繼電保護(hù)柜接線端子安裝緊固扭矩試驗(yàn)研究

劉建軍，胡　鵬，張建國，李成鋼(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

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繼電保護(hù)柜接線端子安裝緊固扭矩試驗(yàn)研究

劉建軍，胡鵬，張建國，李成鋼
(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

摘要：針對繼電保護(hù)柜在現(xiàn)場安裝階段接線端子與導(dǎo)線連接緊固施工工藝沒有明確標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的現(xiàn)狀，依托南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程建設(shè)需求，試驗(yàn)研究了繼電保護(hù)控制柜上的普通和電流電壓2種端子及其配合導(dǎo)線連接組在不同緊固扭矩下的回路電阻、拉脫力、以及導(dǎo)線和端子緊固螺栓的受損情況，提出繼電保護(hù)柜接線端子安裝緊固扭矩工藝規(guī)范為：繼電保護(hù)柜上的接線端子必須采用扭矩螺絲刀進(jìn)行緊固安裝，而且扭矩螺絲刀的刀頭尺寸必須與螺栓的槽口尺寸相一致。繼電保護(hù)柜上普通端子的接線緊固扭矩值設(shè)置為0.5 N·m、電流電壓端子的接線緊固扭矩值設(shè)置為0.7 N·m為宜。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)柜；接線端子；緊固扭矩；試驗(yàn)研究

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中最為重要的二次設(shè)備之一[1]。隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，對繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對繼電保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)評價(jià)和可靠性分析技術(shù)做了大量深入的研究[2-6]，這些研究大都聚焦于控制系統(tǒng)或者控制裝置，對繼電保護(hù)柜在現(xiàn)場的安裝工藝涉及較少。而繼電保護(hù)柜在現(xiàn)場的安裝質(zhì)量，尤其是二次線接線端子的連接質(zhì)量直接影響著控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。目前繼電保護(hù)柜在現(xiàn)場安裝階段對于接線端子與導(dǎo)線的連接緊固工藝還沒有明確的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，安裝接線時(shí)以手工擰緊為主，緊固程度受人員、工具的影響較大，容易出現(xiàn)過松或過緊的情況，以往就曾發(fā)生過因接線端子與導(dǎo)線接觸不良導(dǎo)致繼電保護(hù)柜信號異常的情況。因此對接線端子確定科學(xué)合理的緊固工藝，可有效提高繼電保護(hù)柜的接線可靠性。

南京220 kV西環(huán)網(wǎng)是我國首個(gè)自主知識產(chǎn)權(quán)的統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）工程，通過應(yīng)用UPFC，不僅能夠有效控制電網(wǎng)潮流，提高現(xiàn)有電網(wǎng)的輸電能力，從而避免投資巨大、實(shí)施難度極大的城市電纜輸電通道建設(shè)，而且還能夠很好地適應(yīng)未來電網(wǎng)網(wǎng)架的變化。為了確保本項(xiàng)目繼電保護(hù)柜接線端子處導(dǎo)線接線的可靠性，避免因接線施工質(zhì)量造成的系統(tǒng)異常，本文結(jié)合工程建設(shè)實(shí)際，對接線端子的安裝緊固工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，通過拉脫力值、回路的直流電阻值以及導(dǎo)線和端子的受損情況分析了接線端子的壓緊程度及其影響，提出了接線的合理緊固扭矩值。

1　接線端子與導(dǎo)線連接結(jié)構(gòu)

南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程繼電保護(hù)柜采用PHOENIX CONTACT接線端子，型號有2種，一種是普通端子（Typ. UK5N），配合截面積為2.5 mm2的單股銅導(dǎo)線，另一種是電流電壓端子（Typ. URTK/S），配合面積為4.0 mm2的單股銅導(dǎo)線。2種端子與導(dǎo)線配合連接的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　接線端子板與導(dǎo)線連接方式

接線端子與導(dǎo)線采用螺栓壓緊的方式進(jìn)行連接，螺栓旋入緊固時(shí)，推動端子板上的金屬接觸件與導(dǎo)線壓緊，影響接線質(zhì)量的關(guān)鍵因素是接線端子緊固螺栓的壓緊力，而壓緊力由緊固螺栓的緊固扭矩和導(dǎo)線的硬度決定。導(dǎo)線被緊固螺栓壓緊后，壓緊程度可以用拉脫力來衡量。壓緊力越大，表現(xiàn)為導(dǎo)線從接線端子板內(nèi)拉脫所需的力值越大，而拉脫力可以通過拉伸試驗(yàn)機(jī)來測量，產(chǎn)生壓緊力的緊固扭矩可以通過扭矩螺絲刀來確定。壓緊程度同時(shí)也影響著端子導(dǎo)線之間的接觸狀況，接觸狀況的電氣性能反映為端子導(dǎo)線連接組的直流電阻。

導(dǎo)線和端子接觸件受緊固螺栓壓緊后，導(dǎo)線和端子接觸件會發(fā)生變形，壓緊力越大，變形越大，而且緊固扭矩過大也會造成緊固螺栓的螺牙以及頂帽受損，因此試驗(yàn)時(shí)也需要檢查導(dǎo)線、端子接觸件以及緊固螺栓的受損情況[7-9]。

緊固扭矩不足，會導(dǎo)致導(dǎo)線與接線端子之間的拉脫力過小，導(dǎo)線容易從端子中脫出，而且也會導(dǎo)致接觸電阻過大。緊固扭矩過大，會導(dǎo)致端子和導(dǎo)線受損。因此評價(jià)螺栓緊固質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)：（1）良好的電性能即是低而穩(wěn)定的電阻值；（2）良好的機(jī)械性能即是較高的拉力；（3）良好的物理性能即是合理的芯線和緊固件變形[10-12]。

2　試驗(yàn)方案

根據(jù)繼電保護(hù)柜的通用要求[13]，參考部分繼電保護(hù)柜制造廠家的技術(shù)文件，對2種類型接線端子與導(dǎo)線配合，通過預(yù)試驗(yàn)，從松到緊對普通端子確定了6種、對電流電壓端子確定了8種不同的緊固扭矩值，如表1所示。分別通過試驗(yàn)不同緊固扭矩下端子導(dǎo)線連接組的電氣性能（回路直流電阻）、拉脫力、以及端子和導(dǎo)線的損傷情況，分析緊固扭矩與端子導(dǎo)線連接狀況之間的關(guān)系。

表1　試驗(yàn)緊固扭矩值　N·m

試驗(yàn)中，緊固扭矩通過扭矩螺絲刀實(shí)現(xiàn)設(shè)定，拉脫力通過材料拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測量，回路直流電阻通過微電阻測量儀測量，端子和導(dǎo)線的損傷情況通過體視顯微鏡進(jìn)行分析。

3　試驗(yàn)研究

3.1緊固扭矩與導(dǎo)線端子連接組直流電阻的關(guān)系

將2種接線端子與相匹配的導(dǎo)線分別按表1所述的緊固扭矩連接后進(jìn)行回路直流電阻測量。測量結(jié)果如圖2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可見，接線端子與導(dǎo)線連接組的回路電阻，隨著緊固扭矩的增加呈現(xiàn)先快速減小再保持穩(wěn)定的趨勢。對于普通端子（見圖2（a）），緊固扭矩達(dá)到0.4 N·m以后，回路的直流電阻開始穩(wěn)定。而對于電流電壓端子，回路的直流電阻在扭矩達(dá)到0.5 N·m以后開始穩(wěn)定（見圖2（b））。隨著緊固扭矩的增加，2種端子配合組的直流電阻值均基本保持穩(wěn)定。

圖2　不同緊固扭矩下接線端子與導(dǎo)線連接組的回路電阻

3.2緊固扭矩與導(dǎo)線端子連接組拉脫力的關(guān)系

接線端子與導(dǎo)線緊固連接后，進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同緊固扭矩下接線端子與導(dǎo)線連接組的拉脫力

由圖3試驗(yàn)結(jié)果可見，2種端子與導(dǎo)線配合組的拉脫力均隨著緊固扭矩的增加而單調(diào)增加。其中普通端子導(dǎo)線連接組在回路直流電阻剛達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對應(yīng)緊固扭矩下的拉脫力為164 N，而電流電壓端子與導(dǎo)線配合組在回路直流電阻剛達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對應(yīng)緊固扭矩下的拉脫力為135 N。

為了保證端子與導(dǎo)線之間的連接強(qiáng)度，取螺栓連接的防滑系數(shù)為1.2[14]，得到端子與導(dǎo)線連接組的拉脫力參考保證值為200 N。由圖3可知，要達(dá)到200 N的拉脫力，普通端子導(dǎo)線連接組的緊固扭矩應(yīng)不小于0.45 N·m，電流電壓端子導(dǎo)線連接組的緊固扭矩應(yīng)不小于0.7 N·m。

3.3端子導(dǎo)線組合拉伸試驗(yàn)前后電阻變化情況

為了分析端子與導(dǎo)線連接組在受到外界拉力影響下的電氣性能變化規(guī)律，先將接線端子與導(dǎo)線緊固連接，進(jìn)行回路直流電阻的測量，隨后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行200 N恒定拉力保載1 min試驗(yàn)后再次測量回路直流電阻，對比分析端子導(dǎo)線組合拉伸試驗(yàn)前后電阻變化情況。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2種端子與導(dǎo)線配合組的回路直流電阻，在200 N恒定拉力試驗(yàn)前后，回路電阻值并無明顯變化，如表2所示。

表2　端子導(dǎo)線連接組恒定拉力試驗(yàn)前后回路電阻變化

3.4不同緊固扭矩下導(dǎo)線受損情況分析

將不同緊固扭矩下的導(dǎo)線受損情況在體視顯微鏡下觀察，分析壓緊后導(dǎo)線的受損情況。與普通端子配合的2.5 mm2導(dǎo)線受損形貌如圖4所示。與電流電壓端子配合的4.0 mm2導(dǎo)線受損形貌如圖5所示。

對與普通端子配合的2.5 mm2銅導(dǎo)線，當(dāng)緊固扭矩為0.5 N·m時(shí)，導(dǎo)線上開始出現(xiàn)明顯壓痕，隨著扭矩的增大，導(dǎo)線上的壓痕逐漸增大加深，當(dāng)扭矩達(dá)到0.7 N·m時(shí)，單獨(dú)的壓痕連成一體。壓痕的逐漸加大加深，說明端子連接件與導(dǎo)線之間相互嚙合程度逐漸增加，表現(xiàn)為拉脫力隨緊固扭矩的增加而增加。而與電流電壓端子配合的4.0 mm2銅導(dǎo)線，當(dāng)緊固扭矩為0.6 N·m時(shí)，導(dǎo)線上開始出現(xiàn)明顯可辨的壓痕，壓痕的面積和深度同樣隨扭矩的增加而增加。

圖4　與普通端子配合的2.5 mm2導(dǎo)線受損形貌

圖5　與電流電壓端子配合的4.0 mm2導(dǎo)線受損形貌

雖然2種導(dǎo)線在最大緊固扭矩下都出現(xiàn)較明顯的壓痕，但壓痕的最大深度均未超過0.25 mm。2.5 mm2銅導(dǎo)線D=1.72 mm，4.0 mm2銅導(dǎo)線D=2.20 mm，壓痕深度相對直徑而言很小，不會影響導(dǎo)線的強(qiáng)度，在拉伸試驗(yàn)時(shí)，所有的導(dǎo)線均未拉脫，未發(fā)生導(dǎo)線斷裂的情況，也說明了緊固壓痕不會影響導(dǎo)線強(qiáng)度。

3.5不同緊固扭矩下端子螺栓受損情況分析

（1）普通端子上的螺栓在不同緊固扭矩情況下的變形及損傷情況如圖6所示。

圖6　普通端子緊固螺栓受損形貌

對比分析可見，隨著緊固扭矩的增大，緊固螺栓上的一字槽變形受損情況逐漸明顯，當(dāng)扭矩達(dá)到0.6 N·m時(shí)，螺栓上的“一”字槽開始出現(xiàn)破口，扭矩增大到0.7 N·m時(shí)，“一”字槽槽口已明顯變形，出現(xiàn)“滑絲”的情況。

（2）電流電壓端子上的螺栓在不同緊固扭矩情況下的變形及損傷情況如圖7所示。

圖7　電流電壓端子緊固螺栓受損形貌

電流電壓端子上的緊固螺栓，在扭矩為0.7 N·m及以下時(shí)，螺栓上的“一”字槽不會明顯出現(xiàn)損傷，當(dāng)扭矩增大到0.8 N·m時(shí)，螺栓上的“一”字槽槽口才會出現(xiàn)明顯變形及滑絲情況。

3.6螺絲刀型式對緊固扭矩的影響

普通螺絲刀的手柄直徑有大有小，同一個(gè)人分別采用不同直徑手柄的普通螺絲刀用最大力度旋緊同一個(gè)接線端子和導(dǎo)線，均達(dá)到手工全緊的狀態(tài)，然后用扭矩螺絲刀校核其緊固扭矩大小，發(fā)現(xiàn)雖然都是手工全緊，但實(shí)際能達(dá)到的緊固扭矩受螺絲刀手柄直徑大小的影響很大，手柄直徑小的螺絲刀所能達(dá)到的全緊扭矩較小，手柄直徑大的螺絲刀所能達(dá)到的全緊扭矩較大。因此為了避免安裝時(shí)緊固扭矩的不確定性，出現(xiàn)安裝過松或過緊的情況，必須統(tǒng)一采用扭矩螺絲刀以確定的緊固扭矩值進(jìn)行安裝，而且為了防止因?yàn)槁萁z刀頭與螺釘頂帽槽口不匹配造成槽口損傷滑絲，緊固所用的扭矩螺絲刀的刀頭尺寸必須與緊固螺釘?shù)牟劭趯挾纫恢隆?/p>

4　結(jié)束語

本文針對南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程繼電保護(hù)柜中所采用的普通端子和電流電壓端子的接線緊固工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）繼電保護(hù)柜上的接線端子必須采用扭矩螺絲刀進(jìn)行緊固安裝，而且扭矩螺絲刀的刀頭尺寸必須與螺栓的槽口尺寸相一致。

（2）繼電保護(hù)柜上普通端子的接線緊固扭矩值設(shè)置為0.5 N·m、電流電壓端子的接線緊固扭矩值設(shè)置為0.7 N·m為宜。

繼電保護(hù)柜接線端子的安裝質(zhì)量是繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，如果繼電保護(hù)柜接線端子安裝不到位，將影響整個(gè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文的研究結(jié)果不僅為依托的工程建設(shè)項(xiàng)目提供了技術(shù)規(guī)范并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，同時(shí)也可作為同類型繼電保護(hù)柜端子的現(xiàn)場接線安裝工藝參考。

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劉建軍（1979），男，甘肅天水人，高級工程師，從事電力設(shè)備材料性能分析及狀態(tài)評價(jià)專業(yè)工作；

胡鵬（1989），男，安徽安慶人，碩士研究生，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和狀態(tài)評價(jià)專業(yè)工作；

張建國（1971），男，江蘇江陰人，高級工程師，從事電力設(shè)備材料性能分析及狀態(tài)評價(jià)專業(yè)工作；

李成鋼（1984），男，浙江紹興人，工程師，從事電力設(shè)備材料性能分析及狀態(tài)評價(jià)專業(yè)工作。

Experimental Study on Fastening Torque of Terminal Block Screws in Relay Protection Cabinet

LIU Jianjun，HU Peng，ZHANG Jianguo，LI Chenggang
(Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjin g 211103, China)

Abstract：There is no clear technical standard for the connecting and fastening terminal blocks and wires of relay cabinets in substation. To satisfy the construction demand of Nanjing UPFC project, experimental study on terminals and matched wires group in the relay protection control cabinet are carried through comparative analysis on loop resistance, pull off force, damage morphology of wires and fastening bolt in different fastening torque condition. The following conclusions are obtained through the study. The terminal of the relay protection cabinet must be installed with a torque screwdriver, and the cutter head size of torque screwdriver must be consistent with the size of the bolt slot. The connection fastening torque should be set to 0.5N·m for the general terminal block, and 0.7 N·m for the current voltage terminal block in relay protection cabinets.

Key words：relay protection cabinet; terminal block; fastening torque; experimental study

作者簡介：

收稿日期：2015-11-21；修回日期：2015-12-30

中圖分類號：TM05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）02-0079-05