断路器手车触头过热性故障机理分析及防止措施

断路器手车触头过热性故障机理分析及防止措施

胡向峰1朱俪2

（1.临沂供电公司山东临沂276000；2.中国联合网络通信有限公司临沂分公司山东临沂276000）

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的进步。开关柜柜体产生细微变形或者断路器通过手车推进至开关柜运行位置不到位情况时，容易造成梅花触头与柜体的静触头插入深度不够或者没有对中。此时由于接触不对称会导致接触处压力减小，接触电阻增大。梅花触头在这种情况下通入大电流长时间运行会造成紧固触指的压片过热，压片的弹性系数减小，从而对触指的压力降低，接触电阻进一步增大，温度持续升高，恶性循环，最终引发过热性故障。现有的预防措施主要有在线测温装置和快速弧光保护装置，受灵敏度限制，某些情况下不能及时发现故障，造成损坏。文中提出一种采用记忆合金压片的防止措施，通过在梅花触头触指的外周套设由记忆合金制成的压片，利用记忆合金对温度变化的形变特性，当梅花触头和静触头由于接触不良而引起触头温度超过记忆合金温度形变点时，记忆合金压片发生温度形变，向内紧扣梅花触头触指，降低梅花触头触指和静触头、触指和触臂之间的接触电阻，减小发热，能有效降低过热性故障的故障率。

关键词：断路器；手车触头过热性；故障机理分析；防止措施

引言

断路器手车触头接触不良发热，会导致过热，甚至会发展成为电网事故。基于多场耦合有限元法建立了断路器手车触头温升计算的三维模型，采用该模型对不同插入深度和偏移角度进行了力场计算，分析了静触头插入深度和偏移角度对接触压力的影响，并进行了插入深度试验，结果表明，插入深度不足导致的梅花触头接触电阻增大是断路器手车触头过热性故障的主要原因。接着计算分析了在额定电流作用下静触头插入深度为1/2时的断路器手车触头稳定温升、电流密度与应力分布。最后搭建了装有记忆合金材料压片的梅花触头和装有普通材料压片的梅花触头的对比温升试验平台，结果表明，使用记忆合金压片有助于降低梅花触头温升，有效地降低了过热性故障的故障率。

1压片产生的力值测量

首先将压片用夹具固定后放入盛冷水的容器内，然后放在压力机下，压片一端以恒定的速率被压下2.8mm(静触头插入梅花触头时，压片被压下的距离)，保持压盘的顶针不动，通过加热棒加热水，调节水的温度由20°C升至100°C，用温度计监测水温，记录电脑上显示的力值，温度每变化10°C记录一次力值。随着温度的升高，普通弹簧钢压片的力值基本不变，而记忆合金压片的力值在达到温度形变点(50℃)时迅速增大，并在高温时逐渐趋于平缓。在20~30℃的范围，记忆合金压片的力值比普通压片的力值小；大于30℃，记忆合金压片的力值比普通压片的力值大。

2断路器手车触头有限元计算模型

2.1断路器手车触头基本结构

头设有触臂、静触头以及梅花触头，而梅花触头又由触指、支撑架和压片组成。支撑架的中间设有通孔，支撑架的外周设有用于固定触指和压片的定位孔；触指装配于支撑架上并构成环形体，压片装设于触指外侧，压片的中间部分固定于支撑架定位孔侧壁，压片两端与触指两端扣接，扣接后压片为触指和静触头、触指和触臂的电接触面提供接触压力。为了降低接触电阻，在触指和静触头的表面镀银，厚度为12μm。

2.2计算原理

一般情况下，电流和热流只能通过接触面从一个部分传递到另一部分。COMSOL中分别在结构力场中设置接触对，电流场中设置电子接触对，传热场中设置热接触对(接触对即触指和静触头、触指和触臂的电接触面)。具体原理如下：首先在触指的上表面施加边界载荷，代入到结构力场去计算出触点的初始接触压力，由触点的初始接触压力进一步计算出初始接触电阻和初始接触热阻；然后将接触电阻当作输入的参数代入到电流场计算出每一部分的焦耳损耗，并当作热量输入与接触热阻一起代入到传热场来计算各个节点的温度，触点温升产生的热应力会影响接触压力，进而影响接触电阻和接触热阻，接触电阻和接触热阻的变化又会反过来影响传热场，直到温度趋于稳定值，因此断路器手车触头温升计算需要多次迭代直至收敛。

3触头发热原因分析以及解决措施

3.1负载的影响

高压断路器触头的发热情况，大多数发生在负载较大的大电流电源开关上。高压开关电力负荷发生变化时，会直接影响到设备的温度变化。正常情况下，开关在额定负荷下使用，负荷的变化引起的触头温度升高不应超过75℃（规定值）。如果负荷发生突变或增加过多，或者回路受到了短路电流的冲击时，断路器的梅花触头等连接部位就会产生发热现象。

3.2触头质量问题

高压真空断路器的动、静触头的设计和制作工艺差，接触面积不足，触头及弹簧材质选型不合格、触头表面镀银层薄易氧化或镀银工艺差镀层脱落，触头容量不足，梅花触头的弹簧紧力不足，动、静触头配合尺寸不合适或大于3mm的允许磨损厚度，触头插入尺寸小等问题，都将会引起运行中的断路器触头发热。

3.3设备安装工艺问题

动、静触头的装配工艺差，是引起运行中触头发热的另一个主要因素。若动、静触头的安装工艺不符合技术要求，小车式开关的梅花触头与静触头的配合就有偏差。当开关推入后，动静触头连接部分就可能因配合偏差而引起接触面积不够，造成动静触头接触不良，同时，长时间运行中的动静触头接触面的偏差部位将发生电弧灼伤，从而引起触头发热。另一方面，安装在开关柜中的静触头固定螺栓的松动或紧力不足时也会导致触头发热。

3.4触头氧化、脏污

高压断路器的动静触头是最容易过热氧化的部位，也是最容易产生发热的部位。由于该部位氧化、脏污等原因，导致触头接触电阻增大，在大电流情况下该处的热功率也很大，其结果就是触头严重发热。实践证明，当触头连接处的运行工作温度超过80℃时，连接处的金属将因过热面膨胀，使接触表面位置错开，形成微小的空隙而被氧化。当负荷电流减小温度降低，接触面回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖，已经回不到原来安装时金属面的直接接触。每次温度变化的循环所增加的接触电阻，将会使下一次循环的热量增加，所增加的温度又使接头的工作状况进一步恶化，因而形成恶性循环，致使断路器触头发热。银和空气氧化后呈黄白色，但是对于地处工业区或者环境污染较严重的地区，空气质量较差，空气中的二氧化硫、氯化物、氯气及氧化氮等可导致银合金变黑，H2S生成了黑色的Ag2S方程如下：2H2S+O2+4Ag=2Ag2S+2H2O。硫化银的导电性远远无法与银相比，只具有半导体的性质。所以银镀层被硫化后其接触电阻将大幅度增大。在加强现场巡视检查的基础上，在每年的迎峰度夏前，采用必要的技术手段对运行中的隔离开关触头温度进行在线测量，如示温蜡片、红外线测温仪、红外线热成像仪等对一次设备进行全面普查，同时和当天的自然温度相结合比较分析，一旦温升超出触头的发热极限温度，立即把测温图（包括发热温度值、具体发热部位等）上报相关部门，由检修部门第一时间安排检修人员过来处理消缺，以防持续发热，导致缺陷扩大，形成隔离开关拉不开等问题，甚至引发大面积停电等社会事件。

结语

插入深度不足导致的梅花触头接触电阻增大是断路器手车触头过热性故障的主要原因。使用记忆合金压片有助于降低梅花触头温升，可在一定程度上降低插入深度不足引发的过热性故障的故障率。

参考文献

[1]曹志民，吴小钊，刘永庆，等.一种非自力型梅花触头抱紧力计算方法[J].高压电器，2015，51(8)：98⁃101.

[2]李晶，满家健，周电波，等.金属封闭高压开关柜手车触头温度场仿真分析及实验研究[J].高压电器，2015，51(8)：74⁃79.