影響高壓隔離開關(guān)耐受電流試驗的關(guān)鍵因素研究

韓際昌

（正泰電氣股份有限公司，上海 201614）

據(jù)KEMA 試驗統(tǒng)計對于高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)額定短時耐受電流試驗和額定峰值耐受電流試驗的首次通過率不高于25%，在高壓隔離開關(guān)所有試驗中此試驗是最難通過的試驗，基于廠家成本壓力產(chǎn)品導(dǎo)電材料截面通流安全裕度低是這個試驗失敗的主要原因；當(dāng)導(dǎo)流面積足夠時，觸頭與觸指的設(shè)計結(jié)構(gòu)就至關(guān)重要；觸頭通流時若想保證不被電動力推開，觸頭間還要有合適的初壓力；最后是絕緣，此試驗最關(guān)鍵之處雖然不是絕緣，但不做好良好的絕緣試驗通過率會非常低。因此，在產(chǎn)品的運動環(huán)關(guān)節(jié)處增加的絕緣結(jié)構(gòu)可避免試驗中意外的分流或高溫熔焊，從而順利通過試驗。

1 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中導(dǎo)體材料的選擇

（1）材質(zhì)的選擇。對于以短時耐受電流及峰值耐受電流的導(dǎo)體，材質(zhì)導(dǎo)電率越高，通過短時耐受電流及峰值耐受電流的能力也就越強(qiáng)。在常見的金屬中，金的導(dǎo)電率最高，銀次之，銅、鋁、鐵等導(dǎo)電率遞減。基于經(jīng)濟(jì)性考慮在隔離開關(guān)或接地開關(guān)的導(dǎo)電回路中多用銅和鋁，通常都是可動的導(dǎo)電接觸位置如觸頭、觸指用純銅。其他固定導(dǎo)電接觸導(dǎo)體用導(dǎo)電性好的鋁合金材質(zhì)。銅及銅合金、鋁及鋁合金的電導(dǎo)率如表1。

表1 銅及銅合金、鋁及鋁合金的電導(dǎo)率

（2）導(dǎo)電截面積。對于已選定材質(zhì)的導(dǎo)體，其導(dǎo)電截面積和截面形狀就尤其重要了，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點選擇足夠的截面面積的導(dǎo)體才能保障導(dǎo)體在通過短時耐受電流及峰值耐受電流時導(dǎo)體不被燒毀。

導(dǎo)體的最小截面可根據(jù)導(dǎo)體通流截面計算公式計算

這個計算值只是理論計算值，實際設(shè)計時，要綜合考慮導(dǎo)電回路所承受額定電流大小及材料的機(jī)械穩(wěn)定性來確定導(dǎo)體截面積的大??；而對于接地開關(guān)，則只考慮可以滿足短時耐受電流和峰值耐受電流及機(jī)械穩(wěn)定性即可。所以在設(shè)計時，對于導(dǎo)電回路導(dǎo)體的截面我們通常按經(jīng)驗取1.1 倍理論導(dǎo)體截面積取值，這樣就可以兼顧經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

（3）截面形狀。對于已選定材質(zhì)的導(dǎo)體，其導(dǎo)電截面形狀也非常重要，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點選擇集膚效應(yīng)合理、機(jī)械強(qiáng)度適合的導(dǎo)體截面形狀。比如，薄的帶狀矩形導(dǎo)體的集膚應(yīng)好，散熱面積大，導(dǎo)熱性強(qiáng)，但其機(jī)械性能上特別是受力的各向異性使得這種形狀力學(xué)性能不足，機(jī)械穩(wěn)定性不夠，在達(dá)到同等機(jī)械強(qiáng)度下還得增加截面積，反而把導(dǎo)電的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成了機(jī)械上的劣勢。所以，目前的隔離開關(guān)主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中多采用圓管或槽形鋁形材等導(dǎo)電性能與機(jī)械強(qiáng)度綜合性強(qiáng)的截面形狀，以提高通過耐受電流的能力。

2 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)下的戶外隔離開關(guān)與接地開關(guān)的動、靜觸頭按導(dǎo)電接觸方式大體可分為點接觸式、線接觸式、面接觸式。點接觸式的動靜觸頭結(jié)構(gòu)目前多應(yīng)用在伸縮式隔離上；在圓棒自力式觸指上也有應(yīng)用，此方式由于接觸處單點通流，耐受短路電流能力受開關(guān)整體結(jié)構(gòu)影響大，對材料要求比較高，所以一般不宜采用。面接觸的動靜觸頭結(jié)構(gòu)看似電接觸面積大通流能力理論上應(yīng)該更強(qiáng)，但實際應(yīng)用中受加工精度制約，在微觀上仍是局部的點接觸，接觸面實際并未被有效利用，設(shè)計時也不建議選用。所以，市場上現(xiàn)有的開關(guān)多采用線接觸式導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。線接觸導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的梅花觸頭式靜觸頭結(jié)構(gòu)，通流均衡、穩(wěn)定，承載短路電流能力強(qiáng)，但對運動精確性要求高，制作成本高，經(jīng)濟(jì)性不好，因此只單柱垂直伸縮式隔離、接地開關(guān)以及雙柱水平伸縮式隔離開關(guān)中應(yīng)用。線接觸另一種導(dǎo)電結(jié)構(gòu)：板、片狀的觸頭。因其結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、經(jīng)濟(jì)性可靠性較均衡等特點，在目前被最廣泛地推崇和應(yīng)用。另外，采用多片觸指的結(jié)構(gòu)，可以形成多個并聯(lián)的電流路徑，并聯(lián)回路可以均分電流，可以減小總電阻值，在相同導(dǎo)電截面的情況下，可以耐受更大的短時耐受電流或峰值耐受電流。達(dá)到從設(shè)計上保證試驗通過的目的。綜合起來，點接觸式穩(wěn)定性弱，面接觸制造性差，線接觸簡單易行，形式多樣，可以作為主要設(shè)計結(jié)構(gòu)；它也是試驗通過率最高的結(jié)構(gòu)。

3 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中觸頭初壓力的影響

對于已選定了觸頭材質(zhì)并確定了觸頭設(shè)計結(jié)構(gòu)的觸頭系統(tǒng)。動、靜觸頭關(guān)合時動觸頭觸指對觸頭的初壓力將決定試驗的成敗。對于動觸頭用觸指在兩側(cè)將靜觸頭夾緊在中間的觸頭結(jié)構(gòu)，當(dāng)回路完全通過短時耐受電流和峰值耐受電流時，動觸頭所受電動力是向推開靜觸頭方向進(jìn)行的。而同時，動觸頭兩側(cè)觸指間的電動力是向夾緊靜觸頭方向的；因此，讓動觸頭不在電動力的作用下推離靜觸頭，前提就是：動觸頭所受電動力必須小于動觸頭兩側(cè)各片觸指與靜觸頭摩擦力的合力。而此摩擦力的合力大小與動觸頭各片觸指的夾緊力成正比，而這個夾緊力就等于動觸頭兩側(cè)觸指間的電動力與觸指初壓力的和。

動觸頭兩側(cè)觸指間的電動力可用公式求?。?/p>

圖1 矩形截面導(dǎo)體電動力的修正系數(shù)

圖2 金屬間加絕緣

動觸頭所受電動力與峰值耐受電流的平方成正比，與觸指長度及成正比，與觸指間距成反比。所以，當(dāng)設(shè)計結(jié)構(gòu)確定后，觸指所受電動力理論上就為定值。因此，當(dāng)觸指電動力為定值時，觸指的夾緊力將隨著觸指初壓力增大而增大。

觸指初壓力的最大作用是為了獲得最小的接觸電阻。當(dāng)動靜觸頭系統(tǒng)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)確定后，動靜觸頭間的回路電阻的大小就取決于動靜觸頭接觸部位的接觸電阻大小了。由下面接觸電阻計算公式可知：初壓力F越大，接觸電阻Rj越小。

式中，Rc為接觸電阻，μΩ；Kc為接觸材料系數(shù)。銅鍍銀-銅鍍銀：Kc=80；銅鍍銀-鋁鍍銀：Kc=100；銅- 銅：Kc=120 ～160；銅鍍銀- 鋁：Kc=450；銅- 鋁：Kc=980；Fc為觸指初壓力（接觸壓力），N；m 為接觸形式指數(shù)。點接觸：m=0.5；線接觸：m=0.7；面接觸m=1。

4 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中絕緣的重要性

當(dāng)可相互運動導(dǎo)體通以短時耐受電流和峰值耐受電流時，導(dǎo)體溫度會急速升高；主回路以外的附近金屬導(dǎo)體也會在磁滯或渦流的影響下發(fā)熱，此時，不可用于導(dǎo)電的但有相互位移的金屬間應(yīng)加以絕緣。否則，二者間也會有電流經(jīng)過，而二者間的電阻又非常大，如此則金屬會進(jìn)一步發(fā)熱。當(dāng)溫度足夠高時二者就會熔焊在一起，從而導(dǎo)致試驗后二者無法相對運行進(jìn)而引起開關(guān)拒分，導(dǎo)致試驗失敗。所以，在沒做好良好絕緣的產(chǎn)品試驗時，通過率會非常低。在隔離開關(guān)及接地開關(guān)的運動關(guān)節(jié)處增加絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，可避免試驗中意外的分流和高溫熔焊，達(dá)到順利通過試驗的目的。

5 影響短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的其他因素

隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、操作機(jī)構(gòu)功率、傳動環(huán)節(jié)聯(lián)接強(qiáng)度、試驗時的接線方式等也會影響短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的成敗。其中隔離開關(guān)本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計上對耐受電流試驗成功與否相對影響最大。隔離開關(guān)的主回路中設(shè)置了合閘死點結(jié)構(gòu)，在合閘時主回路處于死點位置，即使主回路在試驗中受到電動力沖擊時，也能保持在合閘位置不脫開。同樣的死點結(jié)構(gòu)在隔離開關(guān)底座上也有體現(xiàn)，底座下機(jī)構(gòu)輸出拐臂與隔離開關(guān)本體底座上的四連桿在隔離開關(guān)主回路合閘終了位置也形成了死點設(shè)計結(jié)構(gòu)。這樣從傳動中間環(huán)節(jié)上也同步地限制著主回路因電動力而被推開的風(fēng)險。

6 結(jié)語

短時耐受電流和峰值耐受電流試驗是最體現(xiàn)戶外隔離開關(guān)和戶外接地開關(guān)性能，也是最難以通過的一項試驗。產(chǎn)品設(shè)計制造時使導(dǎo)電材料有充足的通流面積；觸頭有科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計；觸頭外部確保足夠的初壓力；相對運動金屬間有良好的絕緣；這幾個關(guān)鍵因素處理好了就大大地提升了試驗成功的概率。當(dāng)然，產(chǎn)品是一個整體，除了這幾個關(guān)鍵點，也要做好包括產(chǎn)品外的諸如試驗方法、接線方式、環(huán)境特點、潤滑方式等細(xì)節(jié)?？傊浞值臏?zhǔn)備才是關(guān)鍵的關(guān)鍵。