一起隔離開關(guān)發(fā)熱熔斷故障分析與對策

苗金鋒，杜鵬，楊海濤

（1.濟(jì)南電力設(shè)計院，濟(jì)南250000；2.山鋼股份濟(jì)南分公司，濟(jì)南250101）

一起隔離開關(guān)發(fā)熱熔斷故障分析與對策

苗金鋒1，杜鵬2，楊海濤2

（1.濟(jì)南電力設(shè)計院，濟(jì)南250000；2.山鋼股份濟(jì)南分公司，濟(jì)南250101）

根據(jù)變電站設(shè)備運(yùn)行實際，對一起隔離開關(guān)發(fā)熱熔斷故障案例進(jìn)行分析，探討隔離開關(guān)發(fā)熱誘因，研究隔離開關(guān)觸頭過熱事故的原因及應(yīng)采取的措施，為變電站實施反事故技術(shù)措施提供了依據(jù)。

隔離開關(guān)；過熱；觸頭

0 引言

隔離開關(guān)是輸變電系統(tǒng)中的一個重要元件，與供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有著密切關(guān)系。作為一種轉(zhuǎn)換電路和保證停電檢修安全的設(shè)備，高壓隔離開關(guān)在電網(wǎng)中被廣泛使用［1］。隨著變壓器、斷路器制造工藝和運(yùn)行水平的提高，以及狀態(tài)檢修的實施，斷路器故障大為減少，檢修工作量亦顯著降低。然而隔離開關(guān)故障和缺陷卻開始增加，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)熱、銹蝕、閃絡(luò)等異常，嚴(yán)重影響人身和電網(wǎng)安全。結(jié)合濟(jì)鋼第七降壓站隔離開關(guān)發(fā)熱熔斷故障案例，分析隔離開關(guān)發(fā)熱的誘因，并結(jié)合實際工作，從技術(shù)要點和管理手段出發(fā)，切實提高設(shè)備安全運(yùn)行可靠性。

1 案例描述

2013－11－16 T 05∶23∶54，濟(jì)鋼第七降壓站Y3211柜零序保護(hù)動作同時A相過流報警隨即速斷跳閘，經(jīng)進(jìn)一步檢查確認(rèn)，無功補(bǔ)償裝置TCR支路35 kV隔離開關(guān)A相短路燒損，經(jīng)調(diào)取查看故障現(xiàn)場視頻錄像，故障點處弧光短路現(xiàn)象明顯故障最終導(dǎo)致相間短路，系統(tǒng)壓降影響高爐、轉(zhuǎn)爐、軋鋼等多條主要生產(chǎn)線。故障后，經(jīng)現(xiàn)場檢查及后臺數(shù)據(jù)確認(rèn)，排除小動物、雜物等外部因素影響，隔離開關(guān)熔斷故障為觸頭過熱，如圖1所示。

圖1 隔離開關(guān)熔斷故障

2 問題分析

2.1 隔離開關(guān)導(dǎo)電部分結(jié)構(gòu)

該故障隔離開關(guān)系某高壓開關(guān)廠生產(chǎn)的GW4-40.5 W型戶外隔離開關(guān)，其導(dǎo)電部分主要包括觸頭、觸指（觸片）、觸指座和導(dǎo)電管，結(jié)構(gòu)見圖2。隔離開關(guān)觸頭形狀為扁柱形，觸指由兩排（每排三片銅片）構(gòu)成，每片銅片用銷子連接一個彈簧。當(dāng)隔離開關(guān)由分到合時，帶電的觸頭經(jīng)過隔離開關(guān)的傳動機(jī)構(gòu)伸到觸指內(nèi)部，觸指由于壓縮彈簧而使彈簧產(chǎn)生反作用力，進(jìn)而將力傳遞到觸指和觸頭的接觸面上，增大接觸壓力，減小接觸電阻，電流通過觸頭、觸指、觸指座和導(dǎo)電桿接通回路，使線路帶電。

圖2 GW4-40.5 W型隔離開關(guān)觸頭

2.2 隔離開關(guān)發(fā)熱原因

2.2.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

從圖2中可以看到，觸指由左右兩側(cè)6個銅片組成，每個銅片僅有1個壓縮彈簧，且彈簧尾端以銷子固定。經(jīng)現(xiàn)場拆解分析，每對左右觸指通過1根螺栓連接的方式是存在缺陷的。當(dāng)觸指壓力不足引起左右兩側(cè)接觸電阻不等時，會有部分電流從螺栓處分流，如圖3所示。觸頭接觸通過電流時，其實際上形成一個電橋電路，其中R1~R4為觸指接觸部位的4個接觸電阻，R5為螺栓的電阻值。流過螺栓的電流ΔI的大小，與R1~R4這4個接觸點的好壞密切相關(guān)。由于不銹鋼材質(zhì)螺栓的導(dǎo)電性差，螺栓與觸指座僅通過彈簧連接，接觸電阻很大，因此即使電流很小，螺栓發(fā)熱也會相當(dāng)嚴(yán)重，長時間高溫運(yùn)行下容易造成螺栓燒熔斷裂，導(dǎo)致觸指脫落。

圖3 觸頭導(dǎo)電通路

單一壓縮彈簧且彈簧簧絲過細(xì)，在隔離開關(guān)多次分合后，有可能造成彈簧壓力不均，從而導(dǎo)致觸指銅片發(fā)生位移，影響隔離開關(guān)同期度的同時造成個別觸指壓力降低。隔離開關(guān)熔斷故障發(fā)生后，對該站及六降壓同型號隔離開關(guān)進(jìn)行直流電阻測試，如表1所示。

根據(jù)該隔離開關(guān)產(chǎn)品技術(shù)說明書中規(guī)定，額定電流1 250 A隔離開關(guān)回路電阻值不大于100 μΩ，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)個別隔離開關(guān)確實存在觸指接觸不良導(dǎo)致直流電阻異常增大現(xiàn)象。

彈簧以銷子固定，不可人為調(diào)節(jié)彈簧壓力，給檢修調(diào)試帶來嚴(yán)重影響。因此，經(jīng)實際操作驗證，此種設(shè)計結(jié)構(gòu)，在設(shè)備多次操作中，極易出現(xiàn)觸指單邊接觸的情況，接觸面積減小，勢必造成隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱。

表1 六降壓隔離開關(guān)回路直流電阻試驗數(shù)據(jù)

2.2.2 隔離開關(guān)材質(zhì)問題

對濟(jì)鋼供電系統(tǒng)中同類型隔離開關(guān)運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)僅有同一批次的六、七降壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)隔離開關(guān)存在觸頭發(fā)熱現(xiàn)象，對比不同點主要在于該批次隔離開關(guān)用料及材質(zhì)。隔離開關(guān)導(dǎo)電桿、出線座等絕大部分采用鋁質(zhì)構(gòu)成，其中僅有觸指和觸頭為銅質(zhì)部件。

金屬鋁的電導(dǎo)性遠(yuǎn)低于銅質(zhì)部件，隨著溫度升高，鋁質(zhì)自身導(dǎo)體電阻增大，導(dǎo)致導(dǎo)體產(chǎn)生熱量從而形成惡性循環(huán)，造成發(fā)熱點迅速惡化，最終導(dǎo)致設(shè)備溫度在短時間內(nèi)急劇上升。相對于銅的熔點（1 083℃），鋁的熔點（660℃）要低得多［2］，因此一旦發(fā)生設(shè)備過熱且溫度上升至接近熔點時，由于其熱穩(wěn)定性不足，導(dǎo)電桿等鋁質(zhì)部件將會發(fā)生嚴(yán)重變形甚至熔化，從而導(dǎo)致隔離開關(guān)接觸點的位移甚至分?jǐn)嘈纬衫。娀∷a(chǎn)生的巨大熱量將導(dǎo)致剩余鋁質(zhì)部件的完全熔化直至短路跳閘。根據(jù)對濟(jì)鋼七降壓故障現(xiàn)場及監(jiān)控畫面的分析，可以基本判定鋁質(zhì)部件受熱變形、拉弧、熔化（如圖4）是造成本次故障的關(guān)鍵原因。

圖4 鋁質(zhì)導(dǎo)電桿受熱熔化

2.2.3 觸指和觸頭的接觸面積

根據(jù)隔離開關(guān)導(dǎo)電原理不難發(fā)現(xiàn)，觸頭和觸指之間的接觸只是一條線，接觸面積較小，而且由于產(chǎn)品的多方面原因和制造工藝問題，有可能會造成觸指和觸頭的表面粗糙、坑洼、毛刺，這樣就使得本來較小的接觸面更小，同時接觸電阻增大，繼而導(dǎo)致接觸部位發(fā)熱。試驗證明，觸指與觸頭的接觸點是最易發(fā)生過熱現(xiàn)象的部位，根據(jù)大電流溫升試驗結(jié)果（如表2所示），存在接觸隱患的隔離開關(guān)接觸點，在隔離開關(guān)額定電流1 250 A狀態(tài)下運(yùn)行不到5 min，設(shè)備表面溫度已經(jīng)超過180℃。

表2 六降壓隔離開關(guān)大電流溫升試驗數(shù)據(jù)

2.2.4 彈簧的老化問題

彈簧的主要作用是將壓力傳遞到觸指和觸頭的接觸面上，增大接觸壓力，但由于彈簧本身的性能原因，在常年運(yùn)行后會出現(xiàn)老化的情況，加上由于發(fā)熱的原因，會使彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)變小，尤其是那種可能會利用彈簧分流的隔離開關(guān)，老化速度更為明顯。一些污穢程度較高的地區(qū)，在每年的檢修過程，都會發(fā)現(xiàn)一些彈簧銹蝕斷裂的情況，不利于隔離開關(guān)的正常工作。

2.2.5 檢修問題

檢修過程中，檢修人員要為隔離開關(guān)的導(dǎo)電部分涂抹導(dǎo)電膏，為傳動機(jī)構(gòu)上潤滑劑，檢查隔離開關(guān)的工作性能［3］。很多檢修人員沒有正確認(rèn)識導(dǎo)電膏，操作錯誤，不但增大了接觸電阻，而且導(dǎo)電膏容易吸附灰塵，使情況變得更加復(fù)雜。另外，在檢修過程中，很少拆下隔離開關(guān)細(xì)致檢修隔離開關(guān)的各部分零件，不能對問題零件及時更換。

3 隔離開關(guān)發(fā)熱問題的處理方法

3.1 更換銅質(zhì)導(dǎo)電部件

材質(zhì)問題是造成此次故障及影響擴(kuò)大化的主要原因之一，根據(jù)不同材質(zhì)在高熱情況下的試驗分析，純銅導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即使在設(shè)備異常發(fā)熱甚至產(chǎn)生電弧的情況下，由于銅良好的熱穩(wěn)定性，仍然可以保證設(shè)備的基本運(yùn)行狀態(tài)，為應(yīng)急處置提供時間。根據(jù)市場價格計算，相對于鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)其價格要高，但從長期的運(yùn)行看，假如設(shè)備故障要將線路進(jìn)行停電，停電造成的經(jīng)濟(jì)損失及影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出更換成本，因此是十分有必要的。

3.2 增大觸頭和觸指的接觸面積

觸頭和觸指是設(shè)備發(fā)熱的關(guān)鍵點，其線接觸的結(jié)構(gòu)特點，就決定了在接通大電流時，發(fā)熱情況在所難免。因此，如何增大接觸面積是解決發(fā)熱問題的關(guān)鍵所在。通過大量理論研究和實踐經(jīng)驗探索，在不改變現(xiàn)有隔離開關(guān)接觸方式及機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，增加觸頭銅塊厚度，加大觸頭和觸指的接觸面積，分流觸頭和觸指的電流，減少發(fā)熱量，同時，在觸頭銅塊與鋁導(dǎo)電桿間增加銅鋁過渡夾，以減少銅鋁接觸電阻過大的問題。

3.3 提高彈簧可靠性

彈簧是保證隔離開關(guān)導(dǎo)電部分正常工作的重要環(huán)節(jié)，但其老化和銹蝕問題始終難以得到解決，如何讓彈簧正常工作，且能夠及時有效發(fā)現(xiàn)彈簧隱患，是問題的關(guān)鍵。

選材和用料。彈簧的用料極其關(guān)鍵，一定要選用不銹鋼標(biāo)號合格的、倔強(qiáng)系數(shù)較高的材料，必要時，建議采取熱鍍鋅處理。

調(diào)整彈簧結(jié)構(gòu)及數(shù)量。在保證隔離開關(guān)觸頭和觸指工作壓力和水平承載力的前提下，在觸指內(nèi)側(cè)增加1根彈簧，使壓力分布在多個彈簧上，優(yōu)化彈簧的工作環(huán)境。

調(diào)整螺栓結(jié)構(gòu)。將觸指改為左右分別固定的方式，即每對觸指用2根螺栓分別固定，使螺栓不再成為電流經(jīng)過的通道，同時將螺栓兩端加裝觸指緊固螺帽，便于檢修過程中針對彈簧性能差異進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖5所示。

圖5 彈簧及螺栓結(jié)構(gòu)調(diào)整

3.4 強(qiáng)化檢修的質(zhì)量

隔離開關(guān)的檢修主要包括操作機(jī)構(gòu)的清掃調(diào)整、傳動機(jī)構(gòu)的檢查緊固以及觸頭部分的打磨潤滑，其中接觸部分的檢修質(zhì)量將直接決定隔離開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，因此，必須嚴(yán)格規(guī)范其檢修流程。

首先用細(xì)銼銼去接觸面的毛刺，并用砂紙將接觸面研磨平整；然后用去油劑除去表面上的油污，用細(xì)鋼絲刷除去表面氧化膜；再用干凈的棉紗蘸酒精將接觸面擦拭干凈；等表面干燥以后，先預(yù)涂0.05~ 0.1 mm厚的工業(yè)凡士林，將凡士林抹平，剛能覆蓋接觸面為宜，并用銅絲刷輕輕擦拭；然后除去膜層，擦拭表面、重新涂敷0.2 mm厚的工業(yè)凡士林。經(jīng)過反復(fù)實踐和摸索，接觸面必須先認(rèn)真處理，再涂敷工業(yè)凡士林。

實驗室中對多項指標(biāo)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電膏并非良導(dǎo)體，其中含有的多種雜質(zhì)，對金屬接觸面存在不同程度的劃傷和氧化。為此經(jīng)過反復(fù)的嘗試和摸索，最終發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電性能良好且雜質(zhì)含量極少的工業(yè)凡士林作為替代物。事實證明，工業(yè)凡士林處理后的觸頭，實際運(yùn)行中效果很好。

3.5 管理方法

嚴(yán)把安裝、交接關(guān)口。對于新的開關(guān)，由于運(yùn)輸造成的彈簧、螺栓松動或長時間存放接觸面氧化等問題都可能導(dǎo)致其觸頭接觸電阻增大，因此在運(yùn)輸、安裝、調(diào)試過程中應(yīng)實施全面有效的控制。同時必須將直流電阻測試、絕緣測試以及大電流溫升測試納入交接試驗項目，妥善保存相應(yīng)試驗數(shù)據(jù)，以供運(yùn)行參考。

加強(qiáng)運(yùn)行巡視監(jiān)控。對變電運(yùn)行單位來說，運(yùn)行參數(shù)的準(zhǔn)確完備是分析處理電網(wǎng)事故的重要依據(jù)。濟(jì)鋼各主降壓站根據(jù)運(yùn)行要求，在站內(nèi)建立了設(shè)備測溫記錄機(jī)制，每天3個班次，每班次4個時間點，根據(jù)巡視檢查的要求，為設(shè)備進(jìn)行測溫，并且詳細(xì)記錄當(dāng)天的天氣情況、室內(nèi)外溫度、濕度、負(fù)荷情況等。通過長時間的分析對比，形成設(shè)備運(yùn)行溫度、負(fù)荷比例圖譜，進(jìn)而為調(diào)度的電網(wǎng)調(diào)整提供依據(jù)。

正確使用測溫儀和引進(jìn)先進(jìn)的測溫設(shè)備。目前常用的測溫方法有測溫蠟片和紅外測溫槍，通過觀察蠟片顏色及設(shè)備紅外圖譜可以有效掌握設(shè)備運(yùn)行狀況。但上述兩種方法都存在一定局限性，在大型設(shè)備監(jiān)測中使用較為不便，也無法實現(xiàn)實時溫度監(jiān)測。引進(jìn)紅外線熱成像儀代替測溫槍，裝設(shè)設(shè)備節(jié)點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)［4］，不僅可以取代人工巡檢，還可以實時在線監(jiān)測電氣節(jié)點發(fā)熱狀況，實施超限報警，防止和減少事故發(fā)生。

4 結(jié)語

對一起變電站隔離開關(guān)發(fā)熱熔斷故障進(jìn)行分析處理，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)、觸頭接觸面積、彈簧老化、檢修等方面分析隔離開關(guān)發(fā)熱原因分析，并針對性提出處理及預(yù)防措施，同時提出了有效管理辦法。

［1］GB 1985—2004交流高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］李國兵，李培新.變電設(shè)備發(fā)熱缺陷的管理［J］.電力安全技術(shù)，2005，12（7）：33-35.

［3］陳家斌.電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)及故障處理［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［4］樊祥榮，侯善敬.電力設(shè)備故障紅外診斷［M］.北京：中國電力出版社，1999.

Analysis and Improvement of an Isolating Switch Heat Failure

Based on operation practice of substation equipments，a calorific fusing case of the isolating switch is analyzed. Causes of abnormal overheat of isolating switches and the contacts are discussed，and improvement measures are proposed.This will serve as reference for anti-accident measures in substations.

disconnecting switch；overheat；contact

TM564

：B

：1007－9904（2014）06－0049－04

2014-09-11

苗金鋒（1972），男，工程師，主要從事高壓電力設(shè)計工作；

杜鵬（1973），男，工程師，主要從事高壓電力系統(tǒng)檢修、運(yùn)行工作；

楊海濤（1985），男，工程師，主要從事高壓電力系統(tǒng)檢修測試工作。