GW6B-252型隔離開關觸頭溫升與接觸狀態關系研究

李玉杰, 李洪濤, 高 山,騰 云, 和彥淼, 劉 通

( 1. 國家電網公司GIS設備運維檢修技術實驗室(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院)，江蘇 南京 211103；2. 中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

高壓隔離開關是電網中使用最廣泛、使用量最大的高壓開關設備，通常是高壓斷路器使用數量的2～4倍[1]。在電網運行過程中，隔離開關接觸面不潔凈、觸頭燒蝕、機械變形松動等都可能導致接觸條件惡化，接觸電阻增大，造成接觸點溫度變高，接觸面氧化加快，使局部熔焊或接觸變形松動處產生電弧，最終導致電氣設備的損毀甚至停電等重大電氣事故[2]。在變電站電氣設備的運行中，實時在線監測觸頭升溫具有重大意義，可通過電氣設備的溫度信息直接判斷其是否處在正常運行狀態[3]。

高壓隔離開關工作可靠性與觸頭溫升有著密切聯系，觸頭溫升嚴重影響其安全工作性能和觸頭壽命。因此，對隔離開關觸頭溫度進行實時監測，是保證高壓隔離開關安全運行的重要手段，對于提高設備運行的安全性，及時發現事故隱患、預防事故發生具有重要的意義[4-5]。文中通過研究GW6B-252型隔離開關不同觸頭接觸狀態與接觸電阻及最大溫升的關系，得到不同隔離開關缺陷對觸頭溫升的影響嚴重程度，并指導檢修人員對隔離開關發熱缺陷進行判斷與處理。

1 隔離開關觸頭常見發熱缺陷原因

高壓隔離開關在高電壓、大電流狀態下運行，其工作可靠性與觸頭溫升聯系密切[6]。GW6B-252型隔離開關運行觸頭過熱可能有以下原因：

(1) 合閘不到位，電流通過的截面大大縮小，導致接觸電阻增大，產生很大的斥力，彈簧壓力減小，使壓縮彈簧或螺絲松弛，接觸電阻增大而過熱。

(2) 觸頭緊固件松動，刀片或刀嘴的彈簧銹蝕或過熱，使彈簧壓力降低;或操作時用力不當，使接觸位置不正，導致觸頭壓力降低，觸頭接觸電阻增大而過熱。

(3) 刀口合得不嚴，使觸頭表面氧化、臟污;拉合過程中觸頭被電弧燒傷，各連動部件磨損或變形等，均會使觸頭接觸不良，接觸電阻增大而過熱。

(4) 隔離開關過負荷，引起觸頭過熱，在電網運行過程中，以上機械振動、觸頭燒蝕等原因都可能使接觸條件惡化，接觸電阻增加，引起接觸點溫度升高，加劇接觸表面氧化，導致局部熔焊或接觸松動處產生電弧放電，最終造成電氣設備的損壞甚至停電等重大事故[7-9]。

2 隔離開關觸頭接觸電阻與溫升試驗

為探究隔離開關觸頭不同狀態與觸頭接觸電阻和最大溫升的關系，針對隔離開關的常見過熱缺陷類型，文中搭建隔離開關溫升試驗平臺對GW6B-252型隔離開關進行溫升試驗，分別測試不同觸頭接觸狀態下接觸電阻和不同電流條件下的觸頭溫升狀態。

試驗利用大電流試驗裝置對GW6B-252型隔離開關加載大電流并測量其觸頭溫升與接觸電阻。隔離開關觸頭接觸電阻采用高精度回路電阻測試儀進行測試，隔離開關觸頭壓力采用隔離開關觸指壓力智能檢測儀進行測試。

采用熱電偶測溫儀測量隔離開關觸頭溫度，試驗前需先對測溫儀進行溫度校驗，并檢查隔離開關處于完全合閘狀態；在試驗過程中每隔10 min記錄下測量點溫度值，直到30 min內溫升不超過0.5 ℃時結束試驗；在試驗前后分別測量隔離開關的接觸電阻并記錄數值[10]。

溫升試驗參照GW6B-252型隔離開關實際運行中可能出現的故障缺陷類型進行模擬，觸指鍍層材料不同模擬的是隔離開關因長時間多次閉合導致的鍍層材料脫落[11]；接觸壓力不同模擬的是隔離開關因夾緊力不足造成的接觸不良缺陷；動靜觸頭表面污穢模擬的是實際運行中出現的表面污穢缺陷；蝕點模擬的是母線隔離開關因為開合閘過程中發生放電，引起的電弧造成的蝕點；不同的電流模擬的是實際運行中負載不同時，GW6B-252型隔離開關的運行狀況[12]。為更好地研究隔離開關觸頭溫度分布情況，在GW6B-252型隔離開關的動靜觸頭上布置了6至8個溫度監測點，布置如圖1所示，其中1—5為測溫點。

圖1 試驗測溫傳感器布置示意圖Fig.1 Location schematic diagram of temperature monitoring

3 隔離開關觸頭接觸狀態對接觸電阻的影響

對4種常見影響GW6B-252型隔離開關觸頭接觸電阻與運行溫度的因素排列組合后進行接觸電阻測量和溫升試驗[13]。表1為不同缺陷條件下接觸電阻的數值。

表1 不同觸頭接觸狀態與接觸電阻的關系Tab.1 The relationship between contact resistance and contact state

序號接觸壓力/N觸頭材質表面質量表面污穢接觸電阻/μΩ202271421鍍硬質銀正常正常2160020205824400.1 mm污穢642610鍍硬質銀正常422083174380.2 mm污穢2926172763403鍍硬質銀1對點蝕正常212對點蝕23203一側鍍41432銀,一側314605裸銅正常正常2920145421裸銅3460531

經過接觸電阻測量發現：GW6B-252型隔離開關接觸電阻隨接觸壓力、觸頭材質、觸頭表面質量和觸頭表面污穢程度的變化數值可知，表面污穢對隔離開關觸頭接觸電阻影響最大，其次是觸頭接觸壓力，觸頭材質對接觸電阻也有一定影響，隔離開關觸頭蝕點對隔離開關觸頭接觸電阻影響最小。

4 不同接觸條件對隔離開關觸頭溫升影響

設置GW6B-252型隔離開關觸頭接觸狀態，并開展不同GW6B-252型隔離開關觸頭接觸狀態條件下的大電流試驗，在相同電流條件下對表1中不同隔離開關觸頭接觸狀態進行觸頭溫度監測。

4.1 接觸壓力對觸頭溫升影響

圖2為不同接觸壓力下觸頭最高溫度隨時間的變化曲線。在夾緊力為400～600 N時，接觸電阻變化不明顯，熱點的穩態溫升也幾乎沒有變化，從25.8 ℃變化為26.3 ℃。夾緊力變為200 N附近時，溫升有了一定的提高，溫升變為29.1 ℃。通過結合接觸電阻可知，夾緊力為400～600 N區間為GW6B-252型隔離開關的夾緊力良好區間，在此區間接觸電阻以及溫升幾乎沒有變化。當夾緊力下降至200 N附近時，由于夾緊力影響了動靜觸頭接觸面積，接觸面積變小進而導致接觸電阻明顯變大，進而導致溫度有更大的提升。

因此當GW6B-252型隔離開關觸頭表面狀態良好時，若實際運行中觸頭接觸壓力盡量在400 N以上，GW6B-252型隔離開關可在正常電流工況下安全可靠運行。

圖2 不同接觸壓力下觸頭最高溫度隨時間變化曲線Fig.2 The temperature of contact on the condition of different clamping force

4.2 負載電流對觸頭溫升影響

為探究隔離開關觸頭溫升隨負載電流的變化關系，文中設置GW6B-252型隔離開關動觸頭鍍層材料均為鍍硬質銀材料，動靜觸頭的接觸壓力為202 N，動靜觸頭表面狀態良好無污穢和蝕點，將大電流發生器分別設置為500 A，1000 A，1500 A，2000 A和2500 A 5個等級，開展溫升試驗并監測隔離開關觸頭溫度變化。

經試驗測得，溫升試驗前后隔離開關觸頭接觸電阻分別為27 μΩ和28 μΩ，不同負載電流對應的熱點的穩態溫升如圖3所示。由圖可知，隨著負載電流的增加，GW6B-252型隔離開關觸頭的溫度也有所增加。溫升曲線的斜率隨電流增大而增大[14]。這是由于發熱功率與電流的平方成正比，負載電流對熱點的穩態溫升有著顯著的影響。但熱點溫升并未與電流成平方的關系，是因為隨著電流的增大，熱點的發熱功率也會隨之成平方倍增大，但隨著功率的增大溫度的升高，觸頭表面對流作用和熱點與周圍的溫度差變大，使得對流散熱與熱傳導散熱的功率不斷增大，使得觸頭發熱點的溫度小于其功率隨電流的增長速度，使溫度上升曲線介于線性增加與平方關系增加之間。

圖3 觸頭最高溫度隨負載電流變化曲線Fig.3 The relationship of the temperature of contact and load current

4.3 接觸壓力與污穢程度對觸頭溫升影響

向GW6B-252型隔離開關動靜觸頭處撒干粉塵，使動觸頭污穢最大厚度介于0.05～0.1 mm，即輕度污穢狀態。向動靜觸頭連接處播撒濕粉塵，污穢最大厚度介于0.15～0.2 mm，即重度污穢狀態。經前期試驗測得，在輕度污穢的狀態下，夾緊力為205 N，440 N，610 N時，隔離開關的接觸電阻分別為82 μΩ，64 μΩ，42 μΩ，在這3組夾緊力的情況下進行溫升試驗，得到了穩態情況下熱點的溫升以及隔離開關的溫度分布情況。在重度污穢的狀態下，夾緊力為203 N，438 N，617 N時，GW6B-252型隔離開關的接觸電阻分別為317 μΩ，292 μΩ，276 μΩ，在這3組夾緊力的情況下進行溫升試驗，得到了在穩態情況下熱點溫升以及隔離開關溫度分布情況。不同污穢程度、不同夾緊力對應的熱點的穩態溫升情況如表2所示。

表2 GW6B-252型隔離開關觸頭最高溫度隨夾緊力與污穢程度變化關系Tab.2 The relationship between the temperature of contact, clamping force and contamination ℃

由表2可知，存在污穢缺陷時，熱點溫升有顯著提高。相較于前文中所述的表面狀態正常情況下接觸壓力對溫升的影響，可看出，存在污穢缺陷時，接觸壓力對熱點的溫升影響更加劇烈。不存在污穢狀態時，接觸壓力400～450 N，溫升基本保持不變。但是表面存在污穢時，200～600 N區間，熱點溫度有顯著的變化。而且可以明顯看出，同一個接觸壓力情況下，不同的污穢狀態對熱點的溫升也有著顯著的影響。接觸狀態最差的情況(接觸壓力203 N，污穢狀態為重度污穢)熱點的溫升到達了73.7 ℃，相較于正常情況的溫升26 ℃提高了47.7 ℃。由此可見，觸頭表面污穢對隔離開關穩態的溫升有著顯著的影響，且有污穢存在時，接觸壓力對GW6B-252型隔離開關觸頭溫升的影響幅度也會增大。

4.4 觸頭接觸壓力及觸頭材質對觸頭溫升分布影響

為研究GW6B-252型隔離開關觸頭壓力及材質對觸頭溫升的影響，分別對動觸頭兩側鍍銀和單側鍍銀情況下的最大溫升進行對比試驗，對單側鍍銀模型進行不同接觸壓力條件下的溫升對比試驗，經過隔離開關觸頭壓力測試儀檢測，三種狀態下接觸壓力分別為605 N，432 N和203 N，GW6B-252型隔離開關觸頭溫升隨時間的變化規律如圖4所示。

圖4 不同鍍層材料、不同壓力下觸頭溫升曲線Fig.4 The relationship between the temperature of contact and clamping force with coating material of contact

由圖4可知，動觸頭材質一側由鍍銀觸指換為裸銅觸指時，熱點的溫升變大。隨著接觸壓力逐漸變小，熱點溫升進一步上升。在接觸壓力為203 N時，熱點溫升達30.8 ℃；在接觸壓力為432 N時，熱點溫升為32.3 ℃；在接觸壓力為601 N時，熱點的溫升為36.3 ℃。在正常的雙側觸指鍍銀的情況下，熱點的溫升僅為26.3 ℃，將一側觸指換為裸銅時，接觸電阻與溫升都有小幅度的提升，這是因為銅的電導率低于銀的電導率，致使局部接觸電阻增加，進而引起異常發熱。在溫度場分布方面，不同位置點的穩態溫升如表3所示。

表3 隔離開關不同位置穩態溫升Tab.3 Steady temperature rising on different positions of isolation switch ℃

由表3可知，動靜觸頭1,3,4點的溫升情況相差不大，熱點的溫度越高，溫度最高與最低值相差越大。在同一組實驗中可知，靜觸頭上下兩側的溫升基本相同，上方的溫升略高于下方的溫升，這是由于觸頭周圍空氣對流，熱空氣向上運動，靜觸頭上方的溫度要略高于靜觸頭下方的溫度值[15]。

但是相較于雙側動觸頭鍍銀實驗得到的溫度分布可以發現，2點(銀觸指側)與7點(銅觸指側)的溫度也有所差異，銀觸指的溫度要明顯高于銅觸指溫度，這是由于銅銀兩個觸指是并聯狀態，銅側的接觸電阻大的觸指分到的電流小，發熱的功率又與電流的平方成正比例關系，因此銅觸指側相對應的發熱情況比較弱，也導致了在溫度分布上出現了銀觸指的溫度要明顯高于銅觸指溫度。

通過溫度分布規律可知，接觸電阻小的一側觸指的溫升更高。若現場測溫時發現單側觸頭的溫升過高，可推測出隔離開關另一側可能出現觸頭接觸不良等故障。

5 結論

GW6B-252型隔離開關溫升試驗對不同觸頭接觸狀態下隔離開關觸頭的最高溫升和溫升分布及觸頭接觸電阻等參數進行測量，最終得到觸頭溫升和接觸電阻受不同缺陷條件影響的大小關系，得到以下結論：

(1) 表面污穢對GW6B-252型隔離開關觸頭接觸電阻和觸頭溫升影響最大，其次是觸頭接觸壓力，觸頭材質對接觸電阻有一定影響，隔離開關觸頭質量(蝕點)對隔離開關觸頭接觸電阻影響最小。

(2) GW6B-252型隔離開關觸頭溫升隨負載電流增大而增大，但電流的增大溫度的升高，觸頭表面對流作用和熱點與周圍的溫度差變大，使得對流散熱與熱傳導散熱的功率不斷增大，最終使觸頭溫度小于其功率隨電流的增長速度，因此觸頭溫升曲線介于線性增加與平方關系增加之間。

(3) GW6B-252型隔離開關觸頭表面污穢對隔離開關穩態的溫升有著顯著的影響，且有污穢存在時，接觸壓力對溫升的影響幅度也會增大。

(4) 當GW6B-252型隔離開關兩側觸頭接觸條件不一致時，接觸條件好的一側觸指的溫升更高。若現場測溫時發現單側觸頭的溫升過高時，可推測出時另一側可能出現觸頭接觸不良等故障。