现场型绝缘安全工器具试验平台设计

卞晓亮

（国网上海市电力公司崇明供电公司，上海 202150）

1 绝缘工器具试验

为了保证作业操作人员在实际操作中能使用到安全合格的电气绝缘安全工器具，需要定期对它们进行预防性试验，来判断这些电气绝缘安全工器具是否符合使用条件，从而保证作业操作人员的人身安全。对电气绝缘安全工器具进行试验的试验设备，由于专业性较强、技术含量较高，并且市场占有率和普及程度较低，使得这些设备的价格十分昂贵，维修成本高，而且都需要成套购买。因此，有必要在现有设备的基础上设计一款在试验过程中能保护试验人员的安全，试验效率高，便于使用携带的现场型绝缘安全工器具试验平台［1-2］。

电气绝缘安全工器具指的是在带电设备上或者附近工作时，用来保护工作人员的人身安全，防止触电﹑灼伤等事故的发生所使用的一切工器具。根据各种常用的绝缘安全工器具预防性试验的项目﹑周期和要求，通过对现有试验设备和方法的认真分析和研究，发现现有的试验方法存在着一些不足，针对这些不足设计新的试验电路，从而在保护试验人员安全的同时提高试验效率。

2 现在所使用绝缘安全工器具的试验方法

电气绝缘安全工器具绝缘性能的好坏，直接关系到操作人员的人身安全。电气绝缘安全工器具对绝缘部分的试验，通常以工频交流耐压试验为主，对橡胶类材料制成的绝缘安全工器具，还应该测量其泄漏电流，本文以绝缘靴﹑绝缘手套为试验对象［3］。

在试验前，首先对绝缘靴﹑绝缘手套进行外观检查，检查绝缘靴﹑绝缘手套有无破损和漏气，如发现有破损或者漏气，即判定为不合格，不得再作为绝缘安全工器具使用。如外观检查合格，即可进行后续的工频交流耐压试验。

测量绝缘靴交流泄漏电流试验装置示意图如图1所示。工频交流耐压试验时，首先在绝缘靴内装满水，并吊在经绝缘支架支撑同样盛满水的金属器皿内，露出水面的部分应保持干燥和清洁，并按图1进行接线。

图1 测量绝缘靴交流泄漏电流试验装置示意图

在从图1可以看出，工频220V电压经调压器平滑的调节为试验变压器低压侧所需要的任意试验电压，通过试验变压器的升压，在试验变压器的高压侧形成试验所需要的工频试验电压。通过数显高压可以观测试验电压，达到试验电压后开始计时，并观测毫安表的读数和变化，如绝缘靴被击穿，直接判定不合格，如绝缘靴未被击穿，1min后调压器归零并断开试验电压，记录毫安表的读数并与表1进行比较，来判定绝缘靴的绝缘性能是否合格，至此工频交流耐压试验结束［4］。

由于工频交流耐压试验属于破坏性试验，因此在交流耐压试验前后必须要对被试品进行非破坏性试验［5-6］。非破坏性试验是对被试品进行绝缘电阻测量，来初步判断被试品的绝缘状况。试验时的试验电压﹑持续时间﹑泄漏电流的判定条件如表1所示。

在进行电气绝缘安全工器具预防性试验时，发现试验过程中的一些不足之处，导致试验的效率较低。

（1）微安表损坏概率较高。安培表串联在电路中内阻十分小，几乎可以忽略不计。以表1中最小的工频耐压，低压绝缘手套为例：试验电压为2.5kV，安培表的内阻为0.1Ω，水是导电的，电极至金属器皿的电阻为2.4Ω，不考虑两者的电阻是容性的，还是感性的，使两者直接相加，总阻抗为2.4+0.1=2.5（Ω）。当低压绝缘手套发生击穿时，图1中a，b点的电位相等，等于试验电压。

表1 部分安全工器具试验项目﹑周期和要求

根据式（1）可见，在发生击穿时，通过微安表的电流远远大于其量程。随着试验电压的提高，击穿电流也会大大提高。根据串联时分压定律，发生击穿时微安表承受的电压可能大于其允许承受电压，使微安表带高压，这对人和设备都是不安全的，这些都会造成微安表的损坏。

（2）试验时重复接线，重复操作。在实际操作中，为节约成本减少微安表的损坏，首先会按照图2接线和试验，交流耐压通过后再按照图1接线，测量其交流泄漏电流。这样做的原因是由于固体有机绝缘发生的电击穿、热击穿、电化学击穿等现象，在交流耐压试验开始至结束过程中都有可能发生，在保证微安表不会损坏的情况下，再测量其泄漏电流值，会增加试验人员的工作负担，测量一次绝缘安全工器具的泄漏电流值要经过2次接线和2次升压。测量绝缘靴交流耐压试验装置示意图如图2所示。

3 现场型绝缘安全工器具试验平台

3.1 设计思路

（1）安全性高。在任何时间、任何地点，人的安全是第一的，任何设计都要“以人为本”，同时为了更好地开展工作，也要注意试验设备的安全。

（2）效率高。在保证人员和设备安全以及试验质量的情况下，减轻试验人员的工作强度和提高试验的效率。如何在确保现有的试验效率或者更高试验效率的前提下，减轻试验人员的工作强度，也是所要考虑的因素之一。

（3）可靠性高。设计的电路或设备，在试验使用过程中会受到环境和外力等因素的影响，要确保无故障工作的时间尽可能长。设计的电路应尽可能简单和实用，来保证使用的可靠性。

（4）经济性好。在以试验安全性和试验数据准确性为前提的大环境下，设计电路使用的仪器仪表和元器件应尽可能使用市场能买到的已经定型的产品，而不是定制的产品。批量生产的产品和定制的产品价格可能相差几倍或者十几倍，使用定型产品可以使成本大大降低，性价比更高。

（5）体积小。由于设备使用的环境是以可携带型、现场型为主体的，为了减轻试验人员负担，设计的设备应体积小、质量轻。

（6）维护方便。当设计的电路或设备发生故障时，电路越简单，就越容易发现故障。在发生故障时，使用的定型产品和元器件能及时从市场购买到，从而能及时排除故障，不影响使用。

（7）适用范围广。电路的设计应注意使用的通用性和普遍性，这样在其他试验和排故过程中也可以使用，减少设备的重复投资。

3.2 电路设计

根据实际操作中，先交流耐压通过，后测量泄漏电流，因此需要一种装置能根据需要将毫安表切除和投入。在毫安表的两段并联一副触点，可以解决毫安表的投入和切除问题。由于按钮结构简单、价格便宜、工作可靠，经过综合比较，确定使用按钮来控制毫安表投切。

虽然初步确定和改进了绝缘靴试验装置电路，但由于击穿发生于试验的整个过程，特别是在交变电场中，固体介质因介质损耗等产生的热量使其温度升高。如果散热不好，就会使温度不断上升，介质损耗和发热更大，热平衡被破坏，最终使最热处的介质局部熔化、烧焦而形成热击穿。如果这时正好按下按钮，那么高压就会经电极、绝缘靴、金属器皿、毫安表流入大地，此时试验人员接触到的相当于金属器皿上的电压，造成试验人员触电。因此，需要一种能够限制电压，当电压超过一定数值时就动作，把电压控制在一定范围内保护试验人员的元器件或装置。经过综合比较，选用放电管作为过电压保护元件。将放电管并联于毫安表两侧，以限制毫安表两侧的电压差，由于毫安表一端接地，并联放电管等于限制了对地电压，保护试验人员在按下按钮时发生击穿而引起的触电。

对绝缘工器具试验电路图的改动，解决了试验重复接线和按钮上会产生过电压的问题，但毫安表的损坏问题，还没有从根本上得到解决。造成毫安表损坏的根本原因是绝缘工器具被击穿的瞬间有大电流通过。限制电流的方法有很多，而最简单、可靠、实用和经济的是在电路中串联电阻。绝缘安全工器具被击穿时电流都会通过电阻，要求使用热容量大的电阻。但随着试验电压的不同，为了达到限流作用，需要选用不同的限流电阻，这样在试验时需要很多限流电阻以备选用。限流电阻在位置（3）时，如果按钮没有按下，它都不会工作，只有在按钮按下常闭触点断开，同时发生击穿时才工作。由于有放电管并联，在发生击穿时，毫安表、按钮、放电管并联模块两端的电压都不会超过放电管的额定工作电压，这样对于不同的试验电压只需要一个电阻就可以解决所有问题。如果放电管的额定工作电压小些，限流电阻的阻值大些，那么限流电阻可以选用普通的电阻而不需要专用的限流电阻。根据这个思路设计现场型绝缘安全工器具试验平台示意图见图3。

3.3 电路元器件的选择

（1）放电管的选择。放电管的作用是当电压超过额定工作电压时，由绝缘状态变为导通状态，使放电管两端的电压差不超过额定工作电压，以保护人和设备安全。本文中主要是用来保护试验人员安全的，因此电压越低越好。放电管的电压范围为75～3 500V，本文选用75V的放电管。在发生击穿时，调压器上的保护会马上动作切断电源，因此在放电管上过电压持续的时间很短。放电管的耐冲击电流较大，一般都能满足试验要求。由于设计的电路应尽可能集成、小巧，经综合分析，选用2RM075-8的放电管。

（2）电流表的选择。由表1可以看出，在试验时，泄漏电流不会超过10mA。但在实际试验过程中，被试品的的泄漏电流可能超过20～30 mA，甚至达到50～60mA。电流表在测量时，读数在其量程的三分之二处，精度是最高的。为了降低成本，也为了便于以后的维护和维修，应尽量采用通用型的而不是采用非通用型的专用定制型号，因此选用100mA的毫安表。实际使用过程中发现，如果使用指针式的毫安表，受环境因素的影响较严重，例如手机来电电场发生变化等，都会造成指针偏转，导致试验数据出现误差。为了反应试验数据的真实性，使用抗干扰能力较强的数显毫安表。因此，电流表选择量程为100mA的毫安表。

（3）保护电阻的选择。为了使电阻能在冲击电流下仍能充分限制毫安表回路的电流，给它一个冗余系数K（取3～4），即在3至4倍的电压下，仍能很好的保护毫安表。在放电管的作用下，毫安表、按钮、放电管并联模块两端的电压差不会超过75V，毫安表的量程为100mA，得到电阻为3kΩ。

同样是由于放电管和保护电阻的共同作用，在发生击穿时毫安表回路的电流，最高只有100 mA，不需要热容量大的专用限流电阻，因此只需要普通的2.25～3.00kΩ电阻，提高了设备的经济性和可维护性。

（4）点动开关的选择。点动按钮开关作用于毫安表、按钮、放电管并联模块，工作在低压回路，对地电压不超过75V。可以选用AC-110／10A的按钮，为了安全性选用AC-220／5A的按钮。

4 应用举例

按照图3进行绝缘靴的交流耐压试验，根据表1的5kV、1min交流耐压试验，开始试验时与现行的试验方法相同，电压到达15kV时，计时开始，毫安表读数为“0”。此时如果发生击穿，电流直接经按钮的常闭触点与大地相连，不经过毫安表。反之，继续保持电压，接近60s试验结束时，按下按钮，按钮的常闭触点断开，读取毫安表上面的试验数据。如这时发生击穿，试验人员的手还在按钮上，放电管由绝缘变导通，进行放电，从而保护了试验人员。在电阻的作用下，限制了毫安表回路的电流，保护了毫安表。

正常情况，绝缘靴的交流耐压试验的电压为15kV，泄漏电流判定的合格条件为7.5mA，在不考虑试验变压器和被试品负载特性是容性还是感性的情况下，回路的阻抗为2 000kΩ。

正常工作情况下，测量泄漏电流时与保护电阻（R取3kΩ）串联时，总阻抗为2003kΩ。

泄漏电流为7.49mA。与实际比较，误差为-0.15%。在实际测量中，影响测量精度造成误差的有很多，例如试验变压器的误差，仪表的误差等等，-0.15%的误差可以忽略。

在保护电阻上的电压降U阻=I泄Z阻=0.007 5×3 000=22.47（V），小于75V，可得放电管在绝缘状态，不工作。现场型绝缘安全工器具平台在正常工作状态。

［1］ 史国生，王念春，赵 阳.电气控制与可编程控制器技术（第3版）［M］.北京：化学工业出版社，2013.

［2］ 国家电力公司.电力安全工器具预防性试验规程（试行）［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［3］ 王建华，王兆安，巫松桢，等.电气工程师手册（第3版）［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［4］ 张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术（第3版）［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［5］ 郭光荣，李 斌.电力系统继电保护［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］ 刘 笙 .电气工程基础（第2版）［M］.北京：科学出版社，2008.