某660 MW機(jī)組火電廠斷路器梅花觸頭熱故障機(jī)制分析

摘要：某660 MW機(jī)組運(yùn)行中，部分?jǐn)嗦菲髅坊ㄓ|頭存在溫度異常升高、發(fā)出異常聲響的故障現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅設(shè)備安全運(yùn)行。鑒于此，詳細(xì)闡述了斷路器梅花觸頭熱故障的主要原因。經(jīng)分析可知，斷路器梅花觸頭間的接觸電阻異常增大以及電弧放熱是導(dǎo)致故障發(fā)生的根本因素。為此，提出了一系列有針對性的改進(jìn)和預(yù)防措施，以避免類似故障再次發(fā)生，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：660 MW機(jī)組；斷路器；梅花觸頭發(fā)熱；壓緊彈簧

中圖分類號：TM561" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0074-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.018

0" " 引言

斷路器在長期運(yùn)行狀態(tài)下，其梅花觸頭會因電流及環(huán)境溫度的波動出現(xiàn)過熱現(xiàn)象[1-2]，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致觸頭接觸電阻增加，造成觸頭燒蝕乃至整個(gè)斷路器失效，該問題不僅影響斷路器的正常運(yùn)作，更可能引發(fā)電力系統(tǒng)的重大故障[3]。目前，針對斷路器梅花觸頭熱故障的研究主要集中在故障的診斷及預(yù)防上，側(cè)重于對故障現(xiàn)象的表層描述和基礎(chǔ)故障應(yīng)對方法研究，缺乏針對熱故障機(jī)制的深入分析[4-5]。

因此，研究斷路器梅花觸頭熱故障的形成機(jī)理，揭示其背后的物理、化學(xué)過程，對于提升斷路器的運(yùn)行可靠性、延長其使用壽命具有重要意義。本文基于某660 MW機(jī)組火電廠中斷路器梅花觸頭熱故障的具體案例，分析了熱故障的形成機(jī)制，提出了故障預(yù)防與處理措施，為斷路器的設(shè)計(jì)優(yōu)化和維護(hù)工作提供了技術(shù)支撐。

1" " 梅花觸頭熱故障的原因

1.1" " 靜觸頭與母排接觸不良

在梅花觸頭發(fā)熱缺陷的成因中，靜觸頭和母排接觸不良是最為普遍的現(xiàn)象，也最具危害性。造成靜觸頭和母排接觸不良的主要原因可以歸納為以下三個(gè)方面：1）連接方式。單螺栓連接方式可靠性差，容易發(fā)生松動。在10 kV母線的應(yīng)用場景中，因母線較長，當(dāng)經(jīng)歷熱脹冷縮時(shí)，與之相連的分支排會被拉伸，分支排在承受力的作用后，會反過來拉扯靜觸頭，靜觸頭僅通過單個(gè)螺栓進(jìn)行固定，如圖1（a）所示，極易出現(xiàn)松動，出現(xiàn)發(fā)熱問題。2）接觸面積。一些制造商為了簡化安裝過程，在用于固定靜觸頭的母排上開鑿了較大的腰圓形孔洞，如圖1（b）所示，這樣的設(shè)計(jì)嚴(yán)重減少了靜觸頭與母排之間的接觸面積，增加了接觸電阻，最終導(dǎo)致發(fā)熱故障的發(fā)生。3）連接面的接觸質(zhì)量。國內(nèi)許多制造商對動靜觸頭連接面的接觸質(zhì)量缺乏足夠的重視，不管是使用鋁排還是銅排，在觸頭連接處均會存在不平整的問題，如圖1（c）所示，導(dǎo)致連接面的接觸率不高，接觸電阻增大，引發(fā)發(fā)熱故障。

基于上述三方面的分析，必須采取相應(yīng)措施，改進(jìn)斷路器靜觸頭與母排的連接方式，提高接觸面積和接觸質(zhì)量，以降低故障風(fēng)險(xiǎn)。

1.2" " 觸頭壓緊彈簧缺陷

斷路器梅花觸頭內(nèi)的壓緊彈簧提供動、靜觸頭之間的壓緊力，一旦壓緊彈簧出現(xiàn)缺陷，動、靜觸頭間的壓力就會減小或變得不均勻，直接影響觸頭的接觸電阻。隨著壓力的減小，接觸電阻會增大，增大的接觸電阻會進(jìn)一步加劇觸頭發(fā)熱，造成故障惡化。

該電廠發(fā)生的斷路器梅花觸頭發(fā)熱故障中，最近的一起為斷路器觸頭壓緊彈簧存在缺陷所致。導(dǎo)致壓緊彈簧出現(xiàn)缺陷的因素眾多，其中主要有材料質(zhì)量不佳、電阻試驗(yàn)不規(guī)范、安裝和拆卸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤操作等。這些因素的存在，使得壓緊彈簧的工作性能下降，無法提供穩(wěn)定的壓緊力，導(dǎo)致故障的發(fā)生。

1）材料質(zhì)量不佳。在制造觸頭壓緊彈簧時(shí)，通常會優(yōu)先選擇無磁性鉻錳鎳不銹鋼材料，通過引入Mn（錳）和N（氮）元素來替代部分Ni（鎳）元素，既保持了優(yōu)異的力學(xué)性能，又提升了經(jīng)濟(jì)效益。錳元素所帶來的固溶強(qiáng)化效果比鎳元素更為顯著，這無疑增強(qiáng)了錳鋼的機(jī)械性能。然而，錳元素在促進(jìn)鋼的鈍化過程方面并不如鎳元素那樣有效，而且在某些條件下，它還可能促使鉻鋼形成σ相，從而增加鋼的脆性。在分析該電廠真空斷路器中梅花觸頭彈簧（使用SUS130M材料）斷裂案例時(shí)，發(fā)現(xiàn)斷裂的主要原因可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是彈簧絲外表面存在機(jī)械損傷，二是材料本身組織不均勻。兩因素共同作用下，導(dǎo)致了彈簧發(fā)生斷裂，如圖2所示。

2）電阻試驗(yàn)不規(guī)范。回路電阻試驗(yàn)是斷路器梅花觸頭常規(guī)試驗(yàn)之一，主要用來檢測斷路器梅花觸頭的接觸電阻是否符合規(guī)定。試驗(yàn)過程中，彈簧并沒有電流直接通過；然而，在實(shí)際操作過程中，如果測試儀電流線夾直接夾在彈簧上，那么測試電流就會間接通過彈簧。而彈簧通常是由高阻材料制成的，當(dāng)電流通過這種材料時(shí)，會產(chǎn)生大量的熱，這種高溫可能會對彈簧的退火處理效果產(chǎn)生不良影響，從而導(dǎo)致彈簧的性能下降，甚至可能使其完全失效，如圖3所示。因此，在回路電阻試驗(yàn)中，必須注意避免測試電流直接通過彈簧，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和彈簧的使用壽命。

3）安裝及拆卸方法錯(cuò)誤。在實(shí)施壓緊彈簧安裝與拆卸作業(yè)時(shí)，會采用不同的工器具，這些工具的使用可能會導(dǎo)致壓緊彈簧的部分區(qū)域承受較大的力，有時(shí)這種力甚至超出彈簧所能承受的極限，從而導(dǎo)致彈簧局部變形，如圖4所示。這種局部變形可能會影響壓緊彈簧的性能和使用壽命，因此在操作時(shí)應(yīng)特別注意使用合適的工具，以避免不必要的損害。

1.3" " 觸頭對中度差

在斷路器梅花觸頭接觸電阻的關(guān)鍵影響因素中，接觸壓力和嚙合尺寸是受觸頭對中度直接影響的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。具體來說，隨著嚙合尺寸的減小，觸頭間的平均壓力會相應(yīng)降低，從而增加接觸電阻。此外，當(dāng)嚙合尺寸不足時(shí)，觸頭在電動斥力作用下的承載能力將減弱，這可能導(dǎo)致斷路器意外分離并產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。

梅花觸頭的嚙合尺寸和靜觸頭的對中度密切相關(guān)，一旦出現(xiàn)對中偏差，梅花觸頭作為連接觸臂和靜觸頭的橋梁，其方向會發(fā)生偏移，導(dǎo)致不同觸指間的嚙合尺寸產(chǎn)生顯著差異。在決定嚙合尺寸時(shí)，通常以最小觸指的嚙合尺寸為基準(zhǔn)，因?yàn)檫@一觸指最有可能在電動斥力作用下與靜觸頭分離，進(jìn)而引起接觸電阻的急劇增大，甚至損壞觸頭。

考慮到不同開關(guān)柜中梅花觸頭和靜觸頭對中度存在差異，以及在斷路器運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的電動力或設(shè)備形變等因素，觸頭間的對中偏差可能會增大。因此，開發(fā)一種能夠適用于不同對中度情況的嚙合尺寸測量方法，對于確保斷路器的可靠運(yùn)行具有重要意義。

1.4" " 動觸頭插入深度不夠

梅花觸頭接觸電阻的增大與插入深度不足直接相關(guān)，相關(guān)研究表明：當(dāng)靜觸頭的插入深度減少時(shí)，其接觸壓力隨之降低，從而引發(fā)電阻值增大，如圖5所示。在特定范圍內(nèi)，插入深度的變化對電阻值的影響并不顯著。然而，一旦插入深度低于某一臨界值，電阻值將迅速上升，此現(xiàn)象主要源于觸指的弧面與靜觸頭末端錐形端面的連接方式（該設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化插入過程）。在壓片壓力的作用下，弧形的觸指接觸端面對靜觸頭的軸向擠壓力將顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致靜觸頭開始從觸指中退出，從而引發(fā)靜觸頭與觸指之間接觸不充分，最終造成接觸電阻的急劇上升[6-7]。

2" " 綜合分析

觸頭發(fā)熱的現(xiàn)象，從電學(xué)角度審視，可以視為電阻發(fā)熱的一種表現(xiàn)形式。依據(jù)經(jīng)典的電功率計(jì)算公式（P=I2R），可以推導(dǎo)出：觸頭間接觸電阻的大小與發(fā)熱量呈正相關(guān)關(guān)系，即接觸電阻增大，觸頭發(fā)熱量亦隨之增大。顯然，任何導(dǎo)致觸頭接觸電阻增大的因素，都將不可避免地加劇觸頭發(fā)熱現(xiàn)象。接觸電阻的大小受接觸表面狀態(tài)的直接影響。實(shí)際接觸面可分為兩大類別：第一類為真正的金屬與金屬直接接觸的部分，即無過渡電阻的金屬間接觸微點(diǎn)，也稱為接觸斑點(diǎn)。這部分接觸點(diǎn)通常是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的，其面積占實(shí)際接觸面積的5%～10%。第二類是通過接觸界面上存在的污染薄膜后相互接觸的部分。任何降低接觸斑點(diǎn)數(shù)量或惡化接觸界面狀態(tài)的因素，均會導(dǎo)致接觸電阻的增加，從而加劇觸頭的發(fā)熱現(xiàn)象。

對于已經(jīng)投入運(yùn)行的斷路器觸頭，正壓力是影響其界面接觸斑點(diǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。隨著正壓力的增加，接觸微點(diǎn)的數(shù)量及其所占面積均呈現(xiàn)增長趨勢；同時(shí)，這些接觸微點(diǎn)由彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危@一轉(zhuǎn)變過程有助于減少觸頭間的集中電阻，進(jìn)而降低整體的接觸電阻。在考察前述案例時(shí)，筆者注意到觸頭彈簧的缺陷、對中度不足以及插入深度不夠等問題，其本質(zhì)均源于觸頭間正壓力的降低。此外，在進(jìn)行斷路器開閉操作時(shí)，電弧的產(chǎn)生是不可避免的，電弧釋放的熱量會對觸頭表面狀態(tài)造成不利影響，如圖6所示，這進(jìn)一步加劇了接觸電阻的升高。

觸頭發(fā)熱與接觸電阻增大，兩者之間相互影響，當(dāng)觸頭出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象時(shí)，其釋放的熱量會對觸頭間的界面狀態(tài)產(chǎn)生破壞效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致接觸斑點(diǎn)的數(shù)量減少，并降低金屬直接接觸點(diǎn)的占比。此種現(xiàn)象又會進(jìn)一步加劇接觸電阻的增大，從而進(jìn)一步惡化觸頭的發(fā)熱狀況，形成一種相互強(qiáng)化的循環(huán)。

3" " 結(jié)束語

綜上所述，該660 MW機(jī)組火電廠斷路器梅花觸頭熱故障的產(chǎn)生，其根源復(fù)雜多樣，既涉及設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的不足，也包含檢修工藝的不完善，同時(shí)也不能忽視人為因素的作用。為了確保電力生產(chǎn)的穩(wěn)定可靠，必須根據(jù)熱故障的具體成因，在斷路器梅花觸頭的整個(gè)使用壽命周期內(nèi)，采取有針對性的預(yù)防措施，從而有效控制熱故障的發(fā)生。

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收稿日期：2024-07-05

作者簡介：彭康利（1982—），男，陜西寶雞人，工程師，研究方向：電廠生產(chǎn)技術(shù)管理。