GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭溫升與接觸狀態(tài)關(guān)系研究

李玉杰, 李洪濤, 高 山,騰 云, 和彥淼, 劉 通

( 1. 國家電網(wǎng)公司GIS設(shè)備運(yùn)維檢修技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

高壓隔離開關(guān)是電網(wǎng)中使用最廣泛、使用量最大的高壓開關(guān)設(shè)備，通常是高壓斷路器使用數(shù)量的2～4倍[1]。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，隔離開關(guān)接觸面不潔凈、觸頭燒蝕、機(jī)械變形松動等都可能導(dǎo)致接觸條件惡化，接觸電阻增大，造成接觸點(diǎn)溫度變高，接觸面氧化加快，使局部熔焊或接觸變形松動處產(chǎn)生電弧，最終導(dǎo)致電氣設(shè)備的損毀甚至停電等重大電氣事故[2]。在變電站電氣設(shè)備的運(yùn)行中，實(shí)時在線監(jiān)測觸頭升溫具有重大意義，可通過電氣設(shè)備的溫度信息直接判斷其是否處在正常運(yùn)行狀態(tài)[3]。

高壓隔離開關(guān)工作可靠性與觸頭溫升有著密切聯(lián)系，觸頭溫升嚴(yán)重影響其安全工作性能和觸頭壽命。因此，對隔離開關(guān)觸頭溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，是保證高壓隔離開關(guān)安全運(yùn)行的重要手段，對于提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患、預(yù)防事故發(fā)生具有重要的意義[4-5]。文中通過研究GW6B-252型隔離開關(guān)不同觸頭接觸狀態(tài)與接觸電阻及最大溫升的關(guān)系，得到不同隔離開關(guān)缺陷對觸頭溫升的影響嚴(yán)重程度，并指導(dǎo)檢修人員對隔離開關(guān)發(fā)熱缺陷進(jìn)行判斷與處理。

1 隔離開關(guān)觸頭常見發(fā)熱缺陷原因

高壓隔離開關(guān)在高電壓、大電流狀態(tài)下運(yùn)行，其工作可靠性與觸頭溫升聯(lián)系密切[6]。GW6B-252型隔離開關(guān)運(yùn)行觸頭過熱可能有以下原因：

(1) 合閘不到位，電流通過的截面大大縮小，導(dǎo)致接觸電阻增大，產(chǎn)生很大的斥力，彈簧壓力減小，使壓縮彈簧或螺絲松弛，接觸電阻增大而過熱。

(2) 觸頭緊固件松動，刀片或刀嘴的彈簧銹蝕或過熱，使彈簧壓力降低;或操作時用力不當(dāng)，使接觸位置不正，導(dǎo)致觸頭壓力降低，觸頭接觸電阻增大而過熱。

(3) 刀口合得不嚴(yán)，使觸頭表面氧化、臟污;拉合過程中觸頭被電弧燒傷，各連動部件磨損或變形等，均會使觸頭接觸不良，接觸電阻增大而過熱。

(4) 隔離開關(guān)過負(fù)荷，引起觸頭過熱，在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，以上機(jī)械振動、觸頭燒蝕等原因都可能使接觸條件惡化，接觸電阻增加，引起接觸點(diǎn)溫度升高，加劇接觸表面氧化，導(dǎo)致局部熔焊或接觸松動處產(chǎn)生電弧放電，最終造成電氣設(shè)備的損壞甚至停電等重大事故[7-9]。

2 隔離開關(guān)觸頭接觸電阻與溫升試驗(yàn)

為探究隔離開關(guān)觸頭不同狀態(tài)與觸頭接觸電阻和最大溫升的關(guān)系，針對隔離開關(guān)的常見過熱缺陷類型，文中搭建隔離開關(guān)溫升試驗(yàn)平臺對GW6B-252型隔離開關(guān)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，分別測試不同觸頭接觸狀態(tài)下接觸電阻和不同電流條件下的觸頭溫升狀態(tài)。

試驗(yàn)利用大電流試驗(yàn)裝置對GW6B-252型隔離開關(guān)加載大電流并測量其觸頭溫升與接觸電阻。隔離開關(guān)觸頭接觸電阻采用高精度回路電阻測試儀進(jìn)行測試，隔離開關(guān)觸頭壓力采用隔離開關(guān)觸指壓力智能檢測儀進(jìn)行測試。

采用熱電偶測溫儀測量隔離開關(guān)觸頭溫度，試驗(yàn)前需先對測溫儀進(jìn)行溫度校驗(yàn)，并檢查隔離開關(guān)處于完全合閘狀態(tài)；在試驗(yàn)過程中每隔10 min記錄下測量點(diǎn)溫度值，直到30 min內(nèi)溫升不超過0.5 ℃時結(jié)束試驗(yàn)；在試驗(yàn)前后分別測量隔離開關(guān)的接觸電阻并記錄數(shù)值[10]。

溫升試驗(yàn)參照GW6B-252型隔離開關(guān)實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的故障缺陷類型進(jìn)行模擬，觸指鍍層材料不同模擬的是隔離開關(guān)因長時間多次閉合導(dǎo)致的鍍層材料脫落[11]；接觸壓力不同模擬的是隔離開關(guān)因夾緊力不足造成的接觸不良缺陷；動靜觸頭表面污穢模擬的是實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的表面污穢缺陷；蝕點(diǎn)模擬的是母線隔離開關(guān)因?yàn)殚_合閘過程中發(fā)生放電，引起的電弧造成的蝕點(diǎn)；不同的電流模擬的是實(shí)際運(yùn)行中負(fù)載不同時，GW6B-252型隔離開關(guān)的運(yùn)行狀況[12]。為更好地研究隔離開關(guān)觸頭溫度分布情況，在GW6B-252型隔離開關(guān)的動靜觸頭上布置了6至8個溫度監(jiān)測點(diǎn)，布置如圖1所示，其中1—5為測溫點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)測溫傳感器布置示意圖Fig.1 Location schematic diagram of temperature monitoring

3 隔離開關(guān)觸頭接觸狀態(tài)對接觸電阻的影響

對4種常見影響GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭接觸電阻與運(yùn)行溫度的因素排列組合后進(jìn)行接觸電阻測量和溫升試驗(yàn)[13]。表1為不同缺陷條件下接觸電阻的數(shù)值。

表1 不同觸頭接觸狀態(tài)與接觸電阻的關(guān)系Tab.1 The relationship between contact resistance and contact state

序號接觸壓力/N觸頭材質(zhì)表面質(zhì)量表面污穢接觸電阻/μΩ202271421鍍硬質(zhì)銀正常正常2160020205824400.1 mm污穢642610鍍硬質(zhì)銀正常422083174380.2 mm污穢2926172763403鍍硬質(zhì)銀1對點(diǎn)蝕正常212對點(diǎn)蝕23203一側(cè)鍍41432銀,一側(cè)314605裸銅正常正常2920145421裸銅3460531

經(jīng)過接觸電阻測量發(fā)現(xiàn)：GW6B-252型隔離開關(guān)接觸電阻隨接觸壓力、觸頭材質(zhì)、觸頭表面質(zhì)量和觸頭表面污穢程度的變化數(shù)值可知，表面污穢對隔離開關(guān)觸頭接觸電阻影響最大，其次是觸頭接觸壓力，觸頭材質(zhì)對接觸電阻也有一定影響，隔離開關(guān)觸頭蝕點(diǎn)對隔離開關(guān)觸頭接觸電阻影響最小。

4 不同接觸條件對隔離開關(guān)觸頭溫升影響

設(shè)置GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭接觸狀態(tài)，并開展不同GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭接觸狀態(tài)條件下的大電流試驗(yàn)，在相同電流條件下對表1中不同隔離開關(guān)觸頭接觸狀態(tài)進(jìn)行觸頭溫度監(jiān)測。

4.1 接觸壓力對觸頭溫升影響

圖2為不同接觸壓力下觸頭最高溫度隨時間的變化曲線。在夾緊力為400～600 N時，接觸電阻變化不明顯，熱點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫升也幾乎沒有變化，從25.8 ℃變化為26.3 ℃。夾緊力變?yōu)?00 N附近時，溫升有了一定的提高，溫升變?yōu)?9.1 ℃。通過結(jié)合接觸電阻可知，夾緊力為400～600 N區(qū)間為GW6B-252型隔離開關(guān)的夾緊力良好區(qū)間，在此區(qū)間接觸電阻以及溫升幾乎沒有變化。當(dāng)夾緊力下降至200 N附近時，由于夾緊力影響了動靜觸頭接觸面積，接觸面積變小進(jìn)而導(dǎo)致接觸電阻明顯變大，進(jìn)而導(dǎo)致溫度有更大的提升。

因此當(dāng)GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭表面狀態(tài)良好時，若實(shí)際運(yùn)行中觸頭接觸壓力盡量在400 N以上，GW6B-252型隔離開關(guān)可在正常電流工況下安全可靠運(yùn)行。

圖2 不同接觸壓力下觸頭最高溫度隨時間變化曲線Fig.2 The temperature of contact on the condition of different clamping force

4.2 負(fù)載電流對觸頭溫升影響

為探究隔離開關(guān)觸頭溫升隨負(fù)載電流的變化關(guān)系，文中設(shè)置GW6B-252型隔離開關(guān)動觸頭鍍層材料均為鍍硬質(zhì)銀材料，動靜觸頭的接觸壓力為202 N，動靜觸頭表面狀態(tài)良好無污穢和蝕點(diǎn)，將大電流發(fā)生器分別設(shè)置為500 A，1000 A，1500 A，2000 A和2500 A 5個等級，開展溫升試驗(yàn)并監(jiān)測隔離開關(guān)觸頭溫度變化。

經(jīng)試驗(yàn)測得，溫升試驗(yàn)前后隔離開關(guān)觸頭接觸電阻分別為27 μΩ和28 μΩ，不同負(fù)載電流對應(yīng)的熱點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫升如圖3所示。由圖可知，隨著負(fù)載電流的增加，GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭的溫度也有所增加。溫升曲線的斜率隨電流增大而增大[14]。這是由于發(fā)熱功率與電流的平方成正比，負(fù)載電流對熱點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫升有著顯著的影響。但熱點(diǎn)溫升并未與電流成平方的關(guān)系，是因?yàn)殡S著電流的增大，熱點(diǎn)的發(fā)熱功率也會隨之成平方倍增大，但隨著功率的增大溫度的升高，觸頭表面對流作用和熱點(diǎn)與周圍的溫度差變大，使得對流散熱與熱傳導(dǎo)散熱的功率不斷增大，使得觸頭發(fā)熱點(diǎn)的溫度小于其功率隨電流的增長速度，使溫度上升曲線介于線性增加與平方關(guān)系增加之間。

圖3 觸頭最高溫度隨負(fù)載電流變化曲線Fig.3 The relationship of the temperature of contact and load current

4.3 接觸壓力與污穢程度對觸頭溫升影響

向GW6B-252型隔離開關(guān)動靜觸頭處撒干粉塵，使動觸頭污穢最大厚度介于0.05～0.1 mm，即輕度污穢狀態(tài)。向動靜觸頭連接處播撒濕粉塵，污穢最大厚度介于0.15～0.2 mm，即重度污穢狀態(tài)。經(jīng)前期試驗(yàn)測得，在輕度污穢的狀態(tài)下，夾緊力為205 N，440 N，610 N時，隔離開關(guān)的接觸電阻分別為82 μΩ，64 μΩ，42 μΩ，在這3組夾緊力的情況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)，得到了穩(wěn)態(tài)情況下熱點(diǎn)的溫升以及隔離開關(guān)的溫度分布情況。在重度污穢的狀態(tài)下，夾緊力為203 N，438 N，617 N時，GW6B-252型隔離開關(guān)的接觸電阻分別為317 μΩ，292 μΩ，276 μΩ，在這3組夾緊力的情況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)，得到了在穩(wěn)態(tài)情況下熱點(diǎn)溫升以及隔離開關(guān)溫度分布情況。不同污穢程度、不同夾緊力對應(yīng)的熱點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫升情況如表2所示。

表2 GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭最高溫度隨夾緊力與污穢程度變化關(guān)系Tab.2 The relationship between the temperature of contact, clamping force and contamination ℃

由表2可知，存在污穢缺陷時，熱點(diǎn)溫升有顯著提高。相較于前文中所述的表面狀態(tài)正常情況下接觸壓力對溫升的影響，可看出，存在污穢缺陷時，接觸壓力對熱點(diǎn)的溫升影響更加劇烈。不存在污穢狀態(tài)時，接觸壓力400～450 N，溫升基本保持不變。但是表面存在污穢時，200～600 N區(qū)間，熱點(diǎn)溫度有顯著的變化。而且可以明顯看出，同一個接觸壓力情況下，不同的污穢狀態(tài)對熱點(diǎn)的溫升也有著顯著的影響。接觸狀態(tài)最差的情況(接觸壓力203 N，污穢狀態(tài)為重度污穢)熱點(diǎn)的溫升到達(dá)了73.7 ℃，相較于正常情況的溫升26 ℃提高了47.7 ℃。由此可見，觸頭表面污穢對隔離開關(guān)穩(wěn)態(tài)的溫升有著顯著的影響，且有污穢存在時，接觸壓力對GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭溫升的影響幅度也會增大。

4.4 觸頭接觸壓力及觸頭材質(zhì)對觸頭溫升分布影響

為研究GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭壓力及材質(zhì)對觸頭溫升的影響，分別對動觸頭兩側(cè)鍍銀和單側(cè)鍍銀情況下的最大溫升進(jìn)行對比試驗(yàn)，對單側(cè)鍍銀模型進(jìn)行不同接觸壓力條件下的溫升對比試驗(yàn)，經(jīng)過隔離開關(guān)觸頭壓力測試儀檢測，三種狀態(tài)下接觸壓力分別為605 N，432 N和203 N，GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭溫升隨時間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同鍍層材料、不同壓力下觸頭溫升曲線Fig.4 The relationship between the temperature of contact and clamping force with coating material of contact

由圖4可知，動觸頭材質(zhì)一側(cè)由鍍銀觸指換為裸銅觸指時，熱點(diǎn)的溫升變大。隨著接觸壓力逐漸變小，熱點(diǎn)溫升進(jìn)一步上升。在接觸壓力為203 N時，熱點(diǎn)溫升達(dá)30.8 ℃；在接觸壓力為432 N時，熱點(diǎn)溫升為32.3 ℃；在接觸壓力為601 N時，熱點(diǎn)的溫升為36.3 ℃。在正常的雙側(cè)觸指鍍銀的情況下，熱點(diǎn)的溫升僅為26.3 ℃，將一側(cè)觸指換為裸銅時，接觸電阻與溫升都有小幅度的提升，這是因?yàn)殂~的電導(dǎo)率低于銀的電導(dǎo)率，致使局部接觸電阻增加，進(jìn)而引起異常發(fā)熱。在溫度場分布方面，不同位置點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫升如表3所示。

表3 隔離開關(guān)不同位置穩(wěn)態(tài)溫升Tab.3 Steady temperature rising on different positions of isolation switch ℃

由表3可知，動靜觸頭1,3,4點(diǎn)的溫升情況相差不大，熱點(diǎn)的溫度越高，溫度最高與最低值相差越大。在同一組實(shí)驗(yàn)中可知，靜觸頭上下兩側(cè)的溫升基本相同，上方的溫升略高于下方的溫升，這是由于觸頭周圍空氣對流，熱空氣向上運(yùn)動，靜觸頭上方的溫度要略高于靜觸頭下方的溫度值[15]。

但是相較于雙側(cè)動觸頭鍍銀實(shí)驗(yàn)得到的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，2點(diǎn)(銀觸指側(cè))與7點(diǎn)(銅觸指側(cè))的溫度也有所差異，銀觸指的溫度要明顯高于銅觸指溫度，這是由于銅銀兩個觸指是并聯(lián)狀態(tài)，銅側(cè)的接觸電阻大的觸指分到的電流小，發(fā)熱的功率又與電流的平方成正比例關(guān)系，因此銅觸指側(cè)相對應(yīng)的發(fā)熱情況比較弱，也導(dǎo)致了在溫度分布上出現(xiàn)了銀觸指的溫度要明顯高于銅觸指溫度。

通過溫度分布規(guī)律可知，接觸電阻小的一側(cè)觸指的溫升更高。若現(xiàn)場測溫時發(fā)現(xiàn)單側(cè)觸頭的溫升過高，可推測出隔離開關(guān)另一側(cè)可能出現(xiàn)觸頭接觸不良等故障。

5 結(jié)論

GW6B-252型隔離開關(guān)溫升試驗(yàn)對不同觸頭接觸狀態(tài)下隔離開關(guān)觸頭的最高溫升和溫升分布及觸頭接觸電阻等參數(shù)進(jìn)行測量，最終得到觸頭溫升和接觸電阻受不同缺陷條件影響的大小關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1) 表面污穢對GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭接觸電阻和觸頭溫升影響最大，其次是觸頭接觸壓力，觸頭材質(zhì)對接觸電阻有一定影響，隔離開關(guān)觸頭質(zhì)量(蝕點(diǎn))對隔離開關(guān)觸頭接觸電阻影響最小。

(2) GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭溫升隨負(fù)載電流增大而增大，但電流的增大溫度的升高，觸頭表面對流作用和熱點(diǎn)與周圍的溫度差變大，使得對流散熱與熱傳導(dǎo)散熱的功率不斷增大，最終使觸頭溫度小于其功率隨電流的增長速度，因此觸頭溫升曲線介于線性增加與平方關(guān)系增加之間。

(3) GW6B-252型隔離開關(guān)觸頭表面污穢對隔離開關(guān)穩(wěn)態(tài)的溫升有著顯著的影響，且有污穢存在時，接觸壓力對溫升的影響幅度也會增大。

(4) 當(dāng)GW6B-252型隔離開關(guān)兩側(cè)觸頭接觸條件不一致時，接觸條件好的一側(cè)觸指的溫升更高。若現(xiàn)場測溫時發(fā)現(xiàn)單側(cè)觸頭的溫升過高時，可推測出時另一側(cè)可能出現(xiàn)觸頭接觸不良等故障。