表箱剩余電流動作保護器轉換底座的研制

倪素奎

（國網河南省電力公司衛輝市供電公司，河南 衛輝 453100）

隨著人們對電力安全的不斷重視，表箱中安裝了大量的剩余電流動作保護器。剩余電流動作保護器（residual current operated protective device，簡稱為RCD），又稱漏電保護器，簡稱保護器。在發生人身觸電或者漏電、火災等事故時，流經剩余電流動作保護器的電流達到設定值時，能夠快速自動斷開電路，保護人身和設備的安全。由于剩余電流動作保護器型號多、安裝方式不同，導致新型固定方式的剩余電流動作保護器無法直接替代舊式剩余電流動作保護器，須要對安裝現場進行改造，步驟多、耗時長，給一線工作造成巨大的壓力，研制新工具、改進新方法迫在眉睫。

1 選擇課題

近30 年來，隨著電子技術的發展，高靈敏度、快速動作型剩余電流保護裝置獲得了極大的發展。目前市場上，剩余電流保護裝置生產廠家眾多，產品型號不一。小組成員對衛輝供電公司在運的剩余電流動作保護器進行了統計分析，主要是DZ47 型21 833 臺，占比53%。DZ15 型22 744 臺，占比38%。其他型號5 430 臺，占比9%。

DZ15 型剩余電流動作保護器由于體積大，占用表箱內部空間多，現在使用的多為體積小巧的DZ47 型。根據應用場景不同，每種型號的剩余電流動作保護器又分為單相型、三相三線型、三相四線型。DZ47 型剩余電流動作保護器固定方式為導軌安裝，DZ15 型為螺絲安裝，其結構示意圖如圖1、圖2 所示。

圖1 DZ15 型螺絲固定示意圖

圖2 DZ47 型導軌安裝示意圖

剩余電流動作保護器損壞后須及時進行搶修更換，由于DZ15 型剩余電流動作保護器型號老舊、采購困難，備品備件無法滿足要求。DZ15 型剩余電流動作保護器同種型號間更換平均用時8.7 min，用DZ47 型剩余電流動作保護器替代安裝平均用時18.7 min。替代安裝平均用時比同型號間更換平均用時長10 min，是同型號間更換平均用時的2.1 倍。

經過數據分析，DZ47 型剩余電流動作保護器替代DZ15 型總用時平均總用時18 min，安裝固定導軌平均用時為13 min，占比72%，安裝固定導軌用時占比大，為影響更換效率的關鍵因素。受制于現場作業條件，如工具運用情況、表箱材質、人員技能水平等。根據以上分析，亟須研制一種新的裝置，減少DZ47 型剩余電流動作保護器替代DZ15型的安裝步驟，降低安裝耗時，提高搶修效率。

2 設定目標及目標可行性論證

研制一種適用于表箱剩余電流動作保護器的轉換底座，能夠實現DZ47 型剩余電流動作保護器替換DZ15 型所需固定導軌的快速安裝。將量化目標值定為：安裝導軌的時間由原來的13 min 降低至2 min。

通過對電源轉換插頭和汽車牌照轉換架借鑒技術的分析，與表箱剩余電流動作保護器轉換底座滿足需求要實現的功能對比，借鑒物理結構、安裝方式、通用性、不破壞設備本體、簡化流程等技術特點可以應用到轉換底座研制中，滿足功能需求。通過模擬試驗結果，安裝底座（含導軌）平均用時為1 min 51 s，考慮模擬盤和實際表箱的差異，保留一定裕度，將安裝底座（含導軌）的目標時間設定為2 min 是可行的。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 提出方案

在課題目標確定后，小組根據課題需求和借鑒技術原理，明確了研制表箱剩余電流動作保護器轉換底座的設計要求和設計思路。明確表箱剩余電流動作保護器轉換底座結構分為3 部分：連接表箱結構、本體結構和固定保護器結構。

3.2 分解方案的選擇

表箱結構的主要作用是連接表箱，根據細化方案分析，連接表箱結構可采用獨立結構和融合結構2 種方案。獨立的連接表箱結構為獨立部分；融合的連接表箱結構是與本體結構合二為一，本體結構能夠同時連接表箱和固定保護器結構。經過分析最終采用結構簡單、安裝牢靠的融合結構。

本體結構的主要作用是連接表箱和DZ47 型剩余電流動作保護器的安裝導軌，由寬度調節結構、分段連接結構、平整限位結構3 部分組成，同時還涉及本體材料選擇。為了滿足通用性的功能需求，表箱剩余電流動作保護器轉換底座要通過寬度調節選擇對應的DZ47 型剩余電流動作保護器單相、三相三線、三相四線3 種模式，不同模式下轉換底座尺寸應能滿足DZ47 型保護器安裝尺寸要求。根據以上功能需求分析，寬度調節結構可采用兩分段調節和三分段調節2 種方案，經過分析采用結構簡單、調整方式靈活的三分段調節方案。分段連接結構可采用榫卯式和轉軸式2 種方案，經過分析最終采用了結構簡單、強度高的六合頁轉軸式方案。平整限位結構可采用加裝限位塊和兩端折彎90° 2 種方案，經過分析最終采用結構簡單、制作便捷的兩端折彎90°方案。表箱剩余電流動作保護器轉換底座材料常用的金屬材料有Q235 碳素鋼，201 不銹鋼，304 不銹鋼，經過分析最終采用強度更高的304 不銹鋼材質。

固定保護器結構包括導軌選擇和導軌固定結構2 部分，導軌長度與底座寬度保持一致，其中導軌選擇有廠標導軌和國標導軌2 種；導軌固定方式有螺絲固定和鉚釘固定2 種。經過對比分析表箱剩余電流動作保護器安裝轉換底座導軌采用材質強度高的國標導軌，導軌固定方式采用尾部鉚接扁平，開合角度大的鉚釘固定方案。

4 制定對策并實施

小組對最優化方案進行分析討論，根據5W1H原則，制定了對策表，確定了相應的對策、措施、具體實施人及實施時間等。

4.1 對策一：制作三分段寬度調節結構

根據對策目標的要求，對照現有剩余電流動作保護器安裝尺寸和外形尺寸，轉換底座三分段調節方式，單相模式時，外尺寸為66 mm × 225 mm，三相模式時，外尺寸確定為113 mm × 225 mm。板材厚度選擇強度適中、經濟性好的1.0 mm 厚304 不銹鋼。根據最佳方案，采用AutoCAD 軟件繪制了底座三分段調節CAD 圖紙。根據圖紙尺寸用鐵皮裁制了三塊對應的板子，來模擬底座三分段調節。根據檢查設計的底座3 分段調節方式，尺寸滿足轉換底座寬度調節范圍66～113 mm，對策一目標實現。

4.2 對策二：制作轉軸式分段連接結構

小組成員用SolidWorks 繪圖軟件，繪制了轉換底座一體型轉軸合頁3D 圖并委托加工廠進行了制作。經過測試轉換底座轉軸式分段連接結構，開合角度范圍折疊時 ≤ 0°，展開時 ≥180°，對策二目標實現。

4.3 對策三：制作90°平整限位結構

小組成員用SolidWorks 繪圖軟件，繪制了折彎限位3D 圖，并委托加工廠，利用數控折彎機，將底座鋼板兩端折彎90°，折彎長度7.5 mm。考慮到兩端折彎后，存在導線劃傷的風險，小組成員經過討論在折彎處增加了絕緣橡膠條，起到保護作用。經過測試轉換底座采用兩端折彎90°平整限位結構后，底座展開最大角度為180°，底座平整，對策三目標實現。

4.4 對策四：鉚釘固定安裝導軌

小組成員采購了型號為TH35-7.5 的C45 國標安裝導軌，根據安裝導軌安裝孔的尺寸，小組成員采購了型號為M4 × 4 mm 型鉚釘。小組成員在檢修庫房對導軌進行了切割，并通過鉚釘進行固定。小組成員對測量的切割尺寸進行了數據正態性檢驗，正態分布P值為0.793（大于0.05），數據服從正態分布，對切割尺寸進行了過程能力指數分析，結果為CPK = 1.63，過程能力充分，切割尺寸整體誤差可控，能力充分，滿足設計要求。經過檢測轉換底座鉚釘鉚接安裝導軌，導軌切割誤差 ≤ 1 mm，鉚釘安裝無松動，對策四目標實現。

4.5 對策五：整體測試實驗

小組成員將制作好的轉換底座送至河南電力科學研究院電工材料檢測與評估實驗室進行測試，屈服強度、拉伸強度、耐腐蝕性等均滿足標準要求。小組成員對表箱剩余電流動作保護器裝換底座在模擬盤上進行了50 次測試，經過對數據進行分析，繪制直方圖可以得到，所有安裝時間在1.6 min 到1.95 min 之間；在安裝時間區間圖中可以得到，安裝時間分布在平均值的95% 置信區間內，替換DZ15 單相型時轉換底座的時間集中分布在1.72～1.77 min。更換DZ15 三相型時轉換底座的時間集中分布在1.87～1.95 min，數據分析結果顯示安裝時間均在2 min 內，根據2 型號不同呈雙峰分布，安裝結果經檢測全部合格。轉換底座實現DZ47 替代DZ15 型剩余電流動作保護器，轉換底座安裝時間為1.83 min，小于2 min，且同時適配單相、三相三線、三相四線型剩余電流動作保護器，如圖3、圖4所示，對策五目標實現。

圖3 剩余電流動作保護器安裝底座折疊展開示意圖

圖4 剩余電流動作保護器安裝底座安裝模式示意圖

5 效果檢查

經衛輝市供電公司主管生產和安全的副總經理批準，在公司范圍內進行小批量應用。小組成員在對使用轉換底座的30 個工作現場進行了跟蹤觀察，安裝固定導軌的平均用時由13 min 下降到平均1 min 50 s，實現了預期目標。表箱剩余電流動作保護器轉換底座應用后， DZ47 型剩余電流動作保護器代替DZ15 型的安裝過程中，更換步驟由7 個減少到為5 個，操作流程縮短，更換時間大幅降低。使用新研制的表箱剩余電流動作保護器轉換底座后，在用DZ47 型剩余電流動作保護器代替DZ15 型的過程中，平均用時6.9 min，其中安裝固定底座平均用時1.9 min，同比減少11.1 min，占比27%，同比降低45 百分點。

6 結束語

本文研制的表箱剩余電流動作保護器轉換底座，實現了DZ47 型剩余電流動作保護器替代DZ15 型的快速安裝，通過使用表箱剩余電流動作保護器轉換底座使備品儲備由原來的6 種減少到現在的3 種，即可滿足搶修需求，減少50%的庫存。替代安裝流程的規范性、安全性、效率同步提升，并產生了可觀的經濟效益和良好的社會效益。一方面可減少重新領取備件造成往返情況的發生，從而提升搶修效率，提高客戶滿意度，提升優質服務水平；另一方面少表箱剩余電流動作保護器損壞后，因無對應備件而造成表箱剩余電流保護缺失，從而減少越級跳閘等大面積停電事故發生，提高供電可靠性。

成果完成后，經檢驗取得了顯著的效果。小組成員將整個活動過程中的資料進行歸檔，并編制了表箱剩余電流動作保護器轉換底座使用說明書，為確保現場應用的標準化作業，小組成員又編制了表箱剩余電流動作保護器轉換底座作業指導書，并將表箱剩余電流動作保護器轉換底座的相關技術文件納入了標準文件，同時申請發明專利1 項，實用新型專利1 項。

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