关触指缺损状态的研究与应用

关触指缺损状态的研究与应用

高明贵 毛娇娜 李旭飞

国家电网荆州供电公司 湖北省荆州市 434000

摘要：本文结合某供电公司检修环节发现的隔离开关触头故障案例，基于稳态热分析理论对于触指缺损状态进行分析，选取回路阻值、接触压力与温升数值作为研究参量建立各参数关系的分析模型，并引入仿真分析方法进行实体模型的有限元分析。研究结果表明，回路阻值大小、接触压力数值与温升数值变化量成正比，因此在实际变电设备运行过程中需注意合理调节上述指标，并针对现有组件接触位置、接触面积、原材料类型等进行优化，借此有效解决隔离开关触指缺损故障，维护隔离开关的安全运行。

关键词：隔离开关；触指缺损；状态分析；检修维护

引言：隔离开关是电力系统中的重要输变电设备，在变电运维检修工作中高压隔离开关常在触头的电接触部位出现异常发热现象，甚至因局部温升过高引发触指熔融现象，造成开关触指缺损问题。针对开关触指发热缺陷采取有效措施进行工艺参数调节，对于改善触指零件过热缺陷、保证隔离开关正常运行具有重要意义。

1开关触指缺损机理

1.1过热部位

某供电公司在开展日常变电检修工作中发现，有超过60%的隔离开关在动静触头处存在缺陷，其中过热缺陷的占比最高，且部分隔离开关因温度过热引发触指部位烧损现象，严重影响到设备运行性能。以GW4A-126型隔离开关为例，根据开关结构进行过热部位的分析，隔离开关的电触头部位包含3对触指及对应的弹簧，依靠弹簧对触指施加一定压力^[1]。在开关运行过程中，触指与触头接触部位产生局部过热现象是引发触指缺损的主要原因。

1.2稳态热分析原理

基于稳态热分析原理进行触指缺损状态的分析，当热力系统处于稳态时，伴随时间的延长，系统内任意节点的热量与荷载数值均保持不变^[2]。将热力系统流入、流出的热量值分别设为Q_in和Q_out，系统运行过程中生成的热量为Q_p，三项参数的关系可表示为：

基于稳态热分析机理进行能量关系的分析，收集导热系数、对流换热系数、辐射率与形状系数等参数建立热量传导矩阵[K]，取系统中任意节点将其温度向量、热流量向量分别设为[T]和[Φ]，将能量平衡关系利用方程式表示为：

2开关触指稳态热分析及检修运维

2.1稳态热分析

2.1.1回路电阻与温度关系

针对影响隔离开关热稳定性的因素进行分析，在隔离开关运行过程中常规回路电阻数值控制在150μΩ以内，在电流流经电触头时将产生一定的回路电阻损耗。将接触电阻的阻值设为R_j，电接触头处形成的接触压力为F，与不同接触方式相关的因数为m，受接触材料影响的因数为K_j，其中点、线、面三种接触方式下因数分别取值为0.5、0.75和0.8，选用铜材质制成的触头材料接触因数取值为0.1，则接触电阻的计算公式为：

根据隔离开关基本参数，将触指与触头接触力大小取值为90N，由此可计算出触指的接触电阻阻值为15.45μΩ，而该公司设备检修环节测得高压隔离开关的回路电阻阻值为2.9mΩ，结合接触面数量可计算出各接触面处的接触电阻平均值约为371.25μΩ，超出隔离开关产品的临界值，因此确认回路电阻是引发触指过热缺陷的重要指标。

2.1.2触头接触压力与温度关系

根据隔离开关结构特征可知，动、静两触头间主要依托导电斑点连接成线实现接触，在此可将触头间的接触形式近似为面接触。设接触面积为S，已知接触半径r取值为0.8mm，触指接触面相关因数ξ取值范围在0.3～1.0之间，触头材料硬度H取值为105，则触指接触面压力F_k的计算公式为：

将上述参数代入公式中，可计算出隔离开关触指压力数值为90N。针对触头接触压力与温度变化关系进行分析，设触头本体温度为θ₀，接触点处温度为θ_m，已知触头上施加的压力为F_k，触头材料的压缩极限为σ，电流为I，劳伦兹常数为A，电阻率为ρ，则接触压力与温度的关系表示为：

从中可以看出，触头接触压力大小与触头本体温度、接触点温度的比值存在相关性，且触头本体温度对于触头接触压力起到直接限制作用。

2.2建模分析

由于开关触指过热现象主要取决于电接触部位的热量聚集过高，破坏开关整体热稳定性，回路电阻、触头接触压力将直接影响到触头与触指接触部位的温度，通过改变回路阻值大小、调节触头接触压力均会改变隔离开关的热稳定性，因此还需基于控制变量法进行各参数指标下触指部位温升变化情况的具体分析。已知隔离开关触指选用铜合金材料制成，该材料的热传导率为400.7W/(m·K)、材料密度为8.96×10³kg/m³，且触指尺寸为100×30×4mm。根据上述设备参数，采用ANSYS软件建立接触系统的热稳定分析模型，利用三维20节点六面体热分析单元Solid90进行模型的具体分析。

在模型网格划分上，以接触面积数值作为网格单元划分标准，选取实体模型中心部位对该单元施加荷载，对触指模型左侧界面施加25°C的温度约束条件，热量从模型右侧界面与触头接触部位传递，对其施加热流密度荷载，在电触头处于闭合状态下完成触指部位生成热流量的计算，利用该热流量与接触面积数值的比值完成热流密度的计算，获取触指表面的温度分布特征模型。在接触面积数值保持4mm

²恒定值的前提下，当接触电阻阻值由100～370μΩ范围内逐渐增大时，对应的最高温升值达到411.2°C；在负载电流保持1.25kA恒定值的情况下，伴随触头接触压力的减小，最高温升值呈同步减小取值，最小值达到112.7°C。

2.3仿真分析结果与建议

结合上述分析结果可知，在负载电流保持恒定值的情况下，伴随回路电阻阻值的增大，接触点处温度呈同步增大趋势，且阻值越大其增幅越大；在同等条件下，接触点温度与触头压力保持同步变化。由此可知，触指压力、回路电阻对于触指部位的温度场及其最高温升值具有直接影响，是引发触指部位局部过热现象的主要诱因，因此在变电检修运维工作中还应结合上述参数变化关系进行指标调节，降低电触头过热引发触指缺损问题发生几率。

在隔离开关运维与检修环节，可采取以下治理措施：一方面，针对现有触指部位结构设计进行优化，调整铝绞线与线夹之间的接触面，利用开设凹槽的方法保证结构件实现紧密配合；或将铝绞线与线夹的连接方式进行调整，选用压接方法进行连接结构的优化设计，有效增加接触面积、减小触头表面所受的压力，克服热膨胀问题。另一方面，还可引入性能优异的外防护材料起到降阻作用，选取母排内表面涂覆相应外防护材料，随后借助回路电阻仪进行阻值测试，可明显观察到接触电阻阻值呈下降趋势，且此类材料具备一定的抗腐蚀效果，能够有效延长设备使用寿命，维护隔离开关的稳定运行。

结论：通过针对变电站隔离开关异常现象进行状态分析，选取开关触指的压力、温度与回路电阻三项指标建立数学模型，用于实现对开关触指缺损状态的模拟与分析。在此基础上，通过结合隔离开关触指部位的运行机理进行有限元分析与数值变化量计算，能够为隔离开关检修与后续运维工作提供有效方法及参考依据，防范因开关触指缺陷引发变电安全事故，更好地提升变电检修维护效率。

参考文献：

[1]岑飞.变电站隔离开关异常分析及处理方法研究[J].商情,2019,(20):170.

[2]张丽娟,张雷,刘冰,等.敞开式隔离开关发热故障分析及防范措施[J].山东电力技术,2019,(02):50-53.
第一作者：高明贵（1967-02——）男，汉，湖北荆州人，长江大学，本科，国家电网荆州供电公司，研究方向:变电检修。

第二作者：毛娇娜（1990-01——）女，汉，湖北孝感人 ，武汉理工大学，硕士，国家电网荆州供电公司，研究方向:电气试验。

第三作者：李旭飞（1992-04——）男，汉，山西运城人，湖北三峡大学，本科，国家电网荆州供电公司，研究方向：变电检修。