礦用高壓配電裝置隔離觸頭優化設計

郭 波

（1.山西潞安煤炭技術裝備有限責任公司，山西 長治 046000；2.山西潞安安易電氣有限公司，山西 長治 046000）

目前大型礦井礦用高壓配電裝置參數額定電壓10 kV、額定電流為800 A 甚至1 250 A，較相同規格的地面成套設備，為適應井下狹窄空間安裝和防爆密封要求，該裝置內部電器元件的絕緣條件、散熱條件等更加惡劣，處于一次導電環節上的動靜觸頭連接處出現隱患及故障的次數以及危害程度也是最嚴重的。 礦用高壓配電裝置出現的隱患和故障主要是一次導電環節上的動靜觸頭處的放電、局部發熱及絕緣隱患，導致對地、相間絕緣破壞，發生接地、短路故障，甚至產生觸頭熔焊、拉弧燒毀絕緣器件和防爆外殼的重大安全事故[1-3]。雖然針對以上安全隱患，許多設備廠家在觸頭結合部位增加了視頻監控及溫度監控等智能化裝置，但是都屬于事故預警，不具備礦井本質安全的要求。因此，針對礦用高壓配電裝置的隔離動靜觸頭從結構設計、工藝制造及檢驗方法等方面進行優化，實現礦井供電本質安全的要求。

1 礦用高壓配電裝置隔離觸頭結構

礦用高壓配電裝置隔離觸頭示意圖如圖1。目前礦用高壓配電裝置內隔離開關不是傳統意義上刀閘開關，而是通過斷路器上安裝的進線和出線動觸頭（統稱動觸頭）與腔體隔板上安裝的梅花靜觸頭之間的插入與拔出實現合閘和分閘功能，斷路器連桿機構旋轉帶動斷路器進退運動實現上述功能。

圖1 礦用高壓配電裝置隔離觸頭示意圖Fig.1 Diagram of isolation contact of mine-used high voltage distribution device

1.1 隔離觸頭結構

礦用高壓配電裝置動靜觸頭接觸后，通過電流溫度升高，動靜觸頭接觸點因接觸電阻原因會產生的較高熱量，隨著溫度升高會造成觸頭之間的熔焊加劇和絕緣套管的老化。因此減小觸頭之間的接觸電阻對于動靜觸頭安全可靠接觸運行有十分重要的意義。接觸電阻的經驗公式[4]為：

式中：RC為觸頭的接觸電阻；m 為與接觸形式有關的指數，點接觸0.5、線接觸0.7、面接觸1.2；KC為與觸頭材料、接觸面加工及表面狀況有關的系數；FC為接觸壓力。

因此，要保證動靜觸頭接觸良好，關鍵在于接觸面積和接觸壓力足夠。往往由于動靜觸頭本身的制造精度以及隔爆外殼的焊接精度造成隔離動靜觸頭配合偏差過大影響接觸面積和接觸壓力造成過度發熱。動靜觸頭示意圖如圖2。

圖2 動靜觸頭示意圖Fig.2 Diagrams of active and static contactor

礦用高壓配電裝置梅花靜觸頭位置精度取決于腔體隔板上開孔精度，動觸頭的安裝位置精度取決于斷路器真空管上下導電排位置以及導電桿的加工精度。靜觸頭和動觸頭各自通過激光切割開孔、車床加工保證其位置精度，但是兩者之間的配合精度較難保證，由于殼體防爆功能要求采用鋼板焊接，較成套設備的數控冷壓鍍鋅板而言，焊接誤差較大，斷路器的鋼板底座平面度、拉桿長度尺寸精度等均影響動靜觸頭之間的配合。如圖2，斷路器小車通過拉桿機構合閘時，動觸頭導電桿過長會有振動和撞擊，動靜觸頭的配合誤差使得較設計理想狀態實際配合會出現1 個θ 角度，接觸面積和接觸壓力發生變化，接觸電阻增大導致接觸點過度發熱。

1.2 靜觸頭焊接裝夾工裝和動觸頭裝檢具

1）靜觸頭焊接裝夾工裝。動靜觸頭的配合安裝精度主要受隔爆外殼的底板及其拉桿固定塊、腔體隔板等相關部件的焊接精度影響，那么控制上述尺寸的焊接精度依靠靜觸頭焊接裝夾工裝效果明顯。靜觸頭焊接裝夾工裝示意圖如圖3。靜觸頭安裝在腔體隔板上的穿墻套管內，穿墻套管支座的焊接位置精度決定靜觸頭的位置精度。工裝模擬斷路器小車進入殼體內部，依靠定位銷固定，穿墻套管支座在腔體隔板6 個開孔的焊接精度靠工裝的6 個定位軸保證，最終實現斷路器動觸頭與靜觸頭的精密配合，此外隔離觸頭焊接裝夾工裝可以確保每臺殼體靜觸頭位置的一致性，使得殼體具有互換性。

圖3 靜觸頭焊接裝夾工裝示意圖Fig.3 Diagram of static contact welding clamping tool

2）動觸頭裝檢具。動觸頭裝檢具示意圖如圖4。斷路器小車上安裝上下導電桿構成動觸頭，上下導電桿的位置尺寸A 和B 依靠裝檢具控制。工人安裝導電桿時，斷路器小車放置在裝檢具平臺上，然后將導電桿穿過定位軸套安裝保證位置精度。此外，定位軸套和導電桿之間采用間隙配合，配合公差為0.3 mm，檢驗人員可以將裝配完成的斷路器用該裝置進行檢驗保證其精度[5-6]。

圖4 動觸頭裝檢具示意圖Fig.4 Diagram of active contact assembly and inspection tool

總之，利用靜觸頭焊接裝夾工裝保證殼體靜觸頭位置精度，利用動觸頭裝檢具保證動觸頭的裝配進度，最終確保動靜觸頭的配合精度以及互換性。

2 礦用高壓配電裝置穿墻套管安裝

2.1 減少三相穿墻套管渦流方法

礦用高壓配電裝置靜觸頭安裝在穿墻套管內部，穿墻套管通過壓板固定在腔體隔板上，三相穿墻套管三相固定并排安裝在腔體隔板上，目前腔體隔板材質選用焊接性能優良的Q235 鋼材，其為高導磁、低電阻材料，給渦流提供了通路，動靜觸頭結合導電時會在腔體隔板上產生渦流，導致其發熱，在具有密封要求的隔爆殼體內會加速穿墻套管等絕緣件老化和導電桿表面氧化，出現放電、短路等安全隱患[7]。磁場分析示意圖如圖5。如圖5，當A 相與B 相、C相的電流方向相反時，A 相與B 相之間的鋼板上為三相磁感應強度疊加之和最強。因此三相電流不斷變化，A、B、C 相之間總是存在最強磁感應強度。

圖5 磁場分析示意圖Fig.5 Diagram of magnetic field analysis

一般要求600 A 及以上母線穿墻套管端部的金屬夾板（緊固件除外）應采用非磁性材料，并且為防止渦流造成的嚴重發熱，其固定鋼板應開槽或銅焊，使之不構成閉合磁路[8]。減少A、B 相與B、C 相之間金屬板的渦流損耗方法為：①在A、B 相與B、C 相之間的金屬板上開2 mm 以上的空氣槽的方法解決，但是這種方法適合在地面成套設備，井下防爆設備開槽影響腔體之間的防爆結構及強度；②在開空氣槽處補焊非導磁材料不銹鋼、銅等材料，但是異種材料焊接性能較差，容易造成漏焊產生隔爆腔體之間的聯通孔影響隔爆性能和強度。

2.2 三相穿墻套管非導磁安裝結構

對高壓配電裝置腔體隔板上三相導電桿安裝處開孔，假設三相交流電完全平衡，則A、B、C 三相電流向量在相位上互差120°，那么三相電流矢量之和為0，因此當三相電流從同一孔中穿過腔體隔板開孔區時，由于金屬板過孔中三相電流矢量之和為0，三相電流在鐵磁金屬板中的磁感應強度矢量之和也為0，因此三相磁通矢量之和為0，鐵磁金屬板中無渦流損耗。穿墻套管安裝方式如圖6。

圖6 穿墻套管安裝方式Fig.6 Installation method of wall bushing

如圖6，腔體隔板開孔處通過螺栓緊固安裝1 塊穿墻套管支撐板，三相穿墻套管通過穿墻套管壓板和螺栓緊固安裝在穿墻套管支撐板上。穿墻套管支撐板材料為非導磁材料奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。

開孔設計解決了渦流問題，但是腔體隔板兩側為本體腔、進線腔、出線腔，需要保證各腔體之間的隔爆性能，因此用穿墻套管支撐板與腔體隔板組成隔爆接合面，接合面參數為：寬度50 mm，有效長度17 mm，間隙0.2 mm；穿墻套管支撐板與穿墻套管組成隔爆接合面，接合面參數為：寬度15 mm，間隙0.2 mm。穿墻套管支撐板結構設計完全解決了渦流問題和腔體間隔爆問題[9]。

3 礦用高壓配電裝置靜觸頭

梅花靜觸頭和靜觸頭導電桿活頁鏈接構成靜觸頭，并安裝在穿墻套管內部，梅花靜觸頭相對于靜觸頭導電桿可以在圓周方向有一定余量的擺動具有隨動性，方便與動觸頭碰撞配合。梅花觸頭作為動靜觸頭配合的中間件，是動靜觸頭配合的關鍵。梅花靜觸頭如圖7。

圖7 梅花靜觸頭Fig.7 Plum blossom static contact

梅花靜觸頭與動觸頭之間的接觸嚙合對接觸電阻的影響很大，接觸電阻對于礦用高壓配電裝置的溫升和故障電流沖擊時的動穩定性能有重大影響。而決定接觸電阻的因素有觸片及彈簧的材料、觸片的表面狀況、彈簧緊箍觸片產生的接觸壓力、材料硬度和材料電阻率、觸頭構造等方面。

3.1 觸片設計要求

設計要求如下:

1）觸片通過與動導電桿碰撞后接觸完成大電流導電，因此觸片材料的選擇考慮其導電率以及滿足碰撞要求的材料硬度，一般采用純紫銅為梅花觸頭主體。

2）為提高觸片的導電性能及抗氧化性，其表面應該當鍍銀。鍍銀層厚度低影響其導電性，導致觸頭發熱、燒毀提前報廢，鍍銀層硬度低影響觸頭耐磨性同樣其導電性及使用壽命。因此，開關設備導電回路上主觸頭鍍銀層厚度不小于0.02 mm、硬度不小于120 HV[10]。

3.2 彈簧設計檢驗要求

1）彈簧材料。緊箍觸片為觸片和導電桿之間的接觸提供壓力，防止接觸不良導致觸頭過熱，保證接觸電阻越小越好。但是，彈簧不參與觸頭導電，為減少大電流的渦流損耗的問題，應使用不銹鋼無磁材料。如果采用導磁材料將在彈簧中產生渦流而發熱，造成彈簧逐漸退火，緊箍力越來越小，接觸電阻越來越大，從而導致觸頭發熱或燒損。

2）彈簧材料緊箍力。接觸壓力越大，接觸電阻越小，發熱越小，但是動靜觸頭嚙合過程是碰撞的過程，過大的接觸壓力造成觸頭振動變形、觸頭表面鍍層脫落、增大合分閘的操作力等弊端，所以觸頭壓力也不應過大，而應控制在1 個合適的范圍內。因此，需要進行裝配前的插拔力測試間接檢驗彈簧的性能，梅花觸頭插拔力值表見表1。

表1 梅花觸頭插拔力值Table 1 Insertion and withdrawal force of plum blossom contact

3）規范回路電阻測試方法。回路電阻測試主要用來判斷接觸面、動靜觸頭嚙合接觸等難以用肉眼判斷其接觸可靠性而采用的產品出廠檢驗手段，對于電氣產品一次回路上觸頭嚙合和母線安裝質量具有重要意義。但是檢驗人員不熟悉操作規程，將測試線夾夾住彈簧，彈簧作為高阻材料，通過直流電后，彈簧發熱冷卻后退火，嚴重影響彈簧的緊箍力，彈簧性能降低將嚴重影響觸頭接觸壓力，造成觸頭間接觸不良、發熱，導致觸頭拉弧甚至燒毀等安全事故。因此，檢驗部門應當嚴格規范回路電阻測試規程。

4）使用記憶合金材料提高彈簧的緊箍力。記憶合金是一種具有形狀記憶效應的新型多功能材料，鎳-鈦記憶合金為目前廣泛使用的合金材料。梅花觸頭上彈簧，一方面長期運行導致彈簧老化松弛，接觸電阻增大，引起觸頭發熱異常；另一方面，斷路器在進車退車過程中，可能出現動觸頭與梅花觸頭因裝配工藝產生接觸偏差，造成接觸電阻增大，引起觸頭發熱異常。記憶合金彈簧感應溫度變化，迅速收縮，增大梅花觸頭的接觸壓力及接觸面積，較小接觸電阻，進而降低觸頭處溫升，提高隔離觸頭運行的安全可靠性，避免因觸頭發熱異常引起溫升故障；記憶合金彈簧回復力與溫度成正相關關系，溫度升高壓力值變大，接觸電阻減小[11]。

4 結 語

高壓配電裝置隔離觸頭長期承受高電壓、大電流，是供電系統環節上隱患最多、事故影響最大的關鍵部位。隔離觸頭工裝設計、腔體防渦流設計、梅花觸頭觸片和彈簧的工藝要求及記憶合金新材料的使用等優化手段，從根本上杜絕了因隔離觸頭接觸不良、觸頭發熱等問題引起絕緣下降進而導致出現放電、觸頭拉弧甚至設備著火的重大安全事故。