影響高壓隔離開關(guān)耐受電流試驗(yàn)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(yàn)統(tǒng)計(jì)對(duì)于高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)額定短時(shí)耐受電流試驗(yàn)和額定峰值耐受電流試驗(yàn)的首次通過率不高于25%，在高壓隔離開關(guān)所有試驗(yàn)中此試驗(yàn)是最難通過的試驗(yàn)，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(gè)試驗(yàn)失敗的主要原因；當(dāng)導(dǎo)流面積足夠時(shí)，觸頭與觸指的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)就至關(guān)重要；觸頭通流時(shí)若想保證不被電動(dòng)力推開，觸頭間還要有合適的初壓力；最后是絕緣，此試驗(yàn)最關(guān)鍵之處雖然不是絕緣，但不做好良好的絕緣試驗(yàn)通過率會(huì)非常低。因此，在產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)環(huán)關(guān)節(jié)處增加的絕緣結(jié)構(gòu)可避免試驗(yàn)中意外的分流或高溫熔焊，從而順利通過試驗(yàn)。

1 短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)中導(dǎo)體材料的選擇

（1）材質(zhì)的選擇。對(duì)于以短時(shí)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(shí)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?；诮?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(dòng)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(duì)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(diǎn)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(shí)耐受電流及峰值耐受電流時(shí)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(jì)算公式計(jì)算

這個(gè)計(jì)算值只是理論計(jì)算值，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)于接地開關(guān)，則只考慮可以滿足短時(shí)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(jì)時(shí)，對(duì)于導(dǎo)電回路導(dǎo)體的截面我們通常按經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(diǎn)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(shì)轉(zhuǎn)化成了機(jī)械上的劣勢(shì)。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(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)中觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)下的戶外隔離開關(guān)與接地開關(guān)的動(dòng)、靜觸頭按導(dǎo)電接觸方式大體可分為點(diǎn)接觸式、線接觸式、面接觸式。點(diǎn)接觸式的動(dòng)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(diǎn)通流，耐受短路電流能力受開關(guān)整體結(jié)構(gòu)影響大，對(duì)材料要求比較高，所以一般不宜采用。面接觸的動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中受加工精度制約，在微觀上仍是局部的點(diǎn)接觸，接觸面實(shí)際并未被有效利用，設(shè)計(jì)時(shí)也不建議選用。所以，市場(chǎng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單、加工方便、經(jīng)濟(jì)性可靠性較均衡等特點(diǎn)，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(gè)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(shí)耐受電流或峰值耐受電流。達(dá)到從設(shè)計(jì)上保證試驗(yàn)通過的目的。綜合起來，點(diǎn)接觸式穩(wěn)定性弱，面接觸制造性差，線接觸簡(jiǎn)單易行，形式多樣，可以作為主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；它也是試驗(yàn)通過率最高的結(jié)構(gòu)。

3 短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)中觸頭初壓力的影響

對(duì)于已選定了觸頭材質(zhì)并確定了觸頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的觸頭系統(tǒng)。動(dòng)、靜觸頭關(guān)合時(shí)動(dòng)觸頭觸指對(duì)觸頭的初壓力將決定試驗(yàn)的成敗。對(duì)于動(dòng)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(shí)耐受電流和峰值耐受電流時(shí)，動(dòng)觸頭所受電動(dòng)力是向推開靜觸頭方向進(jìn)行的。而同時(shí)，動(dòng)觸頭兩側(cè)觸指間的電動(dòng)力是向夾緊靜觸頭方向的；因此，讓動(dòng)觸頭不在電動(dòng)力的作用下推離靜觸頭，前提就是：動(dòng)觸頭所受電動(dòng)力必須小于動(dòng)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(dòng)觸頭各片觸指的夾緊力成正比，而這個(gè)夾緊力就等于動(dòng)觸頭兩側(cè)觸指間的電動(dòng)力與觸指初壓力的和。

動(dòng)觸頭兩側(cè)觸指間的電動(dòng)力可用公式求?。?/p>

圖1 矩形截面導(dǎo)體電動(dòng)力的修正系數(shù)

圖2 金屬間加絕緣

動(dòng)觸頭所受電動(dòng)力與峰值耐受電流的平方成正比，與觸指長(zhǎng)度及成正比，與觸指間距成反比。所以，當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)確定后，觸指所受電動(dòng)力理論上就為定值。因此，當(dāng)觸指電動(dòng)力為定值時(shí)，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(dòng)靜觸頭系統(tǒng)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)確定后，動(dòng)靜觸頭間的回路電阻的大小就取決于動(dòng)靜觸頭接觸部位的接觸電阻大小了。由下面接觸電阻計(jì)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(diǎn)接觸：m=0.5；線接觸：m=0.7；面接觸m=1。

4 短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)中絕緣的重要性

當(dāng)可相互運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體通以短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流時(shí)，導(dǎo)體溫度會(huì)急速升高；主回路以外的附近金屬導(dǎo)體也會(huì)在磁滯或渦流的影響下發(fā)熱，此時(shí)，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(huì)有電流經(jīng)過，而二者間的電阻又非常大，如此則金屬會(huì)進(jìn)一步發(fā)熱。當(dāng)溫度足夠高時(shí)二者就會(huì)熔焊在一起，從而導(dǎo)致試驗(yàn)后二者無法相對(duì)運(yùn)行進(jìn)而引起開關(guān)拒分，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。所以，在沒做好良好絕緣的產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，通過率會(huì)非常低。在隔離開關(guān)及接地開關(guān)的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處增加絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可避免試驗(yàn)中意外的分流和高溫熔焊，達(dá)到順利通過試驗(yàn)的目的。

5 影響短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)的其他因素

隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作機(jī)構(gòu)功率、傳動(dòng)環(huán)節(jié)聯(lián)接強(qiáng)度、試驗(yàn)時(shí)的接線方式等也會(huì)影響短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)的成敗。其中隔離開關(guān)本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)耐受電流試驗(yàn)成功與否相對(duì)影響最大。隔離開關(guān)的主回路中設(shè)置了合閘死點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在合閘時(shí)主回路處于死點(diǎn)位置，即使主回路在試驗(yàn)中受到電動(dòng)力沖擊時(shí)，也能保持在合閘位置不脫開。同樣的死點(diǎn)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(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。這樣從傳動(dòng)中間環(huán)節(jié)上也同步地限制著主回路因電動(dòng)力而被推開的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)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(xiàng)試驗(yàn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造時(shí)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(jì)；觸頭外部確保足夠的初壓力；相對(duì)運(yùn)動(dòng)金屬間有良好的絕緣；這幾個(gè)關(guān)鍵因素處理好了就大大地提升了試驗(yàn)成功的概率。當(dāng)然，產(chǎn)品是一個(gè)整體，除了這幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，也要做好包括產(chǎn)品外的諸如試驗(yàn)方法、接線方式、環(huán)境特點(diǎn)、潤(rùn)滑方式等細(xì)節(jié)?？傊?，充分的準(zhǔn)備才是關(guān)鍵的關(guān)鍵。