矿用高压配电装置隔离触头优化设计

郭 波

（1.山西潞安煤炭技术装备有限责任公司，山西 长治 046000；2.山西潞安安易电气有限公司，山西 长治 046000）

目前大型矿井矿用高压配电装置参数额定电压10 kV、额定电流为800 A 甚至1 250 A，较相同规格的地面成套设备，为适应井下狭窄空间安装和防爆密封要求，该装置内部电器元件的绝缘条件、散热条件等更加恶劣，处于一次导电环节上的动静触头连接处出现隐患及故障的次数以及危害程度也是最严重的。 矿用高压配电装置出现的隐患和故障主要是一次导电环节上的动静触头处的放电、局部发热及绝缘隐患，导致对地、相间绝缘破坏，发生接地、短路故障，甚至产生触头熔焊、拉弧烧毁绝缘器件和防爆外壳的重大安全事故[1-3]。虽然针对以上安全隐患，许多设备厂家在触头结合部位增加了视频监控及温度监控等智能化装置，但是都属于事故预警，不具备矿井本质安全的要求。因此，针对矿用高压配电装置的隔离动静触头从结构设计、工艺制造及检验方法等方面进行优化，实现矿井供电本质安全的要求。

1 矿用高压配电装置隔离触头结构

矿用高压配电装置隔离触头示意图如图1。目前矿用高压配电装置内隔离开关不是传统意义上刀闸开关，而是通过断路器上安装的进线和出线动触头（统称动触头）与腔体隔板上安装的梅花静触头之间的插入与拔出实现合闸和分闸功能，断路器连杆机构旋转带动断路器进退运动实现上述功能。

图1 矿用高压配电装置隔离触头示意图Fig.1 Diagram of isolation contact of mine-used high voltage distribution device

1.1 隔离触头结构

矿用高压配电装置动静触头接触后，通过电流温度升高，动静触头接触点因接触电阻原因会产生的较高热量，随着温度升高会造成触头之间的熔焊加剧和绝缘套管的老化。因此减小触头之间的接触电阻对于动静触头安全可靠接触运行有十分重要的意义。接触电阻的经验公式[4]为：

式中：RC为触头的接触电阻；m 为与接触形式有关的指数，点接触0.5、线接触0.7、面接触1.2；KC为与触头材料、接触面加工及表面状况有关的系数；FC为接触压力。

因此，要保证动静触头接触良好，关键在于接触面积和接触压力足够。往往由于动静触头本身的制造精度以及隔爆外壳的焊接精度造成隔离动静触头配合偏差过大影响接触面积和接触压力造成过度发热。动静触头示意图如图2。

图2 动静触头示意图Fig.2 Diagrams of active and static contactor

矿用高压配电装置梅花静触头位置精度取决于腔体隔板上开孔精度，动触头的安装位置精度取决于断路器真空管上下导电排位置以及导电杆的加工精度。静触头和动触头各自通过激光切割开孔、车床加工保证其位置精度，但是两者之间的配合精度较难保证，由于壳体防爆功能要求采用钢板焊接，较成套设备的数控冷压镀锌板而言，焊接误差较大，断路器的钢板底座平面度、拉杆长度尺寸精度等均影响动静触头之间的配合。如图2，断路器小车通过拉杆机构合闸时，动触头导电杆过长会有振动和撞击，动静触头的配合误差使得较设计理想状态实际配合会出现1 个θ 角度，接触面积和接触压力发生变化，接触电阻增大导致接触点过度发热。

1.2 静触头焊接装夹工装和动触头装检具

1）静触头焊接装夹工装。动静触头的配合安装精度主要受隔爆外壳的底板及其拉杆固定块、腔体隔板等相关部件的焊接精度影响，那么控制上述尺寸的焊接精度依靠静触头焊接装夹工装效果明显。静触头焊接装夹工装示意图如图3。静触头安装在腔体隔板上的穿墙套管内，穿墙套管支座的焊接位置精度决定静触头的位置精度。工装模拟断路器小车进入壳体内部，依靠定位销固定，穿墙套管支座在腔体隔板6 个开孔的焊接精度靠工装的6 个定位轴保证，最终实现断路器动触头与静触头的精密配合，此外隔离触头焊接装夹工装可以确保每台壳体静触头位置的一致性，使得壳体具有互换性。

图3 静触头焊接装夹工装示意图Fig.3 Diagram of static contact welding clamping tool

2）动触头装检具。动触头装检具示意图如图4。断路器小车上安装上下导电杆构成动触头，上下导电杆的位置尺寸A 和B 依靠装检具控制。工人安装导电杆时，断路器小车放置在装检具平台上，然后将导电杆穿过定位轴套安装保证位置精度。此外，定位轴套和导电杆之间采用间隙配合，配合公差为0.3 mm，检验人员可以将装配完成的断路器用该装置进行检验保证其精度[5-6]。

图4 动触头装检具示意图Fig.4 Diagram of active contact assembly and inspection tool

总之，利用静触头焊接装夹工装保证壳体静触头位置精度，利用动触头装检具保证动触头的装配进度，最终确保动静触头的配合精度以及互换性。

2 矿用高压配电装置穿墙套管安装

2.1 减少三相穿墙套管涡流方法

矿用高压配电装置静触头安装在穿墙套管内部，穿墙套管通过压板固定在腔体隔板上，三相穿墙套管三相固定并排安装在腔体隔板上，目前腔体隔板材质选用焊接性能优良的Q235 钢材，其为高导磁、低电阻材料，给涡流提供了通路，动静触头结合导电时会在腔体隔板上产生涡流，导致其发热，在具有密封要求的隔爆壳体内会加速穿墙套管等绝缘件老化和导电杆表面氧化，出现放电、短路等安全隐患[7]。磁场分析示意图如图5。如图5，当A 相与B 相、C相的电流方向相反时，A 相与B 相之间的钢板上为三相磁感应强度叠加之和最强。因此三相电流不断变化，A、B、C 相之间总是存在最强磁感应强度。

图5 磁场分析示意图Fig.5 Diagram of magnetic field analysis

一般要求600 A 及以上母线穿墙套管端部的金属夹板（紧固件除外）应采用非磁性材料，并且为防止涡流造成的严重发热，其固定钢板应开槽或铜焊，使之不构成闭合磁路[8]。减少A、B 相与B、C 相之间金属板的涡流损耗方法为：①在A、B 相与B、C 相之间的金属板上开2 mm 以上的空气槽的方法解决，但是这种方法适合在地面成套设备，井下防爆设备开槽影响腔体之间的防爆结构及强度；②在开空气槽处补焊非导磁材料不锈钢、铜等材料，但是异种材料焊接性能较差，容易造成漏焊产生隔爆腔体之间的联通孔影响隔爆性能和强度。

2.2 三相穿墙套管非导磁安装结构

对高压配电装置腔体隔板上三相导电杆安装处开孔，假设三相交流电完全平衡，则A、B、C 三相电流向量在相位上互差120°，那么三相电流矢量之和为0，因此当三相电流从同一孔中穿过腔体隔板开孔区时，由于金属板过孔中三相电流矢量之和为0，三相电流在铁磁金属板中的磁感应强度矢量之和也为0，因此三相磁通矢量之和为0，铁磁金属板中无涡流损耗。穿墙套管安装方式如图6。

图6 穿墙套管安装方式Fig.6 Installation method of wall bushing

如图6，腔体隔板开孔处通过螺栓紧固安装1 块穿墙套管支撑板，三相穿墙套管通过穿墙套管压板和螺栓紧固安装在穿墙套管支撑板上。穿墙套管支撑板材料为非导磁材料奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti。

开孔设计解决了涡流问题，但是腔体隔板两侧为本体腔、进线腔、出线腔，需要保证各腔体之间的隔爆性能，因此用穿墙套管支撑板与腔体隔板组成隔爆接合面，接合面参数为：宽度50 mm，有效长度17 mm，间隙0.2 mm；穿墙套管支撑板与穿墙套管组成隔爆接合面，接合面参数为：宽度15 mm，间隙0.2 mm。穿墙套管支撑板结构设计完全解决了涡流问题和腔体间隔爆问题[9]。

3 矿用高压配电装置静触头

梅花静触头和静触头导电杆活页链接构成静触头，并安装在穿墙套管内部，梅花静触头相对于静触头导电杆可以在圆周方向有一定余量的摆动具有随动性，方便与动触头碰撞配合。梅花触头作为动静触头配合的中间件，是动静触头配合的关键。梅花静触头如图7。

图7 梅花静触头Fig.7 Plum blossom static contact

梅花静触头与动触头之间的接触啮合对接触电阻的影响很大，接触电阻对于矿用高压配电装置的温升和故障电流冲击时的动稳定性能有重大影响。而决定接触电阻的因素有触片及弹簧的材料、触片的表面状况、弹簧紧箍触片产生的接触压力、材料硬度和材料电阻率、触头构造等方面。

3.1 触片设计要求

设计要求如下:

1）触片通过与动导电杆碰撞后接触完成大电流导电，因此触片材料的选择考虑其导电率以及满足碰撞要求的材料硬度，一般采用纯紫铜为梅花触头主体。

2）为提高触片的导电性能及抗氧化性，其表面应该当镀银。镀银层厚度低影响其导电性，导致触头发热、烧毁提前报废，镀银层硬度低影响触头耐磨性同样其导电性及使用寿命。因此，开关设备导电回路上主触头镀银层厚度不小于0.02 mm、硬度不小于120 HV[10]。

3.2 弹簧设计检验要求

1）弹簧材料。紧箍触片为触片和导电杆之间的接触提供压力，防止接触不良导致触头过热，保证接触电阻越小越好。但是，弹簧不参与触头导电，为减少大电流的涡流损耗的问题，应使用不锈钢无磁材料。如果采用导磁材料将在弹簧中产生涡流而发热，造成弹簧逐渐退火，紧箍力越来越小，接触电阻越来越大，从而导致触头发热或烧损。

2）弹簧材料紧箍力。接触压力越大，接触电阻越小，发热越小，但是动静触头啮合过程是碰撞的过程，过大的接触压力造成触头振动变形、触头表面镀层脱落、增大合分闸的操作力等弊端，所以触头压力也不应过大，而应控制在1 个合适的范围内。因此，需要进行装配前的插拔力测试间接检验弹簧的性能，梅花触头插拔力值表见表1。

表1 梅花触头插拔力值Table 1 Insertion and withdrawal force of plum blossom contact

3）规范回路电阻测试方法。回路电阻测试主要用来判断接触面、动静触头啮合接触等难以用肉眼判断其接触可靠性而采用的产品出厂检验手段，对于电气产品一次回路上触头啮合和母线安装质量具有重要意义。但是检验人员不熟悉操作规程，将测试线夹夹住弹簧，弹簧作为高阻材料，通过直流电后，弹簧发热冷却后退火，严重影响弹簧的紧箍力，弹簧性能降低将严重影响触头接触压力，造成触头间接触不良、发热，导致触头拉弧甚至烧毁等安全事故。因此，检验部门应当严格规范回路电阻测试规程。

4）使用记忆合金材料提高弹簧的紧箍力。记忆合金是一种具有形状记忆效应的新型多功能材料，镍-钛记忆合金为目前广泛使用的合金材料。梅花触头上弹簧，一方面长期运行导致弹簧老化松弛，接触电阻增大，引起触头发热异常；另一方面，断路器在进车退车过程中，可能出现动触头与梅花触头因装配工艺产生接触偏差，造成接触电阻增大，引起触头发热异常。记忆合金弹簧感应温度变化，迅速收缩，增大梅花触头的接触压力及接触面积，较小接触电阻，进而降低触头处温升，提高隔离触头运行的安全可靠性，避免因触头发热异常引起温升故障；记忆合金弹簧回复力与温度成正相关关系，温度升高压力值变大，接触电阻减小[11]。

4 结 语

高压配电装置隔离触头长期承受高电压、大电流，是供电系统环节上隐患最多、事故影响最大的关键部位。隔离触头工装设计、腔体防涡流设计、梅花触头触片和弹簧的工艺要求及记忆合金新材料的使用等优化手段，从根本上杜绝了因隔离触头接触不良、触头发热等问题引起绝缘下降进而导致出现放电、触头拉弧甚至设备着火的重大安全事故。