影响高压隔离开关耐受电流试验的关键因素研究

韩际昌

（正泰电气股份有限公司，上海 201614）

据KEMA 试验统计对于高压隔离开关和接地开关额定短时耐受电流试验和额定峰值耐受电流试验的首次通过率不高于25%，在高压隔离开关所有试验中此试验是最难通过的试验，基于厂家成本压力产品导电材料截面通流安全裕度低是这个试验失败的主要原因；当导流面积足够时，触头与触指的设计结构就至关重要；触头通流时若想保证不被电动力推开，触头间还要有合适的初压力；最后是绝缘，此试验最关键之处虽然不是绝缘，但不做好良好的绝缘试验通过率会非常低。因此，在产品的运动环关节处增加的绝缘结构可避免试验中意外的分流或高温熔焊，从而顺利通过试验。

1 短时耐受电流和峰值耐受电流试验中导体材料的选择

（1）材质的选择。对于以短时耐受电流及峰值耐受电流的导体，材质导电率越高，通过短时耐受电流及峰值耐受电流的能力也就越强。在常见的金属中，金的导电率最高，银次之，铜、铝、铁等导电率递减。基于经济性考虑在隔离开关或接地开关的导电回路中多用铜和铝，通常都是可动的导电接触位置如触头、触指用纯铜。其他固定导电接触导体用导电性好的铝合金材质。铜及铜合金、铝及铝合金的电导率如表1。

表1 铜及铜合金、铝及铝合金的电导率

（2）导电截面积。对于已选定材质的导体，其导电截面积和截面形状就尤其重要了，应根据产品特点选择足够的截面面积的导体才能保障导体在通过短时耐受电流及峰值耐受电流时导体不被烧毁。

导体的最小截面可根据导体通流截面计算公式计算

这个计算值只是理论计算值，实际设计时，要综合考虑导电回路所承受额定电流大小及材料的机械稳定性来确定导体截面积的大小；而对于接地开关，则只考虑可以满足短时耐受电流和峰值耐受电流及机械稳定性即可。所以在设计时，对于导电回路导体的截面我们通常按经验取1.1 倍理论导体截面积取值，这样就可以兼顾经济性与可靠性。

（3）截面形状。对于已选定材质的导体，其导电截面形状也非常重要，应根据产品特点选择集肤效应合理、机械强度适合的导体截面形状。比如，薄的带状矩形导体的集肤应好，散热面积大，导热性强，但其机械性能上特别是受力的各向异性使得这种形状力学性能不足，机械稳定性不够，在达到同等机械强度下还得增加截面积，反而把导电的优势转化成了机械上的劣势。所以，目前的隔离开关主导电结构中多采用圆管或槽形铝形材等导电性能与机械强度综合性强的截面形状，以提高通过耐受电流的能力。

2 短时耐受电流和峰值耐受电流试验中触头结构设计

当下的户外隔离开关与接地开关的动、静触头按导电接触方式大体可分为点接触式、线接触式、面接触式。点接触式的动静触头结构目前多应用在伸缩式隔离上；在圆棒自力式触指上也有应用，此方式由于接触处单点通流，耐受短路电流能力受开关整体结构影响大，对材料要求比较高，所以一般不宜采用。面接触的动静触头结构看似电接触面积大通流能力理论上应该更强，但实际应用中受加工精度制约，在微观上仍是局部的点接触，接触面实际并未被有效利用，设计时也不建议选用。所以，市场上现有的开关多采用线接触式导电结构。线接触导电结构中的梅花触头式静触头结构，通流均衡、稳定，承载短路电流能力强，但对运动精确性要求高，制作成本高，经济性不好，因此只单柱垂直伸缩式隔离、接地开关以及双柱水平伸缩式隔离开关中应用。线接触另一种导电结构：板、片状的触头。因其结构简单、加工方便、经济性可靠性较均衡等特点，在目前被最广泛地推崇和应用。另外，采用多片触指的结构，可以形成多个并联的电流路径，并联回路可以均分电流，可以减小总电阻值，在相同导电截面的情况下，可以耐受更大的短时耐受电流或峰值耐受电流。达到从设计上保证试验通过的目的。综合起来，点接触式稳定性弱，面接触制造性差，线接触简单易行，形式多样，可以作为主要设计结构；它也是试验通过率最高的结构。

3 短时耐受电流和峰值耐受电流试验中触头初压力的影响

对于已选定了触头材质并确定了触头设计结构的触头系统。动、静触头关合时动触头触指对触头的初压力将决定试验的成败。对于动触头用触指在两侧将静触头夹紧在中间的触头结构，当回路完全通过短时耐受电流和峰值耐受电流时，动触头所受电动力是向推开静触头方向进行的。而同时，动触头两侧触指间的电动力是向夹紧静触头方向的；因此，让动触头不在电动力的作用下推离静触头，前提就是：动触头所受电动力必须小于动触头两侧各片触指与静触头摩擦力的合力。而此摩擦力的合力大小与动触头各片触指的夹紧力成正比，而这个夹紧力就等于动触头两侧触指间的电动力与触指初压力的和。

动触头两侧触指间的电动力可用公式求取：

图1 矩形截面导体电动力的修正系数

图2 金属间加绝缘

动触头所受电动力与峰值耐受电流的平方成正比，与触指长度及成正比，与触指间距成反比。所以，当设计结构确定后，触指所受电动力理论上就为定值。因此，当触指电动力为定值时，触指的夹紧力将随着触指初压力增大而增大。

触指初压力的最大作用是为了获得最小的接触电阻。当动静触头系统的材质、结构确定后，动静触头间的回路电阻的大小就取决于动静触头接触部位的接触电阻大小了。由下面接触电阻计算公式可知：初压力F越大，接触电阻Rj越小。

式中，Rc为接触电阻，μΩ；Kc为接触材料系数。铜镀银-铜镀银：Kc=80；铜镀银-铝镀银：Kc=100；铜- 铜：Kc=120 ～160；铜镀银- 铝：Kc=450；铜- 铝：Kc=980；Fc为触指初压力（接触压力），N；m 为接触形式指数。点接触：m=0.5；线接触：m=0.7；面接触m=1。

4 短时耐受电流和峰值耐受电流试验中绝缘的重要性

当可相互运动导体通以短时耐受电流和峰值耐受电流时，导体温度会急速升高；主回路以外的附近金属导体也会在磁滞或涡流的影响下发热，此时，不可用于导电的但有相互位移的金属间应加以绝缘。否则，二者间也会有电流经过，而二者间的电阻又非常大，如此则金属会进一步发热。当温度足够高时二者就会熔焊在一起，从而导致试验后二者无法相对运行进而引起开关拒分，导致试验失败。所以，在没做好良好绝缘的产品试验时，通过率会非常低。在隔离开关及接地开关的运动关节处增加绝缘结构设计，可避免试验中意外的分流和高温熔焊，达到顺利通过试验的目的。

5 影响短时耐受电流和峰值耐受电流试验的其他因素

隔离开关的结构设计、操作机构功率、传动环节联接强度、试验时的接线方式等也会影响短时耐受电流和峰值耐受电流试验的成败。其中隔离开关本体的结构设计上对耐受电流试验成功与否相对影响最大。隔离开关的主回路中设置了合闸死点结构，在合闸时主回路处于死点位置，即使主回路在试验中受到电动力冲击时，也能保持在合闸位置不脱开。同样的死点结构在隔离开关底座上也有体现，底座下机构输出拐臂与隔离开关本体底座上的四连杆在隔离开关主回路合闸终了位置也形成了死点设计结构。这样从传动中间环节上也同步地限制着主回路因电动力而被推开的风险。

6 结语

短时耐受电流和峰值耐受电流试验是最体现户外隔离开关和户外接地开关性能，也是最难以通过的一项试验。产品设计制造时使导电材料有充足的通流面积；触头有科学合理的结构设计；触头外部确保足够的初压力；相对运动金属间有良好的绝缘；这几个关键因素处理好了就大大地提升了试验成功的概率。当然，产品是一个整体，除了这几个关键点，也要做好包括产品外的诸如试验方法、接线方式、环境特点、润滑方式等细节。总之，充分的准备才是关键的关键。