動合閘的[3]。主觸點閉合后，自由脫扣機構(gòu)將主觸點鎖在合閘位置上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯(lián)，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯(lián)。塑殼斷路器也可分為A 類和B 類2種，B 類具有良好的三段保護特性，但由于價格因素，采用熱磁式脫扣器的A 類產(chǎn)品的市場占有率更高。塑殼斷路器是將觸頭、滅弧室、脫扣器和操作機構(gòu)等都裝在一個塑料外殼內(nèi)，一般不考慮維修，適合作支路的保護開關(guān)。過電流脫扣器有熱磁式和電子式2 種，一般熱磁式塑殼斷路器為非選擇性斷路器，僅有過載長延時及短路瞬時2 種保護方式，電子式塑殼斷路器有過載長延時、短路短延時、短路瞬時和接地故障4種保護功能。部分電子式塑殼斷路器新推出的產(chǎn)品還帶有區(qū)域選擇性連鎖功能。大多數(shù)塑殼斷路器為手動操作，也有部分帶電動機操作機構(gòu)。

塑殼式斷路器具有過載長延時、短路瞬動的二段保護功能，還可以與漏電器、測量、電操等模塊單元配合使用。在低壓配電系統(tǒng)中，它作為終端開關(guān)或支路開關(guān)被使用，取代了過去常用的熔斷器和閘刀開關(guān)。隨著塑殼斷路器在電網(wǎng)中廣泛使用，其對應(yīng)產(chǎn)生的安全問題也逐漸成為電力企業(yè)實現(xiàn)安全生產(chǎn)必須研究的重要話題。市面上常見的低壓塑殼開關(guān)部分型號如圖1—圖3所示。

圖1 移動式斷路器

圖2 塑殼開關(guān)

圖3 三相塑殼斷路器

3 低壓斷路器的選擇與參考標準

對于低壓斷路器的選擇，需要重點考慮以下幾點：①斷路器極限短路分斷能力和運行短路分斷能力。根據(jù)國際電工委員會IEC947-2 和中國等效采用IEC 的GB4048.0《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備低壓斷路器》標準，斷路器的極限短路分斷能力和運行短路分斷能是判斷斷路器運行能力的重要參考標準。②斷路器電氣間隙和爬電距離。要確定斷路器的電器間隙，需要根據(jù)低壓系統(tǒng)的絕緣配合。絕緣配合建立在瞬時過電壓被限制在規(guī)定的沖擊耐受電壓，而系統(tǒng)中的電器或設(shè)備產(chǎn)生的瞬時過電壓也必須低于電源系統(tǒng)規(guī)定的沖擊電壓。因此斷路器電氣間隙和爬電距離也是低壓斷路器選擇的重要參考[4]。

低壓斷路器的參考標準如下：GB 10963—1989《家用及類似場所用斷路器》、GB 14048.2—1994《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 低壓斷路器》、GB 1984—1989《交流高壓斷路器》、GB 4876—1985《交流高壓斷路器的線路充電電流開合試驗》、GB 7675—1987《交流高壓斷路器的開合電容器組試驗》。

4 現(xiàn)有技術(shù)問題與事故分析

4.1 現(xiàn)有技術(shù)問題

目前低壓故障發(fā)生時，使用傳統(tǒng)的人手動拉閘方式存在爆炸與電弧傷人的安全風(fēng)險。部分操作人員會佩戴絕緣手套進行基礎(chǔ)保護，但絕緣手套一般只能防止電流通過人體，無法防止其他方式的傷害，同時也存在著人手誤觸碰問題。因此，本文提出一種低壓塑殼開關(guān)絕緣操作工具，可用外部絕緣工具取代人手，實現(xiàn)人手無接觸的安全操作。

4.2 絕緣事故分析

斷路器的絕緣事故可分為內(nèi)絕緣事故和外絕緣事故。其中內(nèi)絕緣事故包括套管和電力互感器事故，如進水受潮、油質(zhì)劣化或油量不足；而外絕緣事故包括污閃和雷擊引起的斷路器閃絡(luò)、爆炸等事故。由于在實際操作中，一般無法完全杜絕事故發(fā)生，因此對電氣設(shè)備輔助使用工具的研制與應(yīng)用，需要符合電力環(huán)境安全絕緣要求的技術(shù)指標，以確保電力設(shè)備的安全運行與操作人員的人身安全[5]。

5 研制方案

5.1 研發(fā)思路

經(jīng)過近幾年對變電站斷路器尤其是對低壓塑殼斷路器的操作研究，發(fā)現(xiàn)目前使用傳統(tǒng)人手操作方式存在一定的安全隱患，因此絕緣性是本工具首要的技術(shù)設(shè)計點。同時為了在使用時能產(chǎn)生一定的操作距離，設(shè)計的工具需具備安全距離操作功能，操作頭設(shè)計方面需滿足單手快速操作，因此操作頭的設(shè)計必須是能在施力時實現(xiàn)與開關(guān)拉閘方向相反的凹型設(shè)計。

5.2 研究方法與技術(shù)路線

5.2.1 文獻資料法

筆者們通過圖書館、檔案館以及互聯(lián)網(wǎng)等渠道廣泛查找相關(guān)的文獻資料，并對查找得到的文獻資料加以分析和研究。

5.2.2 實地調(diào)查法

為更好地了解現(xiàn)階段低壓塑殼開關(guān)實操存在的安全問題，筆者們在確定的范圍內(nèi)進行變電站實地考察，搜集大量資料以統(tǒng)計分析，從而探討耗時較長的原因。

5.2.3 案例分析法

筆者對國內(nèi)外解決低壓塑殼開關(guān)操作問題案例進行持續(xù)追蹤調(diào)查、剖析，深入研究，總結(jié)經(jīng)驗。

5.2.4 分析歸納法

研究分析所查閱到的文獻資料，歸納總結(jié)其研究內(nèi)容并合理分類，根據(jù)比較研究及案例分析的結(jié)果，總結(jié)歸納有借鑒意義的做法和經(jīng)驗。

通過搜集文獻、研究分析，本文提出本工具的技術(shù)研發(fā)路線，以使得整個研究可以有序推進，技術(shù)路線可按照如下所示的流程進行：現(xiàn)場勘查→提出工具的技術(shù)指標→查閱資料→提出具體的設(shè)計方案→工具制作→現(xiàn)場試驗→查找存在的問題→對工具進行改進升級→試驗成功并完成技術(shù)報告→完成。

5.3 技術(shù)研究方案

本文提出的低壓塑殼開關(guān)絕緣操作工具，其設(shè)計為可伸縮型桿體設(shè)計，結(jié)構(gòu)包括桿體和操作頭。其中操作頭采用的技術(shù)設(shè)計原理是與開關(guān)相反的凹造型結(jié)構(gòu)；操作桿采用絕緣性好的橡膠材料制作，通過操作桿與操作機制的聯(lián)動操作解決手動操作的問題，以操作頭取代人手操作，解決工作人員在對低壓塑殼開關(guān)進行分、合閘操作時，因開關(guān)或線路故障，合閘時產(chǎn)生的短路電弧對操作人員造成的傷害[6]。

設(shè)計時結(jié)合了低壓塑殼開關(guān)斷路器的使用場景及使用空間，結(jié)構(gòu)小巧便攜，可伸縮，方便攜帶，操作時只需要在安全位置伸縮操作桿到分、合閘開關(guān)處，用操作頭實現(xiàn)拉動便能快速完成相關(guān)操作。工具能應(yīng)用于更多同類型尤其是狹窄空間的安全距離絕緣操作場景中，安全性高，使用方便，可減少電力安全事故的發(fā)生率。

5.4 技術(shù)關(guān)鍵點

工具操作頭采用的是與開關(guān)相反的凹造型結(jié)構(gòu)，使其能通過操作桿與操作機制的聯(lián)動操作實現(xiàn)拉閘等動作。桿體采用全絕緣材料設(shè)計，并可伸縮，滿足安全操作距離。小巧便攜設(shè)計可保證其使用的便捷性。

6 應(yīng)用效能

目前配電系統(tǒng)要求斷路器除了能通斷電流實現(xiàn)電路控制和簡單的短路、過載保護外，還要能提供隔離和安全保護功能，特別是在針對人身、設(shè)備安全與配電系統(tǒng)的可靠性方面都提出了新的要求。因此在斷路器的使用方面，操作人員的使用方式與現(xiàn)場操作安全性也是決定電力設(shè)備與電網(wǎng)系統(tǒng)安全運行的重要標志。本文提出一種作用于低壓塑殼開關(guān)分、合閘操作的絕緣操作工具，工具研制后在海南電網(wǎng)昌江供電局進行試驗使用，使用后大大提高了操作便捷性與安全性，操作人員只需單手便能實現(xiàn)安全距離的分、合閘拉動動作，其實用性獲得了昌江供電局操作人員的一致好評[7]。工具計劃被推廣至更多兄弟單位，也能應(yīng)用于同類型絕緣場合中，具有很好的推廣性。

7 絕緣桿與電力安全操作應(yīng)用

絕緣操作桿作為帶電作業(yè)中主要操作的工具，能確保其處于良好的絕緣狀態(tài)，對確保人員和設(shè)備安全具有重要意義。根據(jù)DL/T 1240—2013 對1 000 kV 帶電作業(yè)工具裝置的試驗要求，對絕緣操作桿不同工況下電場分布進行研究。絕緣操作桿能用于短時間對帶電設(shè)備進行操作或測量的基本絕緣安全工器具，因此也是變電站人員常用的作業(yè)工具。為了更好地使用電力設(shè)備，筆者正是在電力運行與安全操作工具應(yīng)用的背景下，研制出一種適用于低壓塑殼開關(guān)的絕緣操作工具，使其以最低的成本實現(xiàn)安全最大化。

8 效益分析

8.1 安全效益

本文提出的一種低壓塑殼開關(guān)絕緣操作工具，實現(xiàn)了操作人員在安全距離內(nèi)完成100%的分、合閘絕緣操作，不但降低了電力系統(tǒng)中尤其對于斷路器操作中安全事故的發(fā)生率，同時也提高了斷路器的安全運行，從而提高整體電網(wǎng)運行的安全性。

8.2 經(jīng)濟效益

本文所研制的低壓塑殼開關(guān)絕緣操作工具，可使工作效率整體提升80%以上。工具在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面嚴格遵守及參考了變電站工作現(xiàn)場尤其低壓塑殼開關(guān)的使用環(huán)境空間及操作規(guī)范，其便攜性及操作的靈活性能有效提高現(xiàn)場工作效率，實際使用效果明顯，能提高企業(yè)經(jīng)濟效益及管理效率，規(guī)范操作流程，成果可廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備絕緣操作場景中。

9 結(jié)論

塑殼斷路器系統(tǒng)中的智能保護設(shè)備能在電力系統(tǒng)出現(xiàn)一些故障時及時識別故障類型，快速切除系統(tǒng)中的故障部分，防止故障進一步擴大，使整個系統(tǒng)能夠正常運行。隨著低壓塑殼斷路器自動化程度的提高，相對應(yīng)的人工操作方式也被逐漸取代。本文提出一種低壓塑殼開關(guān)絕緣操作工具，利用科學(xué)合理的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了人工進行分、合閘操作中存在的安全問題，保障了操作人員的人身安全，是相關(guān)電氣設(shè)備的有效輔助工具。