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某660 MW机组火电厂断路器梅花触头热故障机制分析

2024-11-12 76 上传者：管理员

摘要：某660 MW机组运行中，部分断路器梅花触头存在温度异常升高、发出异常声响的故障现象，严重威胁设备安全运行。鉴于此，详细阐述了断路器梅花触头热故障的主要原因。经分析可知，断路器梅花触头间的接触电阻异常增大以及电弧放热是导致故障发生的根本因素。为此，提出了一系列有针对性的改进和预防措施，以避免类似故障再次发生，确保机组安全、稳定运行。

关键词：
660 MW机组
压紧弹簧
断路器
梅花触头发热
电力系统
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断路器在长期运行状态下，其梅花触头会因电流及环境温度的波动出现过热现象[1-2]，这种现象会导致触头接触电阻增加，造成触头烧蚀乃至整个断路器失效，该问题不仅影响断路器的正常运作，更可能引发电力系统的重大故障[3]。目前，针对断路器梅花触头热故障的研究主要集中在故障的诊断及预防上，侧重于对故障现象的表层描述和基础故障应对方法研究，缺乏针对热故障机制的深入分析[4-5]。

因此，研究断路器梅花触头热故障的形成机理，揭示其背后的物理、化学过程，对于提升断路器的运行可靠性、延长其使用寿命具有重要意义。本文基于某660 MW机组火电厂中断路器梅花触头热故障的具体案例，分析了热故障的形成机制，提出了故障预防与处理措施，为断路器的设计优化和维护工作提供了技术支撑。

1、梅花触头热故障的原因

1.1静触头与母排接触不良

在梅花触头发热缺陷的成因中，静触头和母排接触不良是最为普遍的现象，也最具危害性。造成静触头和母排接触不良的主要原因可以归纳为以下三个方面：1）连接方式。单螺栓连接方式可靠性差，容易发生松动。在10 k V母线的应用场景中，因母线较长，当经历热胀冷缩时，与之相连的分支排会被拉伸，分支排在承受力的作用后，会反过来拉扯静触头，静触头仅通过单个螺栓进行固定，如图1(a）所示，极易出现松动，出现发热问题。2）接触面积。一些制造商为了简化安装过程，在用于固定静触头的母排上开凿了较大的腰圆形孔洞，如图1(b）所示，这样的设计严重减少了静触头与母排之间的接触面积，增加了接触电阻，最终导致发热故障的发生。3）连接面的接触质量。国内许多制造商对动静触头连接面的接触质量缺乏足够的重视，不管是使用铝排还是铜排，在触头连接处均会存在不平整的问题，如图1(c）所示，导致连接面的接触率不高，接触电阻增大，引发发热故障。

基于上述三方面的分析，必须采取相应措施，改进断路器静触头与母排的连接方式，提高接触面积和接触质量，以降低故障风险。

图1 静触头与母排接触不良

1.2触头压紧弹簧缺陷

断路器梅花触头内的压紧弹簧提供动、静触头之间的压紧力，一旦压紧弹簧出现缺陷，动、静触头间的压力就会减小或变得不均匀，直接影响触头的接触电阻。随着压力的减小，接触电阻会增大，增大的接触电阻会进一步加剧触头发热，造成故障恶化。

该电厂发生的断路器梅花触头发热故障中，最近的一起为断路器触头压紧弹簧存在缺陷所致。导致压紧弹簧出现缺陷的因素众多，其中主要有材料质量不佳、电阻试验不规范、安装和拆卸过程中出现错误操作等。这些因素的存在，使得压紧弹簧的工作性能下降，无法提供稳定的压紧力，导致故障的发生。

1）材料质量不佳。

在制造触头压紧弹簧时，通常会优先选择无磁性铬锰镍不锈钢材料，通过引入Mn（锰）和N（氮）元素来替代部分Ni（镍）元素，既保持了优异的力学性能，又提升了经济效益。锰元素所带来的固溶强化效果比镍元素更为显著，这无疑增强了锰钢的机械性能。然而，锰元素在促进钢的钝化过程方面并不如镍元素那样有效，而且在某些条件下，它还可能促使铬钢形成σ相，从而增加钢的脆性。在分析该电厂真空断路器中梅花触头弹簧（使用SUS130M材料）断裂案例时，发现断裂的主要原因可以归结为两个方面：一是弹簧丝外表面存在机械损伤，二是材料本身组织不均匀。两因素共同作用下，导致了弹簧发生断裂，如图2所示。

图2 压紧弹簧内组织不均匀

2）电阻试验不规范。

回路电阻试验是断路器梅花触头常规试验之一，主要用来检测断路器梅花触头的接触电阻是否符合规定。试验过程中，弹簧并没有电流直接通过；然而，在实际操作过程中，如果测试仪电流线夹直接夹在弹簧上，那么测试电流就会间接通过弹簧。而弹簧通常是由高阻材料制成的，当电流通过这种材料时，会产生大量的热，这种高温可能会对弹簧的退火处理效果产生不良影响，从而导致弹簧的性能下降，甚至可能使其完全失效，如图3所示。因此，在回路电阻试验中，必须注意避免测试电流直接通过弹簧，以保证测试结果的准确性和弹簧的使用寿命。

图3 弹簧通过电流导致产生过热组织

3）安装及拆卸方法错误。

在实施压紧弹簧安装与拆卸作业时，会采用不同的工器具，这些工具的使用可能会导致压紧弹簧的部分区域承受较大的力，有时这种力甚至超出弹簧所能承受的极限，从而导致弹簧局部变形，如图4所示。这种局部变形可能会影响压紧弹簧的性能和使用寿命，因此在操作时应特别注意使用合适的工具，以避免不必要的损害。

图4 因安装不当造成局部变形

1.3触头对中度差

在断路器梅花触头接触电阻的关键影响因素中，接触压力和啮合尺寸是受触头对中度直接影响的两个关键参数。具体来说，随着啮合尺寸的减小，触头间的平均压力会相应降低，从而增加接触电阻。此外，当啮合尺寸不足时，触头在电动斥力作用下的承载能力将减弱，这可能导致断路器意外分离并产生拉弧现象。

梅花触头的啮合尺寸和静触头的对中度密切相关，一旦出现对中偏差，梅花触头作为连接触臂和静触头的桥梁，其方向会发生偏移，导致不同触指间的啮合尺寸产生显著差异。在决定啮合尺寸时，通常以最小触指的啮合尺寸为基准，因为这一触指最有可能在电动斥力作用下与静触头分离，进而引起接触电阻的急剧增大，甚至损坏触头。

考虑到不同开关柜中梅花触头和静触头对中度存在差异，以及在断路器运行过程中可能出现的电动力或设备形变等因素，触头间的对中偏差可能会增大。因此，开发一种能够适用于不同对中度情况的啮合尺寸测量方法，对于确保断路器的可靠运行具有重要意义。

1.4动触头插入深度不够

梅花触头接触电阻的增大与插入深度不足直接相关，相关研究表明：当静触头的插入深度减少时，其接触压力随之降低，从而引发电阻值增大，如图5所示。在特定范围内，插入深度的变化对电阻值的影响并不显著。然而，一旦插入深度低于某一临界值，电阻值将迅速上升，此现象主要源于触指的弧面与静触头末端锥形端面的连接方式（该设计旨在优化插入过程）。在压片压力的作用下，弧形的触指接触端面对静触头的轴向挤压力将显著增强，导致静触头开始从触指中退出，从而引发静触头与触指之间接触不充分，最终造成接触电阻的急剧上升[6-7]。

2、综合分析

触头发热的现象，从电学角度审视，可以视为电阻发热的一种表现形式。依据经典的电功率计算公式（P=I2R），可以推导出：触头间接触电阻的大小与发热量呈正相关关系，即接触电阻增大，触头发热量亦随之增大。显然，任何导致触头接触电阻增大的因素，都将不可避免地加剧触头发热现象。接触电阻的大小受接触表面状态的直接影响。实际接触面可分为两大类别：第一类为真正的金属与金属直接接触的部分，即无过渡电阻的金属间接触微点，也称为接触斑点。这部分接触点通常是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的，其面积占实际接触面积的5%～10%。第二类是通过接触界面上存在的污染薄膜后相互接触的部分。任何降低接触斑点数量或恶化接触界面状态的因素，均会导致接触电阻的增加，从而加剧触头的发热现象。

图5 插入深度和接触面平均压力的关系

对于已经投入运行的断路器触头，正压力是影响其界面接触斑点状态的关键因素。随着正压力的增加，接触微点的数量及其所占面积均呈现增长趋势；同时，这些接触微点由弹性变形逐渐转变为塑性变形，这一转变过程有助于减少触头间的集中电阻，进而降低整体的接触电阻。在考察前述案例时，笔者注意到触头弹簧的缺陷、对中度不足以及插入深度不够等问题，其本质均源于触头间正压力的降低。此外，在进行断路器开闭操作时，电弧的产生是不可避免的，电弧释放的热量会对触头表面状态造成不利影响，如图6所示，这进一步加剧了接触电阻的升高。

图6 梅花触头接触点发热

触头发热与接触电阻增大，两者之间相互影响，当触头出现发热现象时，其释放的热量会对触头间的界面状态产生破坏效应，进而导致接触斑点的数量减少，并降低金属直接接触点的占比。此种现象又会进一步加剧接触电阻的增大，从而进一步恶化触头的发热状况，形成一种相互强化的循环。

3、结束语

综上所述，该660 MW机组火电厂断路器梅花触头热故障的产生，其根源复杂多样，既涉及设计与制造环节的不足，也包含检修工艺的不完善，同时也不能忽视人为因素的作用。为了确保电力生产的稳定可靠，必须根据热故障的具体成因，在断路器梅花触头的整个使用寿命周期内，采取有针对性的预防措施，从而有效控制热故障的发生。

参考文献:

[1]黄勐哲,陈丽安.断路器手车触头过热性故障机理分析及防止措施[J].高压电器,2019,55(1):237-242.

[2]马建鹏,桑嘉荠,张国梁.手车断路器梅花触头部位发热原因与对策[J].电子技术,2021,50(3):182-183.

[3]林佳.10 k V断路器手车梅花触头发热原因与解决方案[J].科技与创新,2024(9):110-112.

[4]郭彦伟,王欣,张文元.真空断路器主触头极间击穿故障分析与研究[J].铁道机车与动车,2022(5):32-36.

[5]马晨昱,丁惠敏.高压断路器弧触头接触故障模拟及诊断技术研究[J].湖北电力,2021,45(6):57-61.

[6]田振宇,潘晋华,黄军校,等.梅花触指弹簧的力学性能测试技术分析[J].电工技术,2023(11):160-162.

[7]孙韬,赵莉华,龙辰,等.中压开关柜梅花触头接触故障下的温升特性研究[J].高压电器,2023,59(5):130-138.

文章来源:彭康利.某660 MW机组火电厂断路器梅花触头热故障机制分析[J].机电信息,2024,(21):74-77.