10 kV开关柜断路器手车触头发热处理

2012-07-13张华

湖南电力 2012年3期

关键词：传热系数开关柜温升

张华

(湖南省电力公司岳阳电业局，湖南岳阳414000)

1 异常现象

运行人员在对金盆岭变电站设备巡视时发现#1主变310断路器手车的温度在线监测仪显示的B相温度达120℃，监测温度为断路器手车上部动触头的温度，此时环境温度为22℃。实时监控数据显示:IA=416 A，IB=408 A，IC=404 A。

310断路器手车型号为 ZN28-12/315-40，额定电压为12 kV，额定电流为3 150 A，操作机构型号为CT19-114-I。

负荷为408 A时 (约为断路器手车额定电流3 150 A的13%)，B相动触头温升达到98℃，远大于标准要求 (标准为满负荷条件下30℃)，而此时A相、C相的温升不大。停电检查B相触头，有发热变黑现象，断定断路器手车B相回路存在缺陷。

2 导体发热温升与电阻之间关系

电流流过导体时，可由公式

来确定发热量。其中I为流过导体的电流，R为导体电阻，t是时间，Q为时间t内所产生的热量。导体吸收热量，温度就会上升，温升可由公式

求得。其中ΔT为温升，Q为导体吸收的热量，c为导体的比热容，m为导体质量。由式 (1)和式(2)可推导出:

由式 (3)求得的温升与实际情况不符。事实上，导体发热的同时还会向周围环境散热，当导体电阻产生的热量与它向周围环境散发的热量相同时，就达到一个热平衡状态，这时导体温度就稳定在一个定值。导体的散热量可由牛顿冷却定律

确定。其中，t为时间，A为壁面面积，Q为时间t内A面积上的传热热量，k称为表面对流传热系数。

由式 (1)和式 (4)可得温升

由式 (5)可知，在电流一定的情况下，且不考虑温度上升对电阻的影响，导体温升与电阻成正比。

在实际运行过程中，导体的形状、材料和周围环境的复杂性以及负荷的波动不稳定，导体温升不可能与电阻保持正比的关系。但式 (5)在一定程度上可以反映温升随电阻增大而增大的关系，有利于分析故障原因，找出发热点。

一般来说，裸露在户外的直接连接的导体表面对流传热系数经验值在5～25 W/m2·℃之间;封闭的开关柜的表面对流传热系数经验值在0.1～5 W/m2·℃之间，由式 (5)可知封闭的开关柜发热问题较为严重。

3 原因排查

首先对动、静触头进行外观检查。静触头表面光滑平整，无烧伤痕迹;动触头铜片除发黑、有轻微氧化外，无明显损伤，铜片弹力足够，与静触头咬合较为紧密。再对三相回路电阻进行测量，并将所测各相电阻进行对比，判断导致发热的位置所在。为了记录和比较的方便，现定义:静触头到引下铝排与套管连接处的电阻为R1;动触头到引下铝排与套管连接处的电阻为R2;动、静触头连接电阻为R3，R3=R2-R1。测得三相R1数据如表1所示。

表1 R1测量数据 μΩ

由表1可知，测量所得B相R1的值远大于A，C相电阻，故静触头到引下铝排与套管连接处存在一个发热点。由于回路较短，只有引下铝排与套管由螺栓连接，检查后发现螺栓没有拧紧，铝排有发热变色的迹象。紧固连接螺栓之后又对回路电阻进行测量，测量结果如表2所示。

表2 回路电阻数据 μΩ

由表2可知，电阻R1减少很明显，但B相回路电阻R2仍然大于其他2相，为了进一步降低B相回路电阻，又更换B相有烧坏痕迹的动触头。更换后测量得 R2为 61.7 μΩ，R3为 20.0 μΩ，电阻相差不大。

进行上述处理和整改，并投入运行之后，温度在线监测仪显示三相温升并不明显，取得了比较理想的效果。

4 原因分析及控制措施

由式 (5)可知温升与导体的电阻、表面对流传热系数、导体表面积、流过导体的电流有关，故可以采取相应的措施减少开关柜发热的可能。

(1)金盆变10 kV手车开关采用鸭嘴式触头，动触头和静触头仅靠动触头压紧，使用较长时间后，由于动触头压力减弱或静触头未完全插入，引起发热。

控制措施:1)检查静触头插入深度，确保静触头完全插入、接触面积足够;2)检查动触头U型触指压力，确保动、静触头紧密咬合，对于已松的U型触指应及时更换。

(2)触头长期运行易发生氧化，积累灰尘污垢，电阻增大，导致发热损伤，触头膨胀，螺丝松动，电阻进一步增大，发热更为严重以至形成恶性循环。

控制措施:在状态检修时，测量断路器手车触头电阻。对于电阻超标的触头要及时处理隔离开关的动、静触头表面氧化层、涂导电膏，改善接触面导电率及避免铜氧化，减少接触发热。

(3)高压电气设备连接点是电力输送最薄弱环节，连接部位上的连接螺栓并不是拧得愈紧愈好，特别是铝质母线，弹性系数小，当螺母的压力达到某个临界压力值时，若材料的强度差，再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，反而使接触面积减少，接触电阻增大，从而影响导体接触效果。

控制措施:1)在紧固连接部位紧固螺栓时，注意要均衡紧固，防止将接触面压坏，每次拆除连接螺栓后更换新螺栓，禁止使用旧紧固件，要求开关、隔离开关重要连接部位使用高强度的8.8级的螺栓;2)采用穿心式电流互感器，减少连接点，降低发热的可能。例如，在检修南津港变电站时，就对负荷较大的310和320母排和TA进行了改造，将电阻率较大的铝排更换为电阻率较小的铜排，并将TA更换为穿心式后，使得原本发热严重的开关柜冷却下来。

(4)封闭的开关柜内，与外部环境隔离开来，再加上封闭开关柜一般在室内，其散热效果不好，因此导体的表面对流传热系数一般较小，柜内温升自然会比较高一些。

控制措施:保持高压室和开关柜内的通风透气，形成对流环境。条件允许的可以在开关柜内安装风扇，当温度达到一定值时，启动风扇，使柜内空气由自然对流变为强制对流，增加对流传热系数，降低柜内温升。

(5)开关柜内导体与空气接触面积不够，散热效果不够好，温升较大。

控制措施:在设计安装母排或连接导体时，适当考虑实际运行发热的可能，将母排或连接导体的面积留有一定的裕度，减少温度升高的可能。例如，在金盆变的改造过程中，将宽度小于80 mm的铝排全部更换为80 mm的铝排，增大了铝排的载流量和散热效果。

(6)当负荷较大时存在隐患的连接点发热。由于运行中的柜门禁止打开，值班人员无法监视到发热点。接头发热严重时会直接造成生产事故。

控制措施:安装性能可靠、运行稳定的温度监控装置，实时监控开关柜内的温度情况。