淺談某型10kV手車開關(guān)爆炸的原因

徐紅宇

摘 要：我局10kV開關(guān)柜有一半是采用的KYN型，而每年我局因為手車開關(guān)隔離觸頭（下面簡稱動靜觸頭）發(fā)熱引起爆炸的案例時有發(fā)生，此文就針對一起10kV開關(guān)爆炸的原因以及為什么銅鋁搭接容易引起發(fā)熱的原因進行了詳細(xì)的分析，并對此類家族型缺陷提出了相應(yīng)的整改措施。

關(guān)鍵詞：觸頭盒；靜觸頭；母排

1故障概況

某220kV變電站內(nèi)一臺10kV開關(guān)故障，造成2號主變低后備保護動作跳開2號主變低壓側(cè)開關(guān)，站內(nèi)10kV2段母線失壓。到現(xiàn)場核查后，發(fā)現(xiàn)10kV2段電容1路921開關(guān)柜內(nèi)，開關(guān)倉爆炸，921開關(guān)受損嚴(yán)重，故障點發(fā)生在開關(guān)C相上觸頭盒內(nèi)，觸頭盒、動靜觸頭及分支母排已全部被融化掉。

2開關(guān)爆炸原因分析

2.1引起開關(guān)爆炸的原因分析

根據(jù)現(xiàn)場，故障點位置發(fā)生在開關(guān)C相上觸頭盒內(nèi)（觸頭盒內(nèi)有動觸頭與靜觸頭、靜觸頭與母排兩個搭接點）。據(jù)保護動作情況看，發(fā)生故障的觸頭盒內(nèi)是先發(fā)生單相接地，然后引起三相短路，開關(guān)爆炸，保護動作。從動作情況說明引起單相接地的故障點發(fā)生在觸頭盒內(nèi)，要引起該處接地必須是觸頭盒絕緣得到破壞，因此，如果我們找到了破壞觸頭盒絕緣的原因就找到了引起開關(guān)爆炸的原因?，F(xiàn)就對破壞觸頭盒絕緣的原因提出幾點假設(shè)進行分析：

（1）由于手車開關(guān)操作不當(dāng)人為因素造成。此開關(guān)在上次預(yù)試以來，一直處于正常運行狀態(tài)，無任何故障報警，在爆炸投運前是處于熱備用狀態(tài)，因此投運前并無小車搖進搖出操作，這里可以排除沒搖到位致使插入深度不夠或者對中不好等問題造成，可排除此原因。

（2）觸頭盒絕緣本身存在缺陷。此項通過查閱上次在2013年04月22日預(yù)試的修試記錄，未發(fā)現(xiàn)異常，整體耐壓、開關(guān)本體試驗均合格，觸頭盒并未到使用年限，因此可以排除此原因。

（3）觸頭盒受到大的機械力作用，絕緣遭到破壞。此開關(guān)在上次預(yù)試運行狀態(tài)，在投運前是處于熱備用狀態(tài)，投運前并無小車搖進搖出操作，當(dāng)時也無大的外力對其觸頭盒發(fā)生強力的機械損傷，同樣排除。

（4）觸頭盒內(nèi)觸頭接觸部分本身發(fā)熱致使觸頭盒絕緣損壞，引起短路，發(fā)生爆炸。原因分析有以下幾點：

一、對相鄰柜同型號同批次的另一臺開關(guān)動靜觸頭檢查發(fā)現(xiàn)該開關(guān)的動觸頭已嚴(yán)重發(fā)熱至發(fā)黑狀態(tài)，且觸指彈簧片已有2片退火失效。靜觸頭進行檢查發(fā)現(xiàn)靜觸頭有嚴(yán)重過熱現(xiàn)象，靜觸頭尾部即觸頭與母排連接處已有嚴(yán)重發(fā)熱發(fā)黑的跡象，此問題具有類同性。

二、該開關(guān)型號為VD4-12型，靜觸頭直徑僅3cm（比華儀和森源等開關(guān)所配靜觸頭小將近2cm），廠家設(shè)計靜觸頭載流能力大小應(yīng)是采用銅制材料載流能力考慮的，而我們現(xiàn)場開關(guān)靜觸頭與其搭接的分支母排是采用的鋁母排，這就使得實際的載流能力大大減小。更為嚴(yán)重的是造成了靜觸頭與母排之間是銅-鋁的搭接方式，銅鋁搭接容易引起電腐蝕氧化，氧化程度會隨著運行環(huán)境和時間不斷累積惡化。

三、鋁母排的制作工藝不到位，鋁母排制作工藝粗糙，打孔后的邊角未打磨，凹凸不平，這不僅造成接觸不良。

因此，觸頭盒內(nèi)觸頭接觸部分本身發(fā)熱致使觸頭盒絕緣損壞，引起短路，發(fā)生爆炸是完全符合現(xiàn)場情況和邏輯推斷的。為此，我們總結(jié)故障原因為：分支母排未按設(shè)計的要求采用銅制材料，致使靜觸頭與排搭接處的載流能力大大減小，靜觸頭與分支母排之間形成了銅-鋁的搭接方式容易引起氧化，加之鋁母排的接觸面粗糙、走眼造成的接觸面進一步減小等問題，使得觸頭長時間的嚴(yán)重發(fā)熱，不斷惡化，引起動觸頭觸指彈簧片退火失效，致使動靜觸頭接觸壓力極具減小，接觸電阻極具增大，這樣反復(fù)惡性循環(huán)，造成當(dāng)開關(guān)再次投入運行時，開關(guān)將再不能承受正常負(fù)荷而將動靜觸頭熔化，觸頭盒絕緣受損，造成單相接地，引發(fā)三相短路，開關(guān)爆炸。

2.2銅-鋁搭接容易引起發(fā)熱的原因分析

我們知道搭接面發(fā)熱的原因是由于接觸電阻增大致使電壓降增大造成的。接觸電阻由收縮電阻和表面膜電阻組成，接觸電阻同時與觸頭材料、觸頭壓力、接觸面形式、表面、氧化程度和清潔狀況等有關(guān)，因此要準(zhǔn)確的計算出接觸電阻的大小較難，用經(jīng)驗公式計算，即

（1-1）

式中 Rj――觸頭接觸電阻（Ω）；

F――觸頭壓力（N）；

m――與觸頭接觸形式有關(guān)的常數(shù)，對于點接觸m=0.5，線接觸m=0.5～0.7，面接觸m=1；

K――與接觸材料、接觸表面加工方法、接觸面狀況有關(guān)的常數(shù)，見下表

在不考慮被氧化的情況下通過式（1-1）將銅-銅與銅-鋁搭接的2個K值代入，可以算出，后者的接觸電阻在最大的情況下可以到達(dá)10倍之多。

此外從被氧化的容易程度來看，銅-鋁搭接時電化學(xué)電勢差為580mV≥350mV（產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的臨界電壓），很顯然銅鋁電化學(xué)電勢差已經(jīng)超過了臨界電壓值，只要環(huán)境潮度較大時，就易造成電腐蝕，且此過程是惡性循環(huán)的。

3 整改措施

3.1將開關(guān)柜柜內(nèi)鋁母排全部更換為銅母排。

使用銅母排一是滿足了設(shè)計的載流能力要求，二是避免了銅-鋁搭接時容易造成的氧化影響，同時銅比鋁的散熱能力相對要強。

3.2將隔離靜觸頭進行改進，增大接觸面，增加載流能力余度。

由于工作條件和人為因素所限，母排的制作和開關(guān)安裝工藝時常達(dá)不到理想的要求，無意中就縮小了接觸面積，當(dāng)運行線路長期處于一個滿負(fù)荷狀態(tài)時，容易造成發(fā)熱。因此對靜觸頭進行改進，增大接觸面，就增加載流余度，提高了可靠性。

4 總結(jié)

此次故障主要是由于現(xiàn)場母排使用的鋁材料與設(shè)計的靜觸頭不搭配，引起發(fā)熱造成的，其實引起觸頭發(fā)熱的原因是多種多樣的，但由于現(xiàn)場爆炸的開關(guān)已不能還原實際運行狀態(tài)，因此，分析中參考了相鄰?fù)文妇€同批次型號開關(guān)的信息。本文的目的除了提出對有類似問題的整改措施外，另一個目的是提醒大家對使用新設(shè)備時，需謹(jǐn)慎考慮新設(shè)備所需的使用條件。