卞曉亮

（國(guó)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(yàn)

為了保證作業(yè)操作人員在實(shí)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(duì)它們進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，來(lái)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(duì)電氣絕緣安全工器具進(jìn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備，由于專業(yè)性較強(qiáng)、技術(shù)含量較高，并且市場(chǎng)占有率和普及程度較低，使得這些設(shè)備的價(jià)格十分昂貴，維修成本高，而且都需要成套購(gòu)買。因此，有必要在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款在試驗(yàn)過(guò)程中能保護(hù)試驗(yàn)人員的安全，試驗(yàn)效率高，便于使用攜帶的現(xiàn)場(chǎng)型絕緣安全工器具試驗(yàn)平臺(tái)［1-2］。

電氣絕緣安全工器具指的是在帶電設(shè)備上或者附近工作時(shí)，用來(lái)保護(hù)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(yù)防性試驗(yàn)的項(xiàng)目﹑周期和要求，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備和方法的認(rèn)真分析和研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的試驗(yàn)方法存在著一些不足，針對(duì)這些不足設(shè)計(jì)新的試驗(yàn)電路，從而在保護(hù)試驗(yàn)人員安全的同時(shí)提高試驗(yàn)效率。

2 現(xiàn)在所使用絕緣安全工器具的試驗(yàn)方法

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

在試驗(yàn)前，首先對(duì)絕緣靴﹑絕緣手套進(jìn)行外觀檢查，檢查絕緣靴﹑絕緣手套有無(wú)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(jìn)行后續(xù)的工頻交流耐壓試驗(yàn)。

測(cè)量絕緣靴交流泄漏電流試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。工頻交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，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(yīng)保持干燥和清潔，并按圖1進(jìn)行接線。

圖1 測(cè)量絕緣靴交流泄漏電流試驗(yàn)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(yàn)變壓器低壓側(cè)所需要的任意試驗(yàn)電壓，通過(guò)試驗(yàn)變壓器的升壓，在試驗(yàn)變壓器的高壓側(cè)形成試驗(yàn)所需要的工頻試驗(yàn)電壓。通過(guò)數(shù)顯高壓可以觀測(cè)試驗(yàn)電壓，達(dá)到試驗(yàn)電壓后開(kāi)始計(jì)時(shí)，并觀測(cè)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(kāi)試驗(yàn)電壓，記錄毫安表的讀數(shù)并與表1進(jìn)行比較，來(lái)判定絕緣靴的絕緣性能是否合格，至此工頻交流耐壓試驗(yàn)結(jié)束［4］。

由于工頻交流耐壓試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，因此在交流耐壓試驗(yàn)前后必須要對(duì)被試品進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)［5-6］。非破壞性試驗(yàn)是對(duì)被試品進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量，來(lái)初步判斷被試品的絕緣狀況。試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)電壓﹑持續(xù)時(shí)間﹑泄漏電流的判定條件如表1所示。

在進(jìn)行電氣絕緣安全工器具預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的一些不足之處，導(dǎo)致試驗(yàn)的效率較低。

（1）微安表?yè)p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(jì)。以表1中最小的工頻耐壓，低壓絕緣手套為例：試驗(yàn)電壓為2.5kV，安培表的內(nèi)阻為0.1Ω，水是導(dǎo)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(dāng)?shù)蛪航^緣手套發(fā)生擊穿時(shí)，圖1中a，b點(diǎn)的電位相等，等于試驗(yàn)電壓。

表1 部分安全工器具試驗(yàn)項(xiàng)目﹑周期和要求

根據(jù)式（1）可見(jiàn)，在發(fā)生擊穿時(shí)，通過(guò)微安表的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其量程。隨著試驗(yàn)電壓的提高，擊穿電流也會(huì)大大提高。根據(jù)串聯(lián)時(shí)分壓定律，發(fā)生擊穿時(shí)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(duì)人和設(shè)備都是不安全的，這些都會(huì)造成微安表的損壞。

（2）試驗(yàn)時(shí)重復(fù)接線，重復(fù)操作。在實(shí)際操作中，為節(jié)約成本減少微安表的損壞，首先會(huì)按照?qǐng)D2接線和試驗(yàn)，交流耐壓通過(guò)后再按照?qǐng)D1接線，測(cè)量其交流泄漏電流。這樣做的原因是由于固體有機(jī)絕緣發(fā)生的電擊穿、熱擊穿、電化學(xué)擊穿等現(xiàn)象，在交流耐壓試驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束過(guò)程中都有可能發(fā)生，在保證微安表不會(huì)損壞的情況下，再測(cè)量其泄漏電流值，會(huì)增加試驗(yàn)人員的工作負(fù)擔(dān)，測(cè)量一次絕緣安全工器具的泄漏電流值要經(jīng)過(guò)2次接線和2次升壓。測(cè)量絕緣靴交流耐壓試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)型絕緣安全工器具試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 設(shè)計(jì)思路

（1）安全性高。在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，人的安全是第一的，任何設(shè)計(jì)都要“以人為本”，同時(shí)為了更好地開(kāi)展工作，也要注意試驗(yàn)設(shè)備的安全。

（2）效率高。在保證人員和設(shè)備安全以及試驗(yàn)質(zhì)量的情況下，減輕試驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度和提高試驗(yàn)的效率。如何在確保現(xiàn)有的試驗(yàn)效率或者更高試驗(yàn)效率的前提下，減輕試驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，也是所要考慮的因素之一。

（3）可靠性高。設(shè)計(jì)的電路或設(shè)備，在試驗(yàn)使用過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境和外力等因素的影響，要確保無(wú)故障工作的時(shí)間盡可能長(zhǎng)。設(shè)計(jì)的電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單和實(shí)用，來(lái)保證使用的可靠性。

（4）經(jīng)濟(jì)性好。在以試驗(yàn)安全性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性為前提的大環(huán)境下，設(shè)計(jì)電路使用的儀器儀表和元器件應(yīng)盡可能使用市場(chǎng)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(jià)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(jià)比更高。

（5）體積小。由于設(shè)備使用的環(huán)境是以可攜帶型、現(xiàn)場(chǎng)型為主體的，為了減輕試驗(yàn)人員負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)的設(shè)備應(yīng)體積小、質(zhì)量輕。

（6）維護(hù)方便。當(dāng)設(shè)計(jì)的電路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，電路越簡(jiǎn)單，就越容易發(fā)現(xiàn)故障。在發(fā)生故障時(shí)，使用的定型產(chǎn)品和元器件能及時(shí)從市場(chǎng)購(gòu)買到，從而能及時(shí)排除故障，不影響使用。

（7）適用范圍廣。電路的設(shè)計(jì)應(yīng)注意使用的通用性和普遍性，這樣在其他試驗(yàn)和排故過(guò)程中也可以使用，減少設(shè)備的重復(fù)投資。

3.2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際操作中，先交流耐壓通過(guò)，后測(cè)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(diǎn)，可以解決毫安表的投入和切除問(wèn)題。由于按鈕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作可靠，經(jīng)過(guò)綜合比較，確定使用按鈕來(lái)控制毫安表投切。

雖然初步確定和改進(jìn)了絕緣靴試驗(yàn)裝置電路，但由于擊穿發(fā)生于試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，特別是在交變電場(chǎng)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(huì)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(shí)正好按下按鈕，那么高壓就會(huì)經(jīng)電極、絕緣靴、金屬器皿、毫安表流入大地，此時(shí)試驗(yàn)人員接觸到的相當(dāng)于金屬器皿上的電壓，造成試驗(yàn)人員觸電。因此，需要一種能夠限制電壓，當(dāng)電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)就動(dòng)作，把電壓控制在一定范圍內(nèi)保護(hù)試驗(yàn)人員的元器件或裝置。經(jīng)過(guò)綜合比較，選用放電管作為過(guò)電壓保護(hù)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(duì)地電壓，保護(hù)試驗(yàn)人員在按下按鈕時(shí)發(fā)生擊穿而引起的觸電。

對(duì)絕緣工器具試驗(yàn)電路圖的改動(dòng)，解決了試驗(yàn)重復(fù)接線和按鈕上會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓的問(wèn)題，但毫安表的損壞問(wèn)題，還沒(méi)有從根本上得到解決。造成毫安表?yè)p壞的根本原因是絕緣工器具被擊穿的瞬間有大電流通過(guò)。限制電流的方法有很多，而最簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的是在電路中串聯(lián)電阻。絕緣安全工器具被擊穿時(shí)電流都會(huì)通過(guò)電阻，要求使用熱容量大的電阻。但隨著試驗(yàn)電壓的不同，為了達(dá)到限流作用，需要選用不同的限流電阻，這樣在試驗(yàn)時(shí)需要很多限流電阻以備選用。限流電阻在位置（3）時(shí)，如果按鈕沒(méi)有按下，它都不會(huì)工作，只有在按鈕按下常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，同時(shí)發(fā)生擊穿時(shí)才工作。由于有放電管并聯(lián)，在發(fā)生擊穿時(shí)，毫安表、按鈕、放電管并聯(lián)模塊兩端的電壓都不會(huì)超過(guò)放電管的額定工作電壓，這樣對(duì)于不同的試驗(yàn)電壓只需要一個(gè)電阻就可以解決所有問(wèn)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(gè)思路設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)型絕緣安全工器具試驗(yàn)平臺(tái)示意圖見(jiàn)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(dāng)電壓超過(guò)額定工作電壓時(shí)，由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，使放電管兩端的電壓差不超過(guò)額定工作電壓，以保護(hù)人和設(shè)備安全。本文中主要是用來(lái)保護(hù)試驗(yàn)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(shí)，調(diào)壓器上的保護(hù)會(huì)馬上動(dòng)作切斷電源，因此在放電管上過(guò)電壓持續(xù)的時(shí)間很短。放電管的耐沖擊電流較大，一般都能滿足試驗(yàn)要求。由于設(shè)計(jì)的電路應(yīng)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(yàn)時(shí)，泄漏電流不會(huì)超過(guò)10mA。但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，被試品的的泄漏電流可能超過(guò)20～30 mA，甚至達(dá)到50～60mA。電流表在測(cè)量時(shí)，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(hù)和維修，應(yīng)盡量采用通用型的而不是采用非通用型的專用定制型號(hào)，因此選用100mA的毫安表。實(shí)際使用過(guò)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(yán)重，例如手機(jī)來(lái)電電場(chǎng)發(fā)生變化等，都會(huì)造成指針偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。為了反應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，使用抗干擾能力較強(qiáng)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(hù)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(gè)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(hù)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(huì)超過(guò)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(hù)電阻的共同作用，在發(fā)生擊穿時(shí)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(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性。

（4）點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)的選擇。點(diǎn)動(dòng)按鈕開(kāi)關(guān)作用于毫安表、按鈕、放電管并聯(lián)模塊，工作在低壓回路，對(duì)地電壓不超過(guò)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(yīng)用舉例

按照?qǐng)D3進(jìn)行絕緣靴的交流耐壓試驗(yàn)，根據(jù)表1的5kV、1min交流耐壓試驗(yàn)，開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)與現(xiàn)行的試驗(yàn)方法相同，電壓到達(dá)15kV時(shí)，計(jì)時(shí)開(kāi)始，毫安表讀數(shù)為“0”。此時(shí)如果發(fā)生擊穿，電流直接經(jīng)按鈕的常閉觸點(diǎn)與大地相連，不經(jīng)過(guò)毫安表。反之，繼續(xù)保持電壓，接近60s試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，按下按鈕，按鈕的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，讀取毫安表上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如這時(shí)發(fā)生擊穿，試驗(yàn)人員的手還在按鈕上，放電管由絕緣變導(dǎo)通，進(jìn)行放電，從而保護(hù)了試驗(yàn)人員。在電阻的作用下，限制了毫安表回路的電流，保護(hù)了毫安表。

正常情況，絕緣靴的交流耐壓試驗(yàn)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(yàn)變壓器和被試品負(fù)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(cè)量泄漏電流時(shí)與保護(hù)電阻（R取3kΩ）串聯(lián)時(shí)，總阻抗為2003kΩ。

泄漏電流為7.49mA。與實(shí)際比較，誤差為-0.15%。在實(shí)際測(cè)量中，影響測(cè)量精度造成誤差的有很多，例如試驗(yàn)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(hù)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?，F(xiàn)場(chǎng)型絕緣安全工器具平臺(tái)在正常工作狀態(tài)。

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