中置柜梅花觸頭發(fā)熱機理分析及改進設計

孟 濤，張丙江，王亞魯，唐 銳

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

高壓開關柜是電力系統(tǒng)重要設備之一，具有控制電流通斷，保護電網安全運行的作用，在設備檢修，投切負荷時，可形成明顯分斷點。在配電網中移開式開關柜（中置柜）憑借技術性能高，“五防”連鎖功能可靠，安裝檢修方便等優(yōu)點而被廣泛應用［1］。移動式開關柜斷路器的關鍵部件梅花觸頭是多觸點、小壓力的電氣連接裝置［1-3］，分為自力型和非自力型兩種。自力型梅花觸頭依靠材料自身的彈性形變對觸頭施加壓力，而非自力型梅花觸頭是靠緊箍彈簧的變形提供抱緊力，實現(xiàn)動靜觸頭的可靠接觸［1］。設備長期運行后，梅花觸頭和柜體靜觸頭連接處的接觸電阻因氧化或接觸不良而不斷變大，導致設備溫升問題［3］。開關柜柜體封閉，常規(guī)檢測手段無法監(jiān)測柜內動靜觸頭溫度，溫升問題無法及時控制，導致觸指彈簧失去彈性甚至燒斷，當梅花觸頭失去有效接觸面時，接觸電阻進一步增大，溫升問題惡化，引發(fā)開關柜放電爆炸和更嚴重的電網事故。因此研制性能更加優(yōu)異的梅花觸頭對電網可靠運行具有重要實際意義。

通過兩起因緊箍彈簧問題導致觸頭燒毀的案例，分析了梅花觸頭發(fā)熱機理，針對現(xiàn)有梅花觸頭缺陷，設計出一種帶輔助觸頭、用記憶合金壓片取代緊箍彈簧的組合式梅花觸頭，可有效解決觸頭溫升問題，減少開關故障發(fā)生率，提高供電可靠性。

1 事故介紹

1.1 事故案例Ⅰ

110 kV 開發(fā)區(qū)變電站1 號主變壓器012 開關損毀嚴重，圖1 為爆炸后的012 開關?，F(xiàn)場對設備故障分析發(fā)現(xiàn)，012 開關上導電臂動靜觸頭（母線側）與下導電臂動靜觸頭受損程度相差很大，上導電臂的動靜觸頭基本完好，高溫并未引發(fā)爆炸，而012 開關下導電臂的動靜觸頭部分高溫燒毀，結構已完全改變。燒傷最嚴重的部位是012 開關C 相下導電臂動靜觸頭處，并且鄰近柜體燒損明顯，據(jù)此推斷此處為最初故障點。

圖1 爆炸后的012 開關

圖2 C 相下導電臂對前柜體放電燒傷孔洞（圓圈處）

經分析，該故障的發(fā)展過程是在設備長時間運行后，012 開關C 相下導電臂動靜觸頭出現(xiàn)接觸不良的情況，當較大的負荷電流通過時，接觸點因存在接觸電阻而持續(xù)發(fā)熱，溫升不斷累積，導致緊箍彈簧迅速老化變形失去束縛力甚至完全燒斷，失去彈簧束縛力的觸指因重力變得更加松弛，加劇動靜觸頭接觸不良，當觸指脫落時接觸點產生拉弧。電弧首先擊穿鄰近的前柜體，在前柜體上形成一個較為明顯的放電孔洞，孔洞最長處約70 mm，如圖2 所示，同時在高溫下形成金屬蒸汽。由于單相弧光接地，另外兩相電壓升高為線電壓，一旦另外兩相絕緣強度不夠，極易發(fā)生絕緣擊穿。1 號主變壓器后備保護動作，跳開012 開關，由于后備保護動作時間較長，故障點經受多次放電沖擊，電弧持續(xù)存在，導致A 相觸頭、B 相觸頭先后絕緣擊穿，形成三相短路故障，最終導致012 開關柜爆炸事故發(fā)生。

1.2 事故案例Ⅱ

檢修35 kV 歷東變電站1 號主變壓器008 開關時，發(fā)現(xiàn)動觸頭A、B 相觸指有嚴重的燒傷痕跡。經分析，由于動靜觸頭之間插入深度不夠，動靜觸頭的接觸面過小導致動靜觸頭產生高溫而熔斷觸指彈簧，燒傷動觸頭觸指和靜觸頭，如圖3 和圖4 所示。

由于檢修時及時發(fā)現(xiàn)了該隱患，未造成更嚴重的事故，但現(xiàn)有移動式開關柜斷路器仍存在類似隱患，對電網和設備安全運行構成潛在威脅，如果發(fā)現(xiàn)不及時就會產生案例Ⅰ中嚴重的電網事故，造成嚴重的經濟損失，甚至人身傷害。分析梅花觸頭燒毀的原因，進而針對性地改進梅花觸頭，可有效降低此類故障發(fā)生率，具有重要的現(xiàn)實意義。

圖3 008開關燒傷的動觸頭

圖4 008開關燒傷的靜觸頭

2 梅花觸頭燒毀原因分析

觸頭燒毀主要由觸頭過熱引發(fā)。動靜觸頭間接觸電阻增加了載流時的損耗，如果負載電流發(fā)生增量突變，或者受到了短路電流的沖擊，梅花觸頭連接部位就會產生過熱現(xiàn)象，考慮動靜觸頭間接觸面積增大，觸頭施加壓力減小等不利因素，接觸電阻會不斷增大，經過長期過熱運行，溫升也會不斷增加形成惡性循環(huán)，最終引發(fā)斷路器燒毀等電網事故。

2.1 觸頭接觸電阻增大

觸頭電阻與材料電阻率、材料間接觸面積、材料平整程度和觸頭施加的壓力等因素相關［3］。接觸面壓力與緊箍彈簧抱緊力密切相關，梅花觸頭外側的緊箍彈簧抱緊力不夠，接觸面壓力隨之減小，導致接觸電阻變大。長期運行過程中，彈簧不斷變形損傷，隨著時間的推移彈簧抱緊力會越來越小，導致接觸電阻越來越大，累積效應下最終致使彈簧斷裂，失去彈簧的束縛力，動靜觸頭會嚴重接觸不良，在接觸面出現(xiàn)偏差位移并產生電弧，從而擊穿鄰近金屬部件，形成金屬蒸汽引發(fā)人員灼傷以及設備燒毀。

2.2 緊箍彈簧老化、變形

緊箍彈簧的性能在長時間過流高溫作用下不斷降低，對觸指的束縛力也會不斷減小，當彈簧斷裂時，動靜觸頭間壓力降為零。失去壓力后，動靜觸頭接觸部位出現(xiàn)位移偏差從而產生拉弧，對周圍金屬柜體放電，加劇溫升。此外，斷裂的彈簧形成導體，持續(xù)對地放電引發(fā)過電壓，更嚴重時形成相間短路，造成電網事故。同時斷開的彈簧在封閉的靜觸頭側觸頭盒內，在運行人員操作時也極易造成人身傷害。

2.3 觸頭本身質量問題

目前，我國在梅花觸頭制作上缺乏嚴格行業(yè)標準，產品質量參差不齊，甚至個別廠商為謀求不當利益而選用劣質不達標的金屬材料，市場上工藝、質量不過關的梅花觸頭比比皆是［4］。應用劣質產品會出現(xiàn)嚴重后果，動靜觸頭接觸面積不足，彈簧材質選用導磁性材料時的渦流溫升問題，觸頭表面鍍銀層薄易氧化甚至鍍銀工藝差鍍層脫落導致接觸電阻大幅度增加，觸頭插入尺寸小等質量問題，會導致運行中的觸頭發(fā)熱，最終釀成電網事故。

3 組合式梅花觸頭的設計

3.1 記憶合金壓片

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一種具有形狀記憶效應，通過感知外界溫度，在溫升后產生形狀位移，當位移受到限制后產生恢復力的新型功能材料［5］。目前記憶合金分為3 類：1）單程記憶效應，即形狀記憶合金在較低的溫度下發(fā)生形變，通過加熱就能恢復原狀；2）雙程記憶效應，即形狀記憶合金加熱時恢復高溫態(tài)形狀，冷卻時恢復低溫態(tài)形狀；3）全程記憶效應，即形狀記憶合金加熱時恢復高溫態(tài)形狀，冷卻時形變?yōu)樾巫兿嗤∠蛳喾吹牡蜏貞B(tài)形狀［5］。

采用具有雙程記憶效應的記憶合金壓片，替代緊箍彈簧的作用。在正常溫度下記憶合金壓片產生一定抱緊力，保證觸頭可靠接觸不脫落。在梅花觸頭因接觸不良溫升過高時，記憶合金壓片能夠感知外界溫度變化，恢復高溫態(tài)形狀，產生向內緊扣的抱緊力，增加觸指對靜觸頭的壓力，從而增大動靜觸頭接觸面，減少接觸電阻，抑制觸頭溫升問題，避免觸頭異常發(fā)熱而燒毀設備。

3.2 輔助觸指的設計

輔助觸指的設計首先要確定輔助觸指的接觸方式，合理的接觸方式能夠保證正常運行時的接觸面積，同時在主觸指異常的情況下，輔助觸指也能保證有效接觸面積［6］。

觸指與靜觸頭觸座后端面之間加絕緣墊，當觸頭插入觸指的時候，觸頭對觸指產生很大的軸向推力，迫使觸指軸向位移，緊靠觸座的后端面。如果觸指與觸座后端面之間不加絕緣墊，測得的接觸電阻可能是一種假象，實際上觸指并沒有很好地接觸觸頭觸座的圓柱面。隨著操作次數(shù)的增加，觸頭的軸向推力會不斷減小，這時接觸電阻就會出現(xiàn)增大或漂浮不定的情況，造成異常溫升，從而燒毀設備。

動觸頭輔助觸指采用記憶合金壓片壓緊靜觸頭的方式，即使動靜觸頭因某種原因接觸不良，輔助觸指仍然可以保證接觸面積。靜觸頭輔助觸頭采用錐形設計，增大輔助觸頭對輔助觸指的軸向壓力，更加有效地導向動靜觸頭快速投切，如圖5 所示。

圖5 動靜觸頭改進方案

4 大電流溫升試驗

溫升試驗分為4 組：第1 組，緊箍彈簧式梅花觸頭溫升試驗；第2 組，輔助觸頭+緊箍彈簧式梅花觸頭溫升試驗；第3 組，記憶合金壓片式梅花觸頭溫升試驗；第4 組，記憶合金壓片+輔助觸頭的梅花觸頭溫升試驗。

為了保證4 組試驗條件一致，排除干擾因素的影響，提高試驗結果可比性，用一根直銅排（10 mm×120 mm）將4 個梅花觸頭串聯(lián)連接，再分別用4 根相同的彎銅排（10 mm×80 mm）將4 個靜觸頭與軟連接相連，搭建試驗平臺。試驗測試電流為1 250 A。

對試驗平臺施加電流后，觸臂、梅花觸頭和靜觸頭各個時刻的溫升值如圖6 和圖7 所示。

圖6 靜觸頭溫度隨時間的變化曲線

圖7 梅花觸頭溫度隨時間的變化曲線

圖6 和圖7 顯示，在通電1 h 內，由于觸頭溫升尚未穩(wěn)定，觸頭溫升情況與觸頭結構基本沒有關系。記憶合金壓片隨著溫度的升高而誘發(fā)相變，導致壓片松弛，接觸電阻比緊箍彈簧作用下的要高。隨著時間推移，溫度不斷升高，記憶合金壓片發(fā)生部分相變，產生回復力，接觸電阻逐漸減小，而普通緊箍彈簧不會發(fā)生進一步形變，接觸電阻基本不變，經改進的梅花觸頭的優(yōu)勢有了明顯的體現(xiàn)。從圖6 和圖7可以看出，使用記憶合金壓片的觸頭溫升明顯低于普通緊箍彈簧觸頭，應用輔助觸頭的組合式觸頭溫升明顯低于普通觸頭。帶輔助觸頭，用記憶合金壓片取代緊箍彈簧的組合式梅花觸頭更是有著明顯的優(yōu)勢，溫升穩(wěn)定時，動觸頭和靜觸頭最大溫升分別降低了7.8 ℃、7.2 ℃。

利用HKHL-100 回路電阻測試儀測量溫升試驗前后4 組觸頭的接觸電阻，測量結果如表1 所示。

表1 溫升試驗前后接觸電阻大小 μΩ

由表1 可以看出，溫升試驗后，普通緊箍彈簧的梅花觸頭接觸電阻有所增加，但應用記憶合金壓片或者采用輔助觸頭時，接觸電阻均有所減少，尤其是組合式觸頭接觸電阻減少尤為明顯。其中，組合式觸頭接觸電阻在梅花觸頭、靜觸頭處分別降低了1.78 μΩ、1.07 μΩ。

5 結語

梅花觸頭是高壓開關柜重要部件，但溫升問題是影響設備安全可靠運行的重要隱患。以兩起事故為例，分析了梅花觸頭導致溫升升級為電網事故的原因，得出及時控制梅花觸頭間的施加壓力，保證動靜觸頭可靠接觸，則有益于減小接觸電阻的增加，對溫升有自適性控制調節(jié)作用的結論。從施加壓力和增加適當?shù)慕佑|面積兩方面出發(fā)，提出了一種帶輔助觸頭，用記憶合金壓片取代緊箍彈簧的組合式梅花觸頭，可有效避免設備長期運行過程中彈簧的老化及接觸松弛引起的接觸電阻增大問題。通過大電流溫升試驗可知，記憶合金壓片相比普通彈簧具有隨溫升自適應調節(jié)抱緊力的優(yōu)勢，降低溫升效果明顯。輔助觸頭的引入增加了動靜觸頭間的接觸面積，降低了接觸電阻，也在一定程度上杜絕了溫升問題的惡化。另一方面，這種組合式梅花觸頭外形設計不同于普通的梅花觸頭，對工藝技術提出更高要求，實現(xiàn)主輔觸頭的配合，控制造價方面需要進一步的研究。