真空断路器触头发热原因分析

引言

“真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、结构简单、运行维护方便等优点，被广泛应用于发电厂、变电站以及工矿企业高压输配电系统中。它是保障配电系统安全可靠、持续稳定、高效经济供电的重要配电设备。高压开关柜采用的手车插入式(梅花形)触头，动触头是由多片梯形触指组成。如果在运行过程中出现触头部位松动、接触不良、弹簧性能老化下降、接触面脏污等情况，均可能引起高压开关触头温升发生异常。同时，高压真空断路器的动、静触头也是重点维护部位，运行中的高压真空断路器发生触头发热时，如不及时发现并采取有效的处理措施，极易引起非常严重的安全生产事故。对于大型发电厂来说，高压厂用配电段开关触头的发热，轻者直接可导致开关烧毁，严重者可直接导致开关炸裂，机组停机的后果，极大的威胁着发电机厂乃至电网的安全、稳定运行，给发、供电企业、工农业生产企业等带来较大的经济损失。又由于封闭式开关柜带电后是不能打开的，因此我们无法时时测量运行中开关柜中的触头温度，不能及时掌握触头的温升变化。在日常生产运行及维护过程中，针对触头发热的现象制定了科学完善的管理制度，并结合先进的技术和仪器等手段，时时在线监测电气设备接头温升异常，有效的解决了高压真空断路器触头发热产生的隐患，在电力行业内，研究电气设备接头发热的问题已成为了一个非常重要课题。

1 事故经过

我厂1#、2#发电机组自2010年投产以来，6kV配电段高压真空断路器触头陆续出现了发热、变色的现象。结合我厂的生产实践，触头发热的情况主要发生在高压配电段工作电源进线开关及电动给水泵、二次风机等负载较重的高压真空断路器上，下面是我厂发生的一起典型触头发热事件。

2014年2 月6 日，巡检人员发现1#机6kV配电室有焦糊味，随后检修人员到现场后经过仔细检查，初步确认焦糊味是1#机6kV B段工作电源开关611B触头发热所引起的。打开开关柜顶部盖板，经测量A相触头外壳温度高达140℃，B相温度达80℃，C相为60℃。随即将1#机6kV B段电源切换到备用电源开关，把1#机6kV B段工作电源开关611B从开关柜中抽出进行仔细检查，发现开关梅花触头已严重烧伤，梅花触头处的绝缘套筒及绝缘衬垫烧焦，弹簧发生范性形变。检修人员紧急更换了烧坏的梅花触头及绝缘套筒等各部件，并进行了交流耐压试验，对开关的各项检查均正常后重新投入了运行。此发热事件因发现和处理及时，未对机组安全稳定运行造成严重后果。

2 触头发热原因分析

2.1 负载的影响

高压断路器触头的发热情况，大多数发生在负载较大的大电流电源开关上。高压开关电力负荷发生变化时，会直接影响到设备的温度变化。正常情况下，开关在额定负荷下使用，负荷的变化引起的触头温度升高不应超过75℃（规定值）。如果负荷发生突变或增加过多，或者回路受到了短路电流的冲击时，断路器的梅花触头等连接部位就会产生发热现象。

2.2 触头质量问题

高压真空断路器的动、静触头的设计和制作工艺差，接触面积不足，触头及弹簧材质选型不合格、触头表面镀银层薄易氧化或镀银工艺差镀层脱落，触头容量不足，梅花触头的弹簧紧力不足，动、静触头配合尺寸不合适或大于3mm的允许磨损厚度，触头插入尺寸小等问题，都将会引起运行中的断路器触头发热。

2.3 设备安装工艺问题

动、静触头的装配工艺差，是引起运行中触头发热的另一个主要因素。若动、静触头的安装工艺不符合技术要求，小车式开关的梅花触头与静触头的配合就有偏差。当开关推入后，动静触头连接部分就可能因配合偏差而引起接触面积不够，造成动静触头接触不良，同时，长时间运行中的动静触头接触面的偏差部位将发生电弧灼伤，从而引起触头发热。另一方面，安装在开关柜中的静触头固定螺栓的松动或紧力不足时也会导致触头发热。

2.4 触头氧化、脏污

高压断路器的动静触头是最容易过热氧化的部位，也是最容易产生发热的部位。由于该部位氧化、脏污等原因，导致触头接触电阻增大，在大电流情况下该处的热功率也很大，其结果就是触头严重发热。实践证明，当触头连接处的运行工作温度超过80℃时，连接处的金属将因过热面膨胀，使接触表面位置错开，形成微小的空隙而被氧化。当负荷电流减小温度降低，接触面回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖，已经回不到原来安装时金属面的直接接触。每次温度变化的循环所增加的接触电阻，将会使下一次循环的热量增加，所增加的温度又使接头的工作状况进一步恶化，因而形成恶性循环，致使断路器触头发热。银和空气氧化后呈黄白色，但是对于地处工业区或者环境污染较严重的地区，空气质量较差，空气中的二氧化硫、氯化物、氯气及氧化氮等可导致银合金变黑，H2S生成了黑色的Ag2S方程如下：2H2S+O2+4Ag=2Ag2S+2H2O。硫化银的导电性远远无法与银相比，只具有半导体的性质。所以银镀层被硫化后其接触电阻将大幅度增大。

2.5 设备老化、变形

触头经过长时间使用或者触头发热以后，触头的机械强度、物理性能等都会明显下降，导致触头自闭力弹簧老化或的弹性下降、从而进一步导致触头的接触压力不足，造成动、静触头没有良好接触，并使其接触电阻大于额定触头压力下的回路电阻。触头接触不良，如若得不到及时发现予以处理，接头的连接状况将越来越差，引起触头严重发热，甚至烧毁。

2.6 涡流的影响

涡流在开关柜中产生的主要影响有发热及振动。金属切割交变磁力线而在金属内部产生涡流，从而致使金属出现温升。如果该金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量就很大。在开关柜中，通常我们采用以下四个方法来抑制涡流的产生：（1）三相同时穿过一个封闭金属回路，使之磁通为零。（2）采用诸如不锈钢、铝、环氧酚醛树脂及工程高强度塑料等非磁性材料制作隔板、支撑件，甚至整个骨架。（3）在磁性材料形成的闭合金属回路上开隔磁槽，以增大磁阻。（4）增大母线与磁性材料间的距离。

2.7 环境温度及散热

真空断路器是3～10kV，50Hz三相交流系统中的户内配电装置，安装在高压配电室内。如果室内通风不好，电气设备产生的热量将无法正常扩散出去，就会导致开关柜内环境温度上升。同时，开关柜中的散热孔不通畅或冷却风机及控制回路发生故障时，均可导致触头温度升高。

3 结束语

封闭式开关柜内接头发热是电力安全生产中的难题，通过分析触头发热原因，可采取更新老旧设备，改进接头的连接、安装工艺等相应的技术防范措施，同时随着电网改造的进一步深入，新材料、新工艺、新设备大量在电网中推广应用，可以大大减少接头发热的隐患。除此之外，还可以通过有效的温度监测装置，及时发现开关柜内设备接头发热的迹象，以便采取措施，防患于未然，确保电力安全生产。设备的健康水平也有了明显提高。

并实时监测柜内接头温度，从而有效解决开关柜触头发热问题。无线测温系统能够实时监测柜内接头温度，起到预防接头事故的目的，该方法在电力行业具有一定的推广意义。