中置柜梅花触头发热机理分析及改进设计

孟 涛，张丙江，王亚鲁，唐 锐

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

高压开关柜是电力系统重要设备之一，具有控制电流通断，保护电网安全运行的作用，在设备检修，投切负荷时，可形成明显分断点。在配电网中移开式开关柜（中置柜）凭借技术性能高，“五防”连锁功能可靠，安装检修方便等优点而被广泛应用［1］。移动式开关柜断路器的关键部件梅花触头是多触点、小压力的电气连接装置［1-3］，分为自力型和非自力型两种。自力型梅花触头依靠材料自身的弹性形变对触头施加压力，而非自力型梅花触头是靠紧箍弹簧的变形提供抱紧力，实现动静触头的可靠接触［1］。设备长期运行后，梅花触头和柜体静触头连接处的接触电阻因氧化或接触不良而不断变大，导致设备温升问题［3］。开关柜柜体封闭，常规检测手段无法监测柜内动静触头温度，温升问题无法及时控制，导致触指弹簧失去弹性甚至烧断，当梅花触头失去有效接触面时，接触电阻进一步增大，温升问题恶化，引发开关柜放电爆炸和更严重的电网事故。因此研制性能更加优异的梅花触头对电网可靠运行具有重要实际意义。

通过两起因紧箍弹簧问题导致触头烧毁的案例，分析了梅花触头发热机理，针对现有梅花触头缺陷，设计出一种带辅助触头、用记忆合金压片取代紧箍弹簧的组合式梅花触头，可有效解决触头温升问题，减少开关故障发生率，提高供电可靠性。

1 事故介绍

1.1 事故案例Ⅰ

110 kV 开发区变电站1 号主变压器012 开关损毁严重，图1 为爆炸后的012 开关。现场对设备故障分析发现，012 开关上导电臂动静触头（母线侧）与下导电臂动静触头受损程度相差很大，上导电臂的动静触头基本完好，高温并未引发爆炸，而012 开关下导电臂的动静触头部分高温烧毁，结构已完全改变。烧伤最严重的部位是012 开关C 相下导电臂动静触头处，并且邻近柜体烧损明显，据此推断此处为最初故障点。

图1 爆炸后的012 开关

图2 C 相下导电臂对前柜体放电烧伤孔洞（圆圈处）

经分析，该故障的发展过程是在设备长时间运行后，012 开关C 相下导电臂动静触头出现接触不良的情况，当较大的负荷电流通过时，接触点因存在接触电阻而持续发热，温升不断累积，导致紧箍弹簧迅速老化变形失去束缚力甚至完全烧断，失去弹簧束缚力的触指因重力变得更加松弛，加剧动静触头接触不良，当触指脱落时接触点产生拉弧。电弧首先击穿邻近的前柜体，在前柜体上形成一个较为明显的放电孔洞，孔洞最长处约70 mm，如图2 所示，同时在高温下形成金属蒸汽。由于单相弧光接地，另外两相电压升高为线电压，一旦另外两相绝缘强度不够，极易发生绝缘击穿。1 号主变压器后备保护动作，跳开012 开关，由于后备保护动作时间较长，故障点经受多次放电冲击，电弧持续存在，导致A 相触头、B 相触头先后绝缘击穿，形成三相短路故障，最终导致012 开关柜爆炸事故发生。

1.2 事故案例Ⅱ

检修35 kV 历东变电站1 号主变压器008 开关时，发现动触头A、B 相触指有严重的烧伤痕迹。经分析，由于动静触头之间插入深度不够，动静触头的接触面过小导致动静触头产生高温而熔断触指弹簧，烧伤动触头触指和静触头，如图3 和图4 所示。

由于检修时及时发现了该隐患，未造成更严重的事故，但现有移动式开关柜断路器仍存在类似隐患，对电网和设备安全运行构成潜在威胁，如果发现不及时就会产生案例Ⅰ中严重的电网事故，造成严重的经济损失，甚至人身伤害。分析梅花触头烧毁的原因，进而针对性地改进梅花触头，可有效降低此类故障发生率，具有重要的现实意义。

图3 008开关烧伤的动触头

图4 008开关烧伤的静触头

2 梅花触头烧毁原因分析

触头烧毁主要由触头过热引发。动静触头间接触电阻增加了载流时的损耗，如果负载电流发生增量突变，或者受到了短路电流的冲击，梅花触头连接部位就会产生过热现象，考虑动静触头间接触面积增大，触头施加压力减小等不利因素，接触电阻会不断增大，经过长期过热运行，温升也会不断增加形成恶性循环，最终引发断路器烧毁等电网事故。

2.1 触头接触电阻增大

触头电阻与材料电阻率、材料间接触面积、材料平整程度和触头施加的压力等因素相关［3］。接触面压力与紧箍弹簧抱紧力密切相关，梅花触头外侧的紧箍弹簧抱紧力不够，接触面压力随之减小，导致接触电阻变大。长期运行过程中，弹簧不断变形损伤，随着时间的推移弹簧抱紧力会越来越小，导致接触电阻越来越大，累积效应下最终致使弹簧断裂，失去弹簧的束缚力，动静触头会严重接触不良，在接触面出现偏差位移并产生电弧，从而击穿邻近金属部件，形成金属蒸汽引发人员灼伤以及设备烧毁。

2.2 紧箍弹簧老化、变形

紧箍弹簧的性能在长时间过流高温作用下不断降低，对触指的束缚力也会不断减小，当弹簧断裂时，动静触头间压力降为零。失去压力后，动静触头接触部位出现位移偏差从而产生拉弧，对周围金属柜体放电，加剧温升。此外，断裂的弹簧形成导体，持续对地放电引发过电压，更严重时形成相间短路，造成电网事故。同时断开的弹簧在封闭的静触头侧触头盒内，在运行人员操作时也极易造成人身伤害。

2.3 触头本身质量问题

目前，我国在梅花触头制作上缺乏严格行业标准，产品质量参差不齐，甚至个别厂商为谋求不当利益而选用劣质不达标的金属材料，市场上工艺、质量不过关的梅花触头比比皆是［4］。应用劣质产品会出现严重后果，动静触头接触面积不足，弹簧材质选用导磁性材料时的涡流温升问题，触头表面镀银层薄易氧化甚至镀银工艺差镀层脱落导致接触电阻大幅度增加，触头插入尺寸小等质量问题，会导致运行中的触头发热，最终酿成电网事故。

3 组合式梅花触头的设计

3.1 记忆合金压片

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一种具有形状记忆效应，通过感知外界温度，在温升后产生形状位移，当位移受到限制后产生恢复力的新型功能材料［5］。目前记忆合金分为3 类：1）单程记忆效应，即形状记忆合金在较低的温度下发生形变，通过加热就能恢复原状；2）双程记忆效应，即形状记忆合金加热时恢复高温态形状，冷却时恢复低温态形状；3）全程记忆效应，即形状记忆合金加热时恢复高温态形状，冷却时形变为形变相同而取向相反的低温态形状［5］。

采用具有双程记忆效应的记忆合金压片，替代紧箍弹簧的作用。在正常温度下记忆合金压片产生一定抱紧力，保证触头可靠接触不脱落。在梅花触头因接触不良温升过高时，记忆合金压片能够感知外界温度变化，恢复高温态形状，产生向内紧扣的抱紧力，增加触指对静触头的压力，从而增大动静触头接触面，减少接触电阻，抑制触头温升问题，避免触头异常发热而烧毁设备。

3.2 辅助触指的设计

辅助触指的设计首先要确定辅助触指的接触方式，合理的接触方式能够保证正常运行时的接触面积，同时在主触指异常的情况下，辅助触指也能保证有效接触面积［6］。

触指与静触头触座后端面之间加绝缘垫，当触头插入触指的时候，触头对触指产生很大的轴向推力，迫使触指轴向位移，紧靠触座的后端面。如果触指与触座后端面之间不加绝缘垫，测得的接触电阻可能是一种假象，实际上触指并没有很好地接触触头触座的圆柱面。随着操作次数的增加，触头的轴向推力会不断减小，这时接触电阻就会出现增大或漂浮不定的情况，造成异常温升，从而烧毁设备。

动触头辅助触指采用记忆合金压片压紧静触头的方式，即使动静触头因某种原因接触不良，辅助触指仍然可以保证接触面积。静触头辅助触头采用锥形设计，增大辅助触头对辅助触指的轴向压力，更加有效地导向动静触头快速投切，如图5 所示。

图5 动静触头改进方案

4 大电流温升试验

温升试验分为4 组：第1 组，紧箍弹簧式梅花触头温升试验；第2 组，辅助触头+紧箍弹簧式梅花触头温升试验；第3 组，记忆合金压片式梅花触头温升试验；第4 组，记忆合金压片+辅助触头的梅花触头温升试验。

为了保证4 组试验条件一致，排除干扰因素的影响，提高试验结果可比性，用一根直铜排（10 mm×120 mm）将4 个梅花触头串联连接，再分别用4 根相同的弯铜排（10 mm×80 mm）将4 个静触头与软连接相连，搭建试验平台。试验测试电流为1 250 A。

对试验平台施加电流后，触臂、梅花触头和静触头各个时刻的温升值如图6 和图7 所示。

图6 静触头温度随时间的变化曲线

图7 梅花触头温度随时间的变化曲线

图6 和图7 显示，在通电1 h 内，由于触头温升尚未稳定，触头温升情况与触头结构基本没有关系。记忆合金压片随着温度的升高而诱发相变，导致压片松弛，接触电阻比紧箍弹簧作用下的要高。随着时间推移，温度不断升高，记忆合金压片发生部分相变，产生回复力，接触电阻逐渐减小，而普通紧箍弹簧不会发生进一步形变，接触电阻基本不变，经改进的梅花触头的优势有了明显的体现。从图6 和图7可以看出，使用记忆合金压片的触头温升明显低于普通紧箍弹簧触头，应用辅助触头的组合式触头温升明显低于普通触头。带辅助触头，用记忆合金压片取代紧箍弹簧的组合式梅花触头更是有着明显的优势，温升稳定时，动触头和静触头最大温升分别降低了7.8 ℃、7.2 ℃。

利用HKHL-100 回路电阻测试仪测量温升试验前后4 组触头的接触电阻，测量结果如表1 所示。

表1 温升试验前后接触电阻大小 μΩ

由表1 可以看出，温升试验后，普通紧箍弹簧的梅花触头接触电阻有所增加，但应用记忆合金压片或者采用辅助触头时，接触电阻均有所减少，尤其是组合式触头接触电阻减少尤为明显。其中，组合式触头接触电阻在梅花触头、静触头处分别降低了1.78 μΩ、1.07 μΩ。

5 结语

梅花触头是高压开关柜重要部件，但温升问题是影响设备安全可靠运行的重要隐患。以两起事故为例，分析了梅花触头导致温升升级为电网事故的原因，得出及时控制梅花触头间的施加压力，保证动静触头可靠接触，则有益于减小接触电阻的增加，对温升有自适性控制调节作用的结论。从施加压力和增加适当的接触面积两方面出发，提出了一种带辅助触头，用记忆合金压片取代紧箍弹簧的组合式梅花触头，可有效避免设备长期运行过程中弹簧的老化及接触松弛引起的接触电阻增大问题。通过大电流温升试验可知，记忆合金压片相比普通弹簧具有随温升自适应调节抱紧力的优势，降低温升效果明显。辅助触头的引入增加了动静触头间的接触面积，降低了接触电阻，也在一定程度上杜绝了温升问题的恶化。另一方面，这种组合式梅花触头外形设计不同于普通的梅花触头，对工艺技术提出更高要求，实现主辅触头的配合，控制造价方面需要进一步的研究。