户外10kV柱上断路器桩头发热原因分析与改进方案研究

苏剑锋，马新惠，张津，张英，罗吉，杨航康，龙秀权，李佳睿

（1.贵州电网有限责任公司安顺供电局，贵州 安顺 561000；2.贵州电网有限责任公司培训与评价中心，贵州 贵阳 551499）

1 前言

35kV变电站是电力系统的重要组成部分，是电网向客户供电的主力军，其站内设备运行的可靠性直接关系到电力用户供电可靠性。目前，35kV敞开式变电站的10kV断路器大多采用柱上断路器结构，该种断路器结构特殊，其导流接线柱为铜螺杆，在铜螺杆上安装两颗铜螺母来夹紧设备线夹或导流铜/铝排，由于铜螺母与铜平垫均起到电流流通作用，因此不能加装弹簧垫，导致接头在户外长时间运行后发生松动造成设备接头发热（见图1）引起铜螺杆、铜螺母等烧损（见图2），烧损后需整体更换整个导电杆及绝缘子，更换难度较大，停电时间较长。

图1 断路器桩头发热

图2 断路器桩头烧损

2 断路器桩头发热缺陷原因分析

2.1 连接方式设计不合理

断路器桩头接线方式设计不合理，其连接方式如图3所示，导流接线柱为铜螺杆，铜螺杆上设置有两只铜螺母，每只铜螺母配置一个圆形铜平垫，外接引流线/引流排时，在引流线接线板/引流排上开一个圆孔，将引流线接线板/引流排通过这个圆孔穿入铜螺杆上，铜螺杆上设置的两个铜螺母置于流线接线板/引流排两侧，圆形铜平垫靠引流线接线板/引流排安装，通过扳手紧固这两个铜螺母来压紧铜排，断路器在运行过程中电流通过铜螺杆-铜螺母-铜平垫-引流线接线板/引流排的方向流通，由于铜螺母与铜平垫均起到电流流通作用，因此不能加装弹簧垫，导致接头在户外长时间运行后发生松动造成设备接头发热引起铜螺杆、铜螺母等烧损。

图3 传统柱上断路器导流排与断路器连接结构示意图

图4 锁紧螺母设计不合理

2.2 运行温度的影响

断路器桩头及螺母为铜材，而连接引流线接线板为铝材，铜材与铝材膨胀系数不一致，在日常运行过程中，由于负荷的不断变化，造成了设备接头部分运行温度随之发生变化，当温度变化时，铜材和铝材不断膨胀收缩，由于其膨胀率不同，导致铜螺栓和铝制接线板之间产生一个间隙，导致接触电阻增加，使接头部位温度升高造成接触面氧化，形成氧化膜，进而使接触电阻增加，如此恶性循环，最终造成设备接头部位过热，严重时导致接头烧坏，影响设备的正常运行。

2.3 连接螺母压紧力的影响

接头压力是保证接触电阻的最主要因素，在户外长时间运行的情况下，由于机械震动引起的局部承受接触应力的区域在振动环境下发生位移幅值极小的相对运动（即微动），随着微动损伤不断积累，会出现预紧力下降，接触面压力降低。

该种铜螺母尺寸设计不合理，设备厂家为节约设备制造成本，将铜螺母的外部尺寸（厚度及外径）进行缩减，导致导流接触面较少，通过大电流时导流能力不足也会引起设备发热缺陷。另外，当铜螺母紧固受力后，运行过程中容易发生螺母炸裂（见图5）的情况，螺母炸裂后其压紧力量降低。

图5 锁紧螺母炸裂

图6 铝排开孔随意，接触不可靠

通过试验和计算，接触电阻R与总的施加接触压力F成反比，即R=C/F(其中C表示常数，其值随材料不同而不同)，当压力降低后造车接触电阻增大引起发热。

2.4 接触面积不够而造成发热

在施工作业过程中施工工艺不佳，连接铝排开孔较大或者开口不规范（见图3），导致螺母与铝排的连接之间接触面不够，载流量不足，运行一段时间后，接触电阻有所增加后即造成断路器接头部位发热。

2.5 电化学腐蚀

在现场安装过程中，目前绝大部分变电站户外10kV设备均采用铝排或铝线夹与与断路器桩头进行直接连接，连接面之间未使用铜铝过渡片，长时间户外运行中铜铝直接接触导致发生原电池反应发生氧化腐蚀（见图7），导致接触面不紧密，接头部位接触电阻增大而发热。

图7 遭受腐蚀的铜螺杆和螺母

3 一种专用防松动螺母的设计

为解决目前户外柱上断路器运行中发热率较高的问题，设计制作了一种专用防发热专用螺母，其结构原理图见图8、9。

图8 锁紧螺母三维剖视图

图9 锁紧锥块位置的局部剖视图

图10 断路器桩头发热现场应用

断路器的导电螺杆上安装有能够活动的第一铜螺母和第二铜螺母，第一铜螺母的下侧贴在绝缘子的顶部端面上，在第一铜螺母和第二铜螺母的相对端面上分别固定安装有第一平垫和第二平垫，两个平垫内部设计有槽孔，槽孔内固定安装有铜铝过渡片，第一、第二螺母将引流线/排可靠锁紧，第二铜螺母的顶部设计有两个定位螺孔，两个定位螺孔处分别设计有对称锁紧推块，当螺母紧固完成后，将锁紧螺栓拧紧，此时，由于锁紧推块变形，将螺母牢牢固定在导电螺杆上。其中第一铜螺母和第一平垫、第二铜螺母和第二平垫均使用相同的铜制材料一体成型制造，平垫内的铜铝过渡片与平垫直接焊接。

4 防松动螺母的现场应用

该改进型螺母研制成功后，我们已在35kV东方红变电站10kV 1号电容器组061断路器桩头发热缺陷处理（见10）及35kV良田变电站1号主变10kV侧桩头发热缺陷处理（见图11）中得到现场应用，与传统连接方式相比，该方案对螺母结构进行改进，通过增加导流接触面积以缓解降低了10kV柱上断路器发热风险，同时，在上部的第二铜螺母上设置了锁紧组件，能够将第二铜螺母与螺杆之间进行锁紧，降低了铜螺母松动发热隐患，将螺帽、平垫、铜铝过渡片按照安装需求结合为整体，加大了铜螺母的厚度及半径，同时增大平垫的尺寸，增加了导流接触面积，解决了户外铜铝材质直接连接造成电化学腐蚀的问题，同时该螺母不仅适用于10kV断路器桩头使用，还通用于35kV变压器桩头应用，通用范围较广。

图11 变压器桩头发热现场应用

5 结语

电力生产事故无大小，电气接头发热在电力生产中比较常见，检修人员对其认识也不深刻，但其对电网安全运行有着很大的影响，一次小小的接头发热有可能给安全生产带来很大的危害，降低接头发热故障率，除了加大设备改造力度、提高设备档次外，还应制定合理的规章制度，严格按制度定期检测、检修，以便发现问题及时处理，避免因接头发热而导致设备停运，提升设备的可用系数，确保电网的安全稳定运行。