一起隔離開關發熱熔斷故障分析與對策

苗金鋒，杜鵬，楊海濤

（1.濟南電力設計院，濟南250000；2.山鋼股份濟南分公司，濟南250101）

一起隔離開關發熱熔斷故障分析與對策

苗金鋒1，杜鵬2，楊海濤2

（1.濟南電力設計院，濟南250000；2.山鋼股份濟南分公司，濟南250101）

根據變電站設備運行實際，對一起隔離開關發熱熔斷故障案例進行分析，探討隔離開關發熱誘因，研究隔離開關觸頭過熱事故的原因及應采取的措施，為變電站實施反事故技術措施提供了依據。

隔離開關；過熱；觸頭

0 引言

隔離開關是輸變電系統中的一個重要元件，與供電系統的安全穩定有著密切關系。作為一種轉換電路和保證停電檢修安全的設備，高壓隔離開關在電網中被廣泛使用［1］。隨著變壓器、斷路器制造工藝和運行水平的提高，以及狀態檢修的實施，斷路器故障大為減少，檢修工作量亦顯著降低。然而隔離開關故障和缺陷卻開始增加，經常出現發熱、銹蝕、閃絡等異常，嚴重影響人身和電網安全。結合濟鋼第七降壓站隔離開關發熱熔斷故障案例，分析隔離開關發熱的誘因，并結合實際工作，從技術要點和管理手段出發，切實提高設備安全運行可靠性。

1 案例描述

2013－11－16 T 05∶23∶54，濟鋼第七降壓站Y3211柜零序保護動作同時A相過流報警隨即速斷跳閘，經進一步檢查確認，無功補償裝置TCR支路35 kV隔離開關A相短路燒損，經調取查看故障現場視頻錄像，故障點處弧光短路現象明顯故障最終導致相間短路，系統壓降影響高爐、轉爐、軋鋼等多條主要生產線。故障后，經現場檢查及后臺數據確認，排除小動物、雜物等外部因素影響，隔離開關熔斷故障為觸頭過熱，如圖1所示。

圖1 隔離開關熔斷故障

2 問題分析

2.1 隔離開關導電部分結構

該故障隔離開關系某高壓開關廠生產的GW4-40.5 W型戶外隔離開關，其導電部分主要包括觸頭、觸指（觸片）、觸指座和導電管，結構見圖2。隔離開關觸頭形狀為扁柱形，觸指由兩排（每排三片銅片）構成，每片銅片用銷子連接一個彈簧。當隔離開關由分到合時，帶電的觸頭經過隔離開關的傳動機構伸到觸指內部，觸指由于壓縮彈簧而使彈簧產生反作用力，進而將力傳遞到觸指和觸頭的接觸面上，增大接觸壓力，減小接觸電阻，電流通過觸頭、觸指、觸指座和導電桿接通回路，使線路帶電。

圖2 GW4-40.5 W型隔離開關觸頭

2.2 隔離開關發熱原因

2.2.1 設計結構

從圖2中可以看到，觸指由左右兩側6個銅片組成，每個銅片僅有1個壓縮彈簧，且彈簧尾端以銷子固定。經現場拆解分析，每對左右觸指通過1根螺栓連接的方式是存在缺陷的。當觸指壓力不足引起左右兩側接觸電阻不等時，會有部分電流從螺栓處分流，如圖3所示。觸頭接觸通過電流時，其實際上形成一個電橋電路，其中R1~R4為觸指接觸部位的4個接觸電阻，R5為螺栓的電阻值。流過螺栓的電流ΔI的大小，與R1~R4這4個接觸點的好壞密切相關。由于不銹鋼材質螺栓的導電性差，螺栓與觸指座僅通過彈簧連接，接觸電阻很大，因此即使電流很小，螺栓發熱也會相當嚴重，長時間高溫運行下容易造成螺栓燒熔斷裂，導致觸指脫落。

圖3 觸頭導電通路

單一壓縮彈簧且彈簧簧絲過細，在隔離開關多次分合后，有可能造成彈簧壓力不均，從而導致觸指銅片發生位移，影響隔離開關同期度的同時造成個別觸指壓力降低。隔離開關熔斷故障發生后，對該站及六降壓同型號隔離開關進行直流電阻測試，如表1所示。

根據該隔離開關產品技術說明書中規定，額定電流1 250 A隔離開關回路電阻值不大于100 μΩ，經試驗發現個別隔離開關確實存在觸指接觸不良導致直流電阻異常增大現象。

彈簧以銷子固定，不可人為調節彈簧壓力，給檢修調試帶來嚴重影響。因此，經實際操作驗證，此種設計結構，在設備多次操作中，極易出現觸指單邊接觸的情況，接觸面積減小，勢必造成隔離開關觸頭發熱。

表1 六降壓隔離開關回路直流電阻試驗數據

2.2.2 隔離開關材質問題

對濟鋼供電系統中同類型隔離開關運行狀況進行統計分析，發現僅有同一批次的六、七降壓無功補償系統隔離開關存在觸頭發熱現象，對比不同點主要在于該批次隔離開關用料及材質。隔離開關導電桿、出線座等絕大部分采用鋁質構成，其中僅有觸指和觸頭為銅質部件。

金屬鋁的電導性遠低于銅質部件，隨著溫度升高，鋁質自身導體電阻增大，導致導體產生熱量從而形成惡性循環，造成發熱點迅速惡化，最終導致設備溫度在短時間內急劇上升。相對于銅的熔點（1 083℃），鋁的熔點（660℃）要低得多［2］，因此一旦發生設備過熱且溫度上升至接近熔點時，由于其熱穩定性不足，導電桿等鋁質部件將會發生嚴重變形甚至熔化，從而導致隔離開關接觸點的位移甚至分斷形成拉弧，電弧所產生的巨大熱量將導致剩余鋁質部件的完全熔化直至短路跳閘。根據對濟鋼七降壓故障現場及監控畫面的分析，可以基本判定鋁質部件受熱變形、拉弧、熔化（如圖4）是造成本次故障的關鍵原因。

圖4 鋁質導電桿受熱熔化

2.2.3 觸指和觸頭的接觸面積

根據隔離開關導電原理不難發現，觸頭和觸指之間的接觸只是一條線，接觸面積較小，而且由于產品的多方面原因和制造工藝問題，有可能會造成觸指和觸頭的表面粗糙、坑洼、毛刺，這樣就使得本來較小的接觸面更小，同時接觸電阻增大，繼而導致接觸部位發熱。試驗證明，觸指與觸頭的接觸點是最易發生過熱現象的部位，根據大電流溫升試驗結果（如表2所示），存在接觸隱患的隔離開關接觸點，在隔離開關額定電流1 250 A狀態下運行不到5 min，設備表面溫度已經超過180℃。

表2 六降壓隔離開關大電流溫升試驗數據

2.2.4 彈簧的老化問題

彈簧的主要作用是將壓力傳遞到觸指和觸頭的接觸面上，增大接觸壓力，但由于彈簧本身的性能原因，在常年運行后會出現老化的情況，加上由于發熱的原因，會使彈簧的倔強系數變小，尤其是那種可能會利用彈簧分流的隔離開關，老化速度更為明顯。一些污穢程度較高的地區，在每年的檢修過程，都會發現一些彈簧銹蝕斷裂的情況，不利于隔離開關的正常工作。

2.2.5 檢修問題

檢修過程中，檢修人員要為隔離開關的導電部分涂抹導電膏，為傳動機構上潤滑劑，檢查隔離開關的工作性能［3］。很多檢修人員沒有正確認識導電膏，操作錯誤，不但增大了接觸電阻，而且導電膏容易吸附灰塵，使情況變得更加復雜。另外，在檢修過程中，很少拆下隔離開關細致檢修隔離開關的各部分零件，不能對問題零件及時更換。

3 隔離開關發熱問題的處理方法

3.1 更換銅質導電部件

材質問題是造成此次故障及影響擴大化的主要原因之一，根據不同材質在高熱情況下的試驗分析，純銅導電結構，即使在設備異常發熱甚至產生電弧的情況下，由于銅良好的熱穩定性，仍然可以保證設備的基本運行狀態，為應急處置提供時間。根據市場價格計算，相對于鋁質結構其價格要高，但從長期的運行看，假如設備故障要將線路進行停電，停電造成的經濟損失及影響要遠遠超出更換成本，因此是十分有必要的。

3.2 增大觸頭和觸指的接觸面積

觸頭和觸指是設備發熱的關鍵點，其線接觸的結構特點，就決定了在接通大電流時，發熱情況在所難免。因此，如何增大接觸面積是解決發熱問題的關鍵所在。通過大量理論研究和實踐經驗探索，在不改變現有隔離開關接觸方式及機械結構的情況下，增加觸頭銅塊厚度，加大觸頭和觸指的接觸面積，分流觸頭和觸指的電流，減少發熱量，同時，在觸頭銅塊與鋁導電桿間增加銅鋁過渡夾，以減少銅鋁接觸電阻過大的問題。

3.3 提高彈簧可靠性

彈簧是保證隔離開關導電部分正常工作的重要環節，但其老化和銹蝕問題始終難以得到解決，如何讓彈簧正常工作，且能夠及時有效發現彈簧隱患，是問題的關鍵。

選材和用料。彈簧的用料極其關鍵，一定要選用不銹鋼標號合格的、倔強系數較高的材料，必要時，建議采取熱鍍鋅處理。

調整彈簧結構及數量。在保證隔離開關觸頭和觸指工作壓力和水平承載力的前提下，在觸指內側增加1根彈簧，使壓力分布在多個彈簧上，優化彈簧的工作環境。

調整螺栓結構。將觸指改為左右分別固定的方式，即每對觸指用2根螺栓分別固定，使螺栓不再成為電流經過的通道，同時將螺栓兩端加裝觸指緊固螺帽，便于檢修過程中針對彈簧性能差異進行調節，如圖5所示。

圖5 彈簧及螺栓結構調整

3.4 強化檢修的質量

隔離開關的檢修主要包括操作機構的清掃調整、傳動機構的檢查緊固以及觸頭部分的打磨潤滑，其中接觸部分的檢修質量將直接決定隔離開關運行狀態，因此，必須嚴格規范其檢修流程。

首先用細銼銼去接觸面的毛刺，并用砂紙將接觸面研磨平整；然后用去油劑除去表面上的油污，用細鋼絲刷除去表面氧化膜；再用干凈的棉紗蘸酒精將接觸面擦拭干凈；等表面干燥以后，先預涂0.05~ 0.1 mm厚的工業凡士林，將凡士林抹平，剛能覆蓋接觸面為宜，并用銅絲刷輕輕擦拭；然后除去膜層，擦拭表面、重新涂敷0.2 mm厚的工業凡士林。經過反復實踐和摸索，接觸面必須先認真處理，再涂敷工業凡士林。

實驗室中對多項指標進行測試，發現導電膏并非良導體，其中含有的多種雜質，對金屬接觸面存在不同程度的劃傷和氧化。為此經過反復的嘗試和摸索，最終發現了導電性能良好且雜質含量極少的工業凡士林作為替代物。事實證明，工業凡士林處理后的觸頭，實際運行中效果很好。

3.5 管理方法

嚴把安裝、交接關口。對于新的開關，由于運輸造成的彈簧、螺栓松動或長時間存放接觸面氧化等問題都可能導致其觸頭接觸電阻增大，因此在運輸、安裝、調試過程中應實施全面有效的控制。同時必須將直流電阻測試、絕緣測試以及大電流溫升測試納入交接試驗項目，妥善保存相應試驗數據，以供運行參考。

加強運行巡視監控。對變電運行單位來說，運行參數的準確完備是分析處理電網事故的重要依據。濟鋼各主降壓站根據運行要求，在站內建立了設備測溫記錄機制，每天3個班次，每班次4個時間點，根據巡視檢查的要求，為設備進行測溫，并且詳細記錄當天的天氣情況、室內外溫度、濕度、負荷情況等。通過長時間的分析對比，形成設備運行溫度、負荷比例圖譜，進而為調度的電網調整提供依據。

正確使用測溫儀和引進先進的測溫設備。目前常用的測溫方法有測溫蠟片和紅外測溫槍，通過觀察蠟片顏色及設備紅外圖譜可以有效掌握設備運行狀況。但上述兩種方法都存在一定局限性，在大型設備監測中使用較為不便，也無法實現實時溫度監測。引進紅外線熱成像儀代替測溫槍，裝設設備節點溫度在線監測系統［4］，不僅可以取代人工巡檢，還可以實時在線監測電氣節點發熱狀況，實施超限報警，防止和減少事故發生。

4 結語

對一起變電站隔離開關發熱熔斷故障進行分析處理，從結構設計、材質、觸頭接觸面積、彈簧老化、檢修等方面分析隔離開關發熱原因分析，并針對性提出處理及預防措施，同時提出了有效管理辦法。

［1］GB 1985—2004交流高壓隔離開關和接地開關標準［S］.

［2］李國兵，李培新.變電設備發熱缺陷的管理［J］.電力安全技術，2005，12（7）：33-35.

［3］陳家斌.電氣設備運行維護及故障處理［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［4］樊祥榮，侯善敬.電力設備故障紅外診斷［M］.北京：中國電力出版社，1999.

Analysis and Improvement of an Isolating Switch Heat Failure

Based on operation practice of substation equipments，a calorific fusing case of the isolating switch is analyzed. Causes of abnormal overheat of isolating switches and the contacts are discussed，and improvement measures are proposed.This will serve as reference for anti-accident measures in substations.

disconnecting switch；overheat；contact

TM564

：B

：1007－9904（2014）06－0049－04

2014-09-11

苗金鋒（1972），男，工程師，主要從事高壓電力設計工作；

杜鵬（1973），男，工程師，主要從事高壓電力系統檢修、運行工作；

楊海濤（1985），男，工程師，主要從事高壓電力系統檢修測試工作。