戶外10kV柱上斷路器樁頭發(fā)熱原因分析與改進(jìn)方案研究

蘇劍鋒，馬新惠，張津，張英，羅吉，楊航康，龍秀權(quán)，李佳睿

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司安順供電局，貴州 安順 561000；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，貴州 貴陽(yáng) 551499）

1 前言

35kV變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，是電網(wǎng)向客戶供電的主力軍，其站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到電力用戶供電可靠性。目前，35kV敞開(kāi)式變電站的10kV斷路器大多采用柱上斷路器結(jié)構(gòu)，該種斷路器結(jié)構(gòu)特殊，其導(dǎo)流接線柱為銅螺桿，在銅螺桿上安裝兩顆銅螺母來(lái)夾緊設(shè)備線夾或?qū)Я縻~/鋁排，由于銅螺母與銅平墊均起到電流流通作用，因此不能加裝彈簧墊，導(dǎo)致接頭在戶外長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后發(fā)生松動(dòng)造成設(shè)備接頭發(fā)熱（見(jiàn)圖1）引起銅螺桿、銅螺母等燒損（見(jiàn)圖2），燒損后需整體更換整個(gè)導(dǎo)電桿及絕緣子，更換難度較大，停電時(shí)間較長(zhǎng)。

圖1 斷路器樁頭發(fā)熱

圖2 斷路器樁頭燒損

2 斷路器樁頭發(fā)熱缺陷原因分析

2.1 連接方式設(shè)計(jì)不合理

斷路器樁頭接線方式設(shè)計(jì)不合理，其連接方式如圖3所示，導(dǎo)流接線柱為銅螺桿，銅螺桿上設(shè)置有兩只銅螺母，每只銅螺母配置一個(gè)圓形銅平墊，外接引流線/引流排時(shí)，在引流線接線板/引流排上開(kāi)一個(gè)圓孔，將引流線接線板/引流排通過(guò)這個(gè)圓孔穿入銅螺桿上，銅螺桿上設(shè)置的兩個(gè)銅螺母置于流線接線板/引流排兩側(cè)，圓形銅平墊靠引流線接線板/引流排安裝，通過(guò)扳手緊固這兩個(gè)銅螺母來(lái)壓緊銅排，斷路器在運(yùn)行過(guò)程中電流通過(guò)銅螺桿-銅螺母-銅平墊-引流線接線板/引流排的方向流通，由于銅螺母與銅平墊均起到電流流通作用，因此不能加裝彈簧墊，導(dǎo)致接頭在戶外長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后發(fā)生松動(dòng)造成設(shè)備接頭發(fā)熱引起銅螺桿、銅螺母等燒損。

圖3 傳統(tǒng)柱上斷路器導(dǎo)流排與斷路器連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 鎖緊螺母設(shè)計(jì)不合理

2.2 運(yùn)行溫度的影響

斷路器樁頭及螺母為銅材，而連接引流線接線板為鋁材，銅材與鋁材膨脹系數(shù)不一致，在日常運(yùn)行過(guò)程中，由于負(fù)荷的不斷變化，造成了設(shè)備接頭部分運(yùn)行溫度隨之發(fā)生變化，當(dāng)溫度變化時(shí)，銅材和鋁材不斷膨脹收縮，由于其膨脹率不同，導(dǎo)致銅螺栓和鋁制接線板之間產(chǎn)生一個(gè)間隙，導(dǎo)致接觸電阻增加，使接頭部位溫度升高造成接觸面氧化，形成氧化膜，進(jìn)而使接觸電阻增加，如此惡性循環(huán)，最終造成設(shè)備接頭部位過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致接頭燒壞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.3 連接螺母壓緊力的影響

接頭壓力是保證接觸電阻的最主要因素，在戶外長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況下，由于機(jī)械震動(dòng)引起的局部承受接觸應(yīng)力的區(qū)域在振動(dòng)環(huán)境下發(fā)生位移幅值極小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（即微動(dòng)），隨著微動(dòng)損傷不斷積累，會(huì)出現(xiàn)預(yù)緊力下降，接觸面壓力降低。

該種銅螺母尺寸設(shè)計(jì)不合理，設(shè)備廠家為節(jié)約設(shè)備制造成本，將銅螺母的外部尺寸（厚度及外徑）進(jìn)行縮減，導(dǎo)致導(dǎo)流接觸面較少，通過(guò)大電流時(shí)導(dǎo)流能力不足也會(huì)引起設(shè)備發(fā)熱缺陷。另外，當(dāng)銅螺母緊固受力后，運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生螺母炸裂（見(jiàn)圖5）的情況，螺母炸裂后其壓緊力量降低。

圖5 鎖緊螺母炸裂

圖6 鋁排開(kāi)孔隨意，接觸不可靠

通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，接觸電阻R與總的施加接觸壓力F成反比，即R=C/F(其中C表示常數(shù)，其值隨材料不同而不同)，當(dāng)壓力降低后造車接觸電阻增大引起發(fā)熱。

2.4 接觸面積不夠而造成發(fā)熱

在施工作業(yè)過(guò)程中施工工藝不佳，連接鋁排開(kāi)孔較大或者開(kāi)口不規(guī)范（見(jiàn)圖3），導(dǎo)致螺母與鋁排的連接之間接觸面不夠，載流量不足，運(yùn)行一段時(shí)間后，接觸電阻有所增加后即造成斷路器接頭部位發(fā)熱。

2.5 電化學(xué)腐蝕

在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，目前絕大部分變電站戶外10kV設(shè)備均采用鋁排或鋁線夾與與斷路器樁頭進(jìn)行直接連接，連接面之間未使用銅鋁過(guò)渡片，長(zhǎng)時(shí)間戶外運(yùn)行中銅鋁直接接觸導(dǎo)致發(fā)生原電池反應(yīng)發(fā)生氧化腐蝕（見(jiàn)圖7），導(dǎo)致接觸面不緊密，接頭部位接觸電阻增大而發(fā)熱。

圖7 遭受腐蝕的銅螺桿和螺母

3 一種專用防松動(dòng)螺母的設(shè)計(jì)

為解決目前戶外柱上斷路器運(yùn)行中發(fā)熱率較高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作了一種專用防發(fā)熱專用螺母，其結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖8、9。

圖8 鎖緊螺母三維剖視圖

圖9 鎖緊錐塊位置的局部剖視圖

圖10 斷路器樁頭發(fā)熱現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

斷路器的導(dǎo)電螺桿上安裝有能夠活動(dòng)的第一銅螺母和第二銅螺母，第一銅螺母的下側(cè)貼在絕緣子的頂部端面上，在第一銅螺母和第二銅螺母的相對(duì)端面上分別固定安裝有第一平墊和第二平墊，兩個(gè)平墊內(nèi)部設(shè)計(jì)有槽孔，槽孔內(nèi)固定安裝有銅鋁過(guò)渡片，第一、第二螺母將引流線/排可靠鎖緊，第二銅螺母的頂部設(shè)計(jì)有兩個(gè)定位螺孔，兩個(gè)定位螺孔處分別設(shè)計(jì)有對(duì)稱鎖緊推塊，當(dāng)螺母緊固完成后，將鎖緊螺栓擰緊，此時(shí)，由于鎖緊推塊變形，將螺母牢牢固定在導(dǎo)電螺桿上。其中第一銅螺母和第一平墊、第二銅螺母和第二平墊均使用相同的銅制材料一體成型制造，平墊內(nèi)的銅鋁過(guò)渡片與平墊直接焊接。

4 防松動(dòng)螺母的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該改進(jìn)型螺母研制成功后，我們已在35kV東方紅變電站10kV 1號(hào)電容器組061斷路器樁頭發(fā)熱缺陷處理（見(jiàn)10）及35kV良田變電站1號(hào)主變10kV側(cè)樁頭發(fā)熱缺陷處理（見(jiàn)圖11）中得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，與傳統(tǒng)連接方式相比，該方案對(duì)螺母結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增加導(dǎo)流接觸面積以緩解降低了10kV柱上斷路器發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，在上部的第二銅螺母上設(shè)置了鎖緊組件，能夠?qū)⒌诙~螺母與螺桿之間進(jìn)行鎖緊，降低了銅螺母松動(dòng)發(fā)熱隱患，將螺帽、平墊、銅鋁過(guò)渡片按照安裝需求結(jié)合為整體，加大了銅螺母的厚度及半徑，同時(shí)增大平墊的尺寸，增加了導(dǎo)流接觸面積，解決了戶外銅鋁材質(zhì)直接連接造成電化學(xué)腐蝕的問(wèn)題，同時(shí)該螺母不僅適用于10kV斷路器樁頭使用，還通用于35kV變壓器樁頭應(yīng)用，通用范圍較廣。

圖11 變壓器樁頭發(fā)熱現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 結(jié)語(yǔ)

電力生產(chǎn)事故無(wú)大小，電氣接頭發(fā)熱在電力生產(chǎn)中比較常見(jiàn)，檢修人員對(duì)其認(rèn)識(shí)也不深刻，但其對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行有著很大的影響，一次小小的接頭發(fā)熱有可能給安全生產(chǎn)帶來(lái)很大的危害，降低接頭發(fā)熱故障率，除了加大設(shè)備改造力度、提高設(shè)備檔次外，還應(yīng)制定合理的規(guī)章制度，嚴(yán)格按制度定期檢測(cè)、檢修，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，避免因接頭發(fā)熱而導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)，提升設(shè)備的可用系數(shù)，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。