低压塑壳开关绝缘操作工具的研制与应用

张 科，符祥斌，毛红杰，陈子乐，吴乾铭

（海南电网有限责任公司昌江供电局，海南 昌江黎族自治县 572700）

1 工具研制背景

在中国实际工程中应用低压断路器时发现，其存在多种使用局限性。在使用断路器时经常出现安全事故的原因有多种，包括操作失灵、绝缘故障、开断、关合性能不良、导电性能不良等。安全事故的产生原因包括产品本身运行缺陷造成的技术因素及因操作人员操作失误造成的工作因素。无论是哪种原因，均会对电网构成严重威胁[1]。目前低压塑壳开关的分、合闸操作采用传统的人手操作方式。操作人员需用手直接操作，没有专门的辅助操作工具，很容易因开关或线路出现故障时，合闸产生的电弧对操作人员造成伤害。本文提出一种通用型低压塑壳开关绝缘操作工具，是一种辅助操作人员对开关进行分、合闸的工具，使操作人员身体远离开关，避免合闸时产生的短路电弧对操作人员造成伤害[2]。

2 塑壳断路器特性

塑壳断路器也被称为装置式断路器，所有的零件都密封于塑料外壳中，辅助触点、欠电压脱扣器以及分励脱扣器等多采用模块化。塑壳指的是用塑料绝缘体来作为装置的外壳，用来隔离导体之间以及接地金属部分。塑壳断路器通常含有热磁跳脱单元。由于结构非常紧凑，基本无法检修塑壳断路器，其主触点是靠手动操作或电动合闸的[3]。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。塑壳断路器也可分为A 类和B 类2种，B 类具有良好的三段保护特性，但由于价格因素，采用热磁式脱扣器的A 类产品的市场占有率更高。塑壳断路器是将触头、灭弧室、脱扣器和操作机构等都装在一个塑料外壳内，一般不考虑维修，适合作支路的保护开关。过电流脱扣器有热磁式和电子式2 种，一般热磁式塑壳断路器为非选择性断路器，仅有过载长延时及短路瞬时2 种保护方式，电子式塑壳断路器有过载长延时、短路短延时、短路瞬时和接地故障4种保护功能。部分电子式塑壳断路器新推出的产品还带有区域选择性连锁功能。大多数塑壳断路器为手动操作，也有部分带电动机操作机构。

塑壳式断路器具有过载长延时、短路瞬动的二段保护功能，还可以与漏电器、测量、电操等模块单元配合使用。在低压配电系统中，它作为终端开关或支路开关被使用，取代了过去常用的熔断器和闸刀开关。随着塑壳断路器在电网中广泛使用，其对应产生的安全问题也逐渐成为电力企业实现安全生产必须研究的重要话题。市面上常见的低压塑壳开关部分型号如图1—图3所示。

图1 移动式断路器

图2 塑壳开关

图3 三相塑壳断路器

3 低压断路器的选择与参考标准

对于低压断路器的选择，需要重点考虑以下几点：①断路器极限短路分断能力和运行短路分断能力。根据国际电工委员会IEC947-2 和中国等效采用IEC 的GB4048.0《低压开关设备和控制设备低压断路器》标准，断路器的极限短路分断能力和运行短路分断能是判断断路器运行能力的重要参考标准。②断路器电气间隙和爬电距离。要确定断路器的电器间隙，需要根据低压系统的绝缘配合。绝缘配合建立在瞬时过电压被限制在规定的冲击耐受电压，而系统中的电器或设备产生的瞬时过电压也必须低于电源系统规定的冲击电压。因此断路器电气间隙和爬电距离也是低压断路器选择的重要参考[4]。

低压断路器的参考标准如下：GB 10963—1989《家用及类似场所用断路器》、GB 14048.2—1994《低压开关设备和控制设备 低压断路器》、GB 1984—1989《交流高压断路器》、GB 4876—1985《交流高压断路器的线路充电电流开合试验》、GB 7675—1987《交流高压断路器的开合电容器组试验》。

4 现有技术问题与事故分析

4.1 现有技术问题

目前低压故障发生时，使用传统的人手动拉闸方式存在爆炸与电弧伤人的安全风险。部分操作人员会佩戴绝缘手套进行基础保护，但绝缘手套一般只能防止电流通过人体，无法防止其他方式的伤害，同时也存在着人手误触碰问题。因此，本文提出一种低压塑壳开关绝缘操作工具，可用外部绝缘工具取代人手，实现人手无接触的安全操作。

4.2 绝缘事故分析

断路器的绝缘事故可分为内绝缘事故和外绝缘事故。其中内绝缘事故包括套管和电力互感器事故，如进水受潮、油质劣化或油量不足；而外绝缘事故包括污闪和雷击引起的断路器闪络、爆炸等事故。由于在实际操作中，一般无法完全杜绝事故发生，因此对电气设备辅助使用工具的研制与应用，需要符合电力环境安全绝缘要求的技术指标，以确保电力设备的安全运行与操作人员的人身安全[5]。

5 研制方案

5.1 研发思路

经过近几年对变电站断路器尤其是对低压塑壳断路器的操作研究，发现目前使用传统人手操作方式存在一定的安全隐患，因此绝缘性是本工具首要的技术设计点。同时为了在使用时能产生一定的操作距离，设计的工具需具备安全距离操作功能，操作头设计方面需满足单手快速操作，因此操作头的设计必须是能在施力时实现与开关拉闸方向相反的凹型设计。

5.2 研究方法与技术路线

5.2.1 文献资料法

笔者们通过图书馆、档案馆以及互联网等渠道广泛查找相关的文献资料，并对查找得到的文献资料加以分析和研究。

5.2.2 实地调查法

为更好地了解现阶段低压塑壳开关实操存在的安全问题，笔者们在确定的范围内进行变电站实地考察，搜集大量资料以统计分析，从而探讨耗时较长的原因。

5.2.3 案例分析法

笔者对国内外解决低压塑壳开关操作问题案例进行持续追踪调查、剖析，深入研究，总结经验。

5.2.4 分析归纳法

研究分析所查阅到的文献资料，归纳总结其研究内容并合理分类，根据比较研究及案例分析的结果，总结归纳有借鉴意义的做法和经验。

通过搜集文献、研究分析，本文提出本工具的技术研发路线，以使得整个研究可以有序推进，技术路线可按照如下所示的流程进行：现场勘查→提出工具的技术指标→查阅资料→提出具体的设计方案→工具制作→现场试验→查找存在的问题→对工具进行改进升级→试验成功并完成技术报告→完成。

5.3 技术研究方案

本文提出的低压塑壳开关绝缘操作工具，其设计为可伸缩型杆体设计，结构包括杆体和操作头。其中操作头采用的技术设计原理是与开关相反的凹造型结构；操作杆采用绝缘性好的橡胶材料制作，通过操作杆与操作机制的联动操作解决手动操作的问题，以操作头取代人手操作，解决工作人员在对低压塑壳开关进行分、合闸操作时，因开关或线路故障，合闸时产生的短路电弧对操作人员造成的伤害[6]。

设计时结合了低压塑壳开关断路器的使用场景及使用空间，结构小巧便携，可伸缩，方便携带，操作时只需要在安全位置伸缩操作杆到分、合闸开关处，用操作头实现拉动便能快速完成相关操作。工具能应用于更多同类型尤其是狭窄空间的安全距离绝缘操作场景中，安全性高，使用方便，可减少电力安全事故的发生率。

5.4 技术关键点

工具操作头采用的是与开关相反的凹造型结构，使其能通过操作杆与操作机制的联动操作实现拉闸等动作。杆体采用全绝缘材料设计，并可伸缩，满足安全操作距离。小巧便携设计可保证其使用的便捷性。

6 应用效能

目前配电系统要求断路器除了能通断电流实现电路控制和简单的短路、过载保护外，还要能提供隔离和安全保护功能，特别是在针对人身、设备安全与配电系统的可靠性方面都提出了新的要求。因此在断路器的使用方面，操作人员的使用方式与现场操作安全性也是决定电力设备与电网系统安全运行的重要标志。本文提出一种作用于低压塑壳开关分、合闸操作的绝缘操作工具，工具研制后在海南电网昌江供电局进行试验使用，使用后大大提高了操作便捷性与安全性，操作人员只需单手便能实现安全距离的分、合闸拉动动作，其实用性获得了昌江供电局操作人员的一致好评[7]。工具计划被推广至更多兄弟单位，也能应用于同类型绝缘场合中，具有很好的推广性。

7 绝缘杆与电力安全操作应用

绝缘操作杆作为带电作业中主要操作的工具，能确保其处于良好的绝缘状态，对确保人员和设备安全具有重要意义。根据DL/T 1240—2013 对1 000 kV 带电作业工具装置的试验要求，对绝缘操作杆不同工况下电场分布进行研究。绝缘操作杆能用于短时间对带电设备进行操作或测量的基本绝缘安全工器具，因此也是变电站人员常用的作业工具。为了更好地使用电力设备，笔者正是在电力运行与安全操作工具应用的背景下，研制出一种适用于低压塑壳开关的绝缘操作工具，使其以最低的成本实现安全最大化。

8 效益分析

8.1 安全效益

本文提出的一种低压塑壳开关绝缘操作工具，实现了操作人员在安全距离内完成100%的分、合闸绝缘操作，不但降低了电力系统中尤其对于断路器操作中安全事故的发生率，同时也提高了断路器的安全运行，从而提高整体电网运行的安全性。

8.2 经济效益

本文所研制的低压塑壳开关绝缘操作工具，可使工作效率整体提升80%以上。工具在结构设计方面严格遵守及参考了变电站工作现场尤其低压塑壳开关的使用环境空间及操作规范，其便携性及操作的灵活性能有效提高现场工作效率，实际使用效果明显，能提高企业经济效益及管理效率，规范操作流程，成果可广泛应用于各种电气设备绝缘操作场景中。

9 结论

塑壳断路器系统中的智能保护设备能在电力系统出现一些故障时及时识别故障类型，快速切除系统中的故障部分，防止故障进一步扩大，使整个系统能够正常运行。随着低压塑壳断路器自动化程度的提高，相对应的人工操作方式也被逐渐取代。本文提出一种低压塑壳开关绝缘操作工具，利用科学合理的机械结构设计，解决了人工进行分、合闸操作中存在的安全问题，保障了操作人员的人身安全，是相关电气设备的有效辅助工具。