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斷路器手車觸頭過熱性故障機理分析及防止措施
黃勐哲1，陳麗安2 (1.國網三明供電公司，福建三明365000;2.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建廈門361024)
摘 要：斷路器手車觸頭接觸不良發熱，會導致過熱，甚至會發展成為電網事故。基于多場耦合有限元法建立了斷路器手車觸頭溫升計算的三維模型，采用該模型對不同插入深度和偏移角度進行了力場計算，分析了靜觸頭插入深度和偏移角度對接觸壓力的影響，并進行了插入深度試驗，結果表明，插入深度不足導致的梅花觸頭接觸電阻增大是斷路器手車觸頭過熱性故障的主要原因。接著計算分析了在額定電流作用下靜觸頭插入深度為1/2時的斷路器手車觸頭穩定溫升、電流密度與應力分布。最后搭建了裝有記憶合金材料壓片的梅花觸頭和裝有普通材料壓片的梅花觸頭的對比溫升試驗平臺，結果表明，使用記憶合金壓片有助于 降低梅花觸頭溫升，有效地降低了過熱性故障的故障率。 關鍵詞：斷路器手車；梅花觸頭；靜觸頭；溫升計算；記憶合金壓片；過熱性故障
0 引言開關柜柜體產生細微變形或者斷路器通過手車推進至開關柜運行位置不到位情況時，容易造成梅花觸頭與柜體的靜觸頭插人深度不夠或者沒有對中。此時由于接觸不對稱會導致接觸處壓力減小，接觸電阻增大。梅花觸頭在這種情況下通人大電流長時間運行會造成緊固觸指的壓片過熱，壓片的彈性系數減小，從而對觸指的壓力降低，接觸電阻進一步增大，溫度持續升高，惡性循環，最終引發過熱性故障。現有的預防措施主要有在線測溫裝置和快速弧光保護裝置，受靈敏度限制，某些情況下不能及時發現故障，造成損壞。 文中提出一種采用記憶合金壓片的防止措施，通過在梅花觸頭觸指的外周套設由記憶合金制成的壓片，利用記憶合金對溫度變化的形變特性，當梅花觸頭和靜觸頭由于接觸不良而引起觸頭溫度超過記憶合金溫度形變點時，記憶合金壓片發生溫度形變，向內緊扣梅花觸頭觸指，降低梅花觸頭觸指和靜觸頭、觸指和觸臂之間的接觸電阻，減小發熱，能有效降低過熱性故障的故障率。 有限元的思想就是把要處理的復雜的解分解成大量的計算時間較短的解的集合，并按一定的方式銜接整合COMSOL模擬物理場分布時，會對模型進行簡化，根據實際需求構建網格，實現各個區域劃分，按區域進行物理場展開求解。 1 壓片產生的力值測量首先將壓片按圖1所示用夾具固定后放人盛冷水的容器內，然后放在壓力機下，壓片一端以恒定的速率被壓下2.8mm(靜觸頭插人梅花觸頭時，壓片被壓下的距離)，保持壓盤的頂針不動，通過加熱棒加熱水，調節水的溫度由20℃升至100℃，用溫度計監測水溫，記錄電腦上顯示的力值，溫度每變化 10°C記錄一次力值。記憶合金壓片和普通壓片測 量結果見表1。
圖1 力值測量 由表1可以看出，隨著溫度的升高，普通彈簧鋼壓片的力值基本不變，而記憶合金壓片的力值在達到溫度形變點(50時迅速增大，并在高溫時逐漸趨于平緩。在20～30℃的范圍，記憶合金壓片的力值比普通壓片的力值小；大于30℃，記憶合金壓片的力值比普通壓片的力值大。 表1 壓片力值與溫度的關系
2 斷路器手車觸頭有限元計算模型2.1 斷路器手車觸頭基本結構觸頭結構見圖2,觸頭設有觸臂、靜觸頭以及梅花觸頭，而梅花觸頭又由觸指、支撐架和壓片組成。支撐架的中間設有通孔，支撐架的外周設有用 于固定觸指和壓片的定位孔；觸指裝配于支撐架上并構成環形體，壓片裝設于觸指外側，壓片的中間部分固定于支撐架定位孔側壁，壓片兩端與觸指兩端扣接，扣接后壓片為觸指和靜觸頭、觸指和觸臂的電接觸面提供接觸壓力。為了降低接觸電阻，在觸指和靜觸頭的表面鍍銀，厚度為12μm
圖2 觸頭結構 2.2 計算原理一般情況下，電流和熱流只能通過接觸面從一個部分傳遞到另一部分。C0MS0L中分別在結構力場中設置接觸對，電流場中設置電子接觸對，傳熱場中設置熱接觸對(接觸對即觸指和靜觸頭、觸指和觸臂的電接觸面)。具體原理如下：首先在觸指的上表面施加邊界載荷(普通壓片為恒定壓力38N；記憶合金壓片為由表1記憶合金壓片溫度和力值關系定義的內插函數，參變量為溫度，函數為對應的力值)，代人到結構力場去計算出觸點的初始接觸壓力，由觸點的初始接觸壓力進一步計算出初始接觸電阻和初始接觸熱阻；然后將接觸電阻當作輸人的參數代人到電流場計算出每一部分的焦耳損耗，并當作熱量輸人與接觸熱阻一起代人到傳熱場來計算各個節點的溫度，觸點溫升產生的熱應力會影響接觸壓力，進而影響接觸電阻和接觸熱阻，接觸電阻和接觸熱阻的變化又會反過來影響傳熱場，直到溫度趨于穩定值，因此斷路器手車觸頭溫升計算需要多次迭代直至收斂。 3 插入深度和偏移角度(普通壓片）靜觸頭插人深度試驗平臺見圖3,在控制臺輸人移動距離，斷路器手車移動到不同的指定位置，使靜觸頭全插人、插人3/4、插人1/2和插人1/4，用回路電阻測試儀分別測量不同插人深度下的普通梅花觸頭的接觸電阻，測量結果見表2。
圖3 靜觸頭插入深度試驗平臺
表2 不同插入深度下梅花觸頭接觸電阻試驗值
由表2和圖3可以看出，靜觸頭插人的越少，接觸壓力就越小，電阻值也就越大。插入深度在一定范圍內，電阻值變化并不顯著；而當插人深度小于某一值時，電阻值迅速增長，主要原因是觸指的弧面與靜觸頭末端錐形端面連接(為了更容易插人而設計的)，在壓片壓力作用下，弧形的觸指接觸端面對靜觸頭的軸向擠壓力將變大，靜觸頭開始從觸指中退出，靜觸頭和觸指接觸不充分，造成接觸電阻迅速增大。 采用文中所建立的斷路器手車觸頭模型，在環 境溫度為28℃(301.15K),僅對結構力場進行計算。添加參數dx，選擇靜觸頭作為移動對象，移動距離設置為dx (即靜觸頭插人的距離),然后參數化掃描dx，范圍從0 mm到28 mm，仿真結果見圖4。
圖4 插入深度和接觸面平均壓力的關系 計算接觸電阻的經驗式為
式（1）中：R1為觸頭的接觸電阻，μΩ 由式(1)可以看出，接觸電阻和接觸壓力呈反比，仿真得到的接觸壓力平均值隨插人深度的變化規律和試驗得出的梅花觸頭接觸電阻隨插人深度的變化規律相近，驗證了仿真的正確性。 同理添加參數sx，選擇靜觸頭作為偏移對象，偏移角度設置為sx，然后參數化掃描范圍從0°到2°， 仿真結果見圖5。
圖5 偏移角度和接觸面平均壓力的關系
靜觸頭的同軸偏移角度越大，接觸面平均壓力越小，但是在一定范圍內接觸面平均壓力減小并不明顯，所以插歪的情況對接觸電阻影響相對較小。 當電流通過觸頭時接觸點的溫升計算式為
式(2)中：L為系數，2.4xl0-8V2/K2；T為觸頭平均溫度。由式(2)可以看出，隨著接觸電阻增大，接觸點溫升呈平方型大幅度增長。 4 插入深度為1/2情況下的仿真分析采用文中所建立的斷路器手車觸頭模型，在環境溫度為28℃(301.15K),以靜觸頭插人深度1/2為例，計算頻率為50HZ電流大小為1250 A，斷路器手車觸頭的電流密度分布、溫度分布和應力分布。 4.1 電流場仿真結果分析電流密度分布見圖6。從圖6可看出，電流由觸臂通過觸指流到靜觸頭，電流線在觸指和靜觸頭、觸指和觸臂的電接觸面收縮形成附加的接觸電阻，接觸電阻乘以電流的平方在觸點上形成了額外的焦耳熱源。
圖6 電流密度分布 4.2 溫度場仿真結果分析由于梅花觸頭和靜觸頭都處于觸頭盒內，相對封閉，換熱系數要低于空氣自然對流換熱系數，據經驗設置為2W/(m2·K)。 1) 裝有普通壓片觸頭的溫度分布見圖7(a)，由于導體的熱傳導性好，觸頭穩定溫升范圍為78.7?78.9 K,整體溫度分布基本一致，但超過國標允許的75K，長時間運行會引發過熱性故障。從圖7(b)可以看出，觸指和觸臂接觸點上的溫度要高于其他部位，這主要是由于電流流經接觸點時發生收縮，形成了接觸電阻，接觸電阻乘以電流的平方產生額外的焦耳熱源。 2) 裝有記憶合金壓片觸頭的溫度分布見圖8，觸頭穩定溫升范圍為74?74.1K，與圖7(a)普通壓片相比整體溫升下降了4.8 K。 4.3 結構力場仿真結果分析靜觸頭上的應力分布見圖9,從圖9可以看出，由于壓片壓力施加在觸指和靜觸頭接觸面積很小的觸點上，在觸點上出現了應力集中現象。銀的屈服強度是35 MPa，觸點的初始應力大致為6MPa,最 終應力大致為56 MPa，所以觸指和靜觸頭接觸部分的鍍銀溫升前處于彈性形變狀態，溫升穩定時處于塑性形變狀態。
圖7 溫度分布(普通壓片）
圖8 溫度分布(記iz合金壓片}
圖9 靜觸頭應力分布
5 對比溫升試驗B相位于三相中的內側,散熱條件較A、C相差,而A相和C相的梅花觸頭均位于三相中的外側,散熱條件可以基本認為一樣,所以對比試驗選擇A相和C相。 首先將斷路器上的A相梅花觸頭上的普通壓片取下,然后替換成試驗所需的記憶合金壓片。用熱電偶在需要測量溫升的部位進行測量。熱電偶上貼上編好序號的標簽,利用能夠耐高溫的膠帶在所對應的測量點進行粘貼,主要在梅花觸頭、靜觸頭以及觸臂上,見圖10。最后將斷路器手車推入開關柜內,為了模擬對接深度不足的情況,斷路器手車推到位后手樹逆時針搖動一圈半(約退出15mm)。
圖10 斷路器布點
采用的是TDCZ-接觸式調壓器,調節后輸出1250A的電流。利用12kV1250A開關柜進行整柜試驗。溫升試驗示意圖見圖11。
圖11 12kV1250A開關柜對比溫升試驗
A相和C相梅花觸頭穩定溫升對比見表3,由于熱氣流密度小往上升,所以導致上端梅花觸頭的溫升高于下端梅花觸頭的溫升。C相上下端普通梅花觸頭溫升均超過國標允許的75K,長時間運行會引發過熱性故障。A相上下端記憶合金梅花觸頭溫升比C相上下端普通梅花觸頭溫升分別降低了5.7K和4.2K,可有效降低梅花觸頭過熱性故障的故障率。 表3 A相和C相梅花觸頭穩定溫升對比
6 結語插入深度不足導致的梅花觸頭接觸電阻增大是斷路器手車觸頭過熱性故障的主要原因。 使用記憶合金壓片有助于降低梅花觸頭溫升,可在一定程度上降低插入深度不足引發的過熱性故障的故障率。 |
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