一起低压抽屉开关出线触头故障分析及处理

一起低压抽屉开关出线触头故障分析及处理

张强  万振华  毕鹏程  胡涛

阳江核电有限公司（电气部 ）   529941

摘  要  某电厂低压交流配电盘（LKR）触头烧蚀故障，导致下游负荷给水加热器疏水回收泵停运，引发机组降功率。本文从该触头的设计、制造、安装、维护等各方面对该故障进行了深入分析，确定了触头烧蚀的根本原因并进行了根本处理，同时给出了后续的维护措施。

关键词 抽屉开关；触头；烧蚀；检查；维护

低压开关柜是电力站配电系统的重要组成部分，安全性高、体积小、 维护灵活、内部组件紧凑、抗电弧能力强，广泛应用于发电厂、变电站[1]。开关柜主回路插接件（抽屉进出线触头）对开关柜的安全可靠运行有举足轻重的作用[2]，该处故障轻则导致馈线开关跳闸，严重时可能导致整盘失电，甚至引发火灾。本文结合某电厂常规岛低压交流配电盘馈出线开关（LKR0102）触头严重烧蚀事件，从设计、制造、安装、运维等方面详细分析了出线开关触头烧蚀的根本原因，并给出了后续维护策略，可以给类似抽屉开关柜触头维护提供参考。

1.背景简介

本次事件中LKR系统设备为OKKEN柜，抽屉开关与配电盘母线通过抽出及插入触头进行断开及连接（见图1），配置进线动静触头3个、出线动静触头3个（通过外壳颜色区分动静触头）。抽屉开关拉出时，抽屉进出线动触头和开关柜仓室静触头分离，从空间上实现电气隔离；抽屉开关推入时，动静触头插接在一起，具备电气导通的条件。

图1 抽屉开关触头示意图

2.现场检查情况

2.1.开关故障现象

LKR0102开关跳闸后，主控制室触发LKR配电盘馈线总故障报警、ACO302PO（下游负荷）疏水泵电气盘不可用报警，专业维修人员现场检查电源开关LKR0102故障指示灯点亮，零序继电器未动作，开关内部综合马达保护继电器内无报警记录；复位断路器后，开关故障报警消除。

调取后台故障录波系统相关波形数据，故障电流从3：21：54秒950开始出现并逐步增大，至3：21：55秒004至最大值，U、V、W相线电流最大约6000A、4500A、3500A，达到断路器内短路保护动作定值（短路短延时保护：4000A）。

2.2.触头故障情况

拉出LKR0102开关进行检查，发现开关出线动触头U相和V相表面熏黑，擦拭后仅有少量碳化物遗留，铜排本身未见损伤；W相熏黑严重，铜排周边的护套上有少量金属飞溅焊珠，铜排本身有较为明显烧蚀损伤，静触头夹头与之夹持受力部位出现较浅的凹痕，详情见（图2）。

图2：开关侧W相动触头故障图

查看仓室静触头，U、V相外观部分熏黑，W相触头外壳脱落，内部明显烧蚀。从仓室取下静触头检查对侧（与出线铜排连接的那一侧），U相静触头保持架完好，触头上半部分外测有轻微烧蚀，夹头接触面部分无异常；V相静触头外观无异常，无过热痕迹；W相静触头外壳部分熔化，触头保持架变形，两侧夹持弹簧已经失去弹性，夹头表面过热烧蚀。同时，检查安装静触头的固定支撑板背面残留少量金属熔渣，详情（见图3）。

图3：三相触头安装位置及现场故障图

检查仓室出线铜排（静触头至负荷电缆之间的连接铜排），发现连接铜排U相和V相表面熏黑，清洁后有少量碳化物遗留，铜排本体没有损伤；W相熏黑较多，铜排本身有轻微烧蚀损伤，静触头夹头与之夹持受力部位出现轻微凹痕，详情（见图4）。

图4：W相与U相静触头连接铜排比较图

­同时对损伤的开关出线铜排、静触头及连接铜排进行深入分析并结合电气故障特征可以判断，本次跳闸之前，W相静触头与动触头铜排之间接触不良，产生了较长时间的过热；导致动静触头夹头接触器面逐步烧蚀，同时随着故障发展，转接铜排变薄，夹头夹持力减弱，转接铜排也逐步出现过热烧蚀的现象；随着故障进一步发展，静触头与动触头铜排之间产生过热并逐渐形成电弧，引发三相短路故障，使得开关短路保护动作跳闸。

3.原因分析

以下从设计、制造、安装及运行和维护四个方面，对LKR0102开关断路器短路保护动作的原因，进行根本原因分析：

3.1.设计分析

如果静触头载流量设计不足，在长期大电流的作用下，动静触头接触部位会逐步过热，进而导致触头故障。

按照出厂设计，该触头有三组夹头，详情（见图5），单组夹头设计额定电流为250A，该夹头设计额定电流为630A，LKR0102开关下游负荷正常运行时电流230A左右，即便有一组或两组夹头失效，也满足对下游负荷的正常供电。

图5：备件静触头实物图

此外，其他机组966个触头的排查，未发现触头过热痕迹。

根据设计裕度及大面积排查结果分析，4LKR0102开关跳闸因静触头载流量设计不足的可能性可以排除。

3.2.制造分析

故障触头由三个独立夹头及触头防护绝缘层组成，夹头由四片触头片、框架、小翅膀、定位销、两片弹簧片组成，详情（见图6）。开关推入时，开关动触头铜排和转接铜排形成“跷跷板”结构，在触头不散架且夹持弹簧不变形的情况下，一侧越厚，另一侧夹持得越紧固；

图6：触头结构组成图

如果触头防护外壳损坏、触头本体制造缺陷，都可能造成夹持力下降；此外，如果铜排过薄或表面有不平整，也可导致夹持力不足或有效导电面积不足，从而导致接触不良引发过热。以下从静触头防护外壳故障、本体缺陷、铜排缺陷三个方面进行产品制造方面的分析。

3.2.1.静触头防护外壳个体缺陷

静触头防护外壳主要作用是将三组触头组装在一起并卡在仓室后板上，以便抽屉推入时候，动触头能够准确的插入。如果外壳卡扣损坏，静触头无法正常安装，操作抽屉时动触头会导致其歪斜使得动静触头无法接触良好。

静触头的防护外壳均是厂家标准化产品，多个产品一起制造成型，如果产品有缺陷，在其他触头检查时应该也会发现；但根据对5号机及4号机的反馈检查及停盘检修，均未发现静触头防护外壳卡扣的相关缺陷。

因此，静触头防护外壳制造缺陷的可能性较低。

3.2.2.静触头本体制造缺陷

静触头本体主要由触片、定位销、框架及弹簧构成；如果触片尺寸有偏差、定位销失效、框架变形或断裂、弹簧变形或失效都可能导致有效的接触面积不足形成接触不良，长期通过大电流导致逐步过热。

静触头有三组触头，每组单独制造，两侧各装弹簧，共12片触片，设计上有一组（4片）即可满足230A的通流要求，两组以上的触头同时存在制造缺陷的可能性极低；定位销及框架故障都将导致触头散架，现场并未发现触头散架情况，这种可能可以排除。此外，现场对5号机多个系统的600多个触头进行了检查，未发现以上分析的产品制造缺陷。

静触头本体产品制造缺陷导致LKR0102开关断路器短路保护动作的可能性极低。

3.2.3.铜排（动触头）制造偏差

铜排包括两部分，一部分是抽屉静触头，一部分是连接静触头及出线电缆的连接铜排。铜排上面存在凹坑或本身较薄，导致动静触头之间夹紧力不足形成接触不良。

由于铜排端部已经烧蚀且附着有较多杂物，无法准确测量其厚度，现场检查动触头表面未发现明显的不平整痕迹，根据铜排其他部位测量的结果，铜排厚度均在5±0.05mm，制偏差较小，满足制造要求。且铜排制造时均是一体成型后切割而成，检查其他间隔均未发现铜排尺寸超标的情况。

因此铜排制造偏差造成LKR0102开关断路器短路保护动作的可能性可以排除。

3.3.动静触头安装不到位

现场检查期间，由于故障触头外壳损毁严重，无法直接判断其是否存在安装缺陷；检查该开关其他触头，未发现触头出现明显倾斜、松脱等情况。

现场检查故障静触头连接铜排及动触头铜排，发现W相动触头铜排上夹头中心点较比其他两相夹头距离铜排末端较短，W相静触头铜排上夹头中心点较比其他两相夹头距离铜排末端较远，长度大约2-3mm，详情（见图8）。说明静触头已经从仓室后板产生了后移，间接证明了静触头外壳已经损坏。

图8：W相故障触头与铜排比较图

因此，判断W相触头外壳已经损坏，开关推入后三个夹头间接触轻微歪斜及接触位置轻微偏差，使得静触头与铜排接触电阻增加，长期持续性的大电流运行状态下，持续发热和多次启停情况下，使得触头与铜排间发热加剧，塑料慢慢融化，导致最终三相触头间弧光短路。

由于静触头外壳已经不完整，触头外壳故障的具体原因难以考证，根据现场故障情况推断，该触头可能在安装时与后板没有配合好，导致静触头歪斜。由于该开关较大，在送电过程中需要较大的力气才能操作，较大的冲量导致静触头进一步歪斜进而产生接触不良现象。

根据以上检查情况分析，LKR0102开关因动静触头安装不到位导致LKR断路器短路保护动作的可能性较高。

3.4.运行及维护

3.4.1.开关操作不当

LKR0102开关体积较大，个体较重，属于常规岛系统中最大的开关；如果操作不当，可能导致静触头结构变形，动静触头夹持力不足，形成接触不良。此前在其他系统曾出现由于操作不当导致开关进线触头外壳破裂、结构散架的反馈。另外，如果开关未完全推入，也会导致动静触头接触不良。

但是现场检查仅是出线W相触头出现过热痕迹，进线触头及其他两相出线触头均外壳完好，夹头无形变，无过热痕迹；同时查询LKR0102开关隔离清单，近一年仅有一次隔离操作。另外，通过在技能中心模拟操作，不同人员多次不同方向不同力度操作，抽屉开关均能正常推入，导轨导向有效，触头未出现损伤失效的情况。

该类开关设置有机械闭锁，开关推入到位闭锁才会解除；现场检查开关闭锁装置有效，闭锁已经解除。同时，检查开关面板与旁边柜体基本平齐，证明开关机械行程已经完全到位。开关未操作到位的可能性可以排除。

根据以上检查情况分析，LKR0102开关因操作不当导致动静触头接触不良的可能性可以排除。

3.4.2.抽屉开关触头缺乏维修

针对该类配电盘，检修部门设置有定期维护大纲及维护工作文件，维护项目满足厂家使用维护说明书要求，工作文件中要求对触头进行检查。查询维护历史记录，并无触头异常的记录。

拉出抽屉开关后，发现触头上有较多润滑脂，为配电盘出厂时涂抹，将润滑脂进行80℃（3h）、120℃(10h)烘烤分析，未出现硬化变质现象，与原润滑脂电气特征基本一致。

另外，当前的维护文件中没有对开关巡检测温的要求，由于触头位于柜体中间，无法直接巡检到位，也无法测量该处温度；但该处出线铜排可以通过打开电缆仓柜门的方式巡检测温，从而间接获知触头是否异常。该类过热故障是逐步发展的，测温可能有助于尽早发现前期故障。

根据以上检查情况分析，维修手段不完善可能导致故障无法及时发现，但不是导致LKR0102开关断路器短路保护动作的根本原因。

综合以上各项分析，汇总各种可能原因因素结果如下：

综上原因分析，LKR0102开关跳闸的根本原因是LKR0102动静触头安装不到位，白云配电盘检修大纲及程序中缺少触头拆下检查内容导致故障没有尽早发现，导致LKR0102开关动静触头接触不良产生过热，最终导致开关弧光短路跳闸。

4.处理结果

更换新的抽屉开关出线触头后，着重确认了开关触头安装紧固、方向正确；同时并对开关进行了多次操作，验证了触头安装可靠。为进一步加强对开关运行状态的监测，对开关的出线进行定期温度测量，数月以来测量结果显示该处温升变化未超过5℃，表明该处触头过热问题已经得到解决。

5.维护建议

配电盘触头是配电盘正常运行中的薄弱环节，一般处于配电柜内部，监视难度较高；但其承担着较大的运行电流，失效后轻则导致开关跳闸，严重时可能导致配电盘整盘失电甚至引发火灾。因此在后续的维护中，需要加强对配电盘触头的维护。

在配电盘安装过程中，应加强对触头的安装情况检查，确保触头安装牢固、方向正确无歪斜。

在运维过程中，应对触头进行详细检查，特别是检查好触头位置是否存在偏差，触头触指面是否存在过热迹象；同时还应检查动触头插入静触头的距离。必要时可考虑在定期检查时加入夹紧力测量等措施。

在触头监视方面，对于重要的负荷，可考虑加装辅助监视措施。例如增加在线测温装置，建立触头温度变化趋势，对于温度异常的触头，及时停运负荷进行检查。

[1]黄美琴，４００Ｖ低压开关抽屉烧毁的原因分析及其应对措施【J】，《四川建材》，2018，7,180

[2]李保定，崔静，刘进伟，低压抽屉式开关柜主回路接插件的可靠性，电工文摘，2011.3，66