一起隔离开关发热熔断故障分析与对策

苗金锋，杜鹏，杨海涛

（1.济南电力设计院，济南250000；2.山钢股份济南分公司，济南250101）

一起隔离开关发热熔断故障分析与对策

苗金锋1，杜鹏2，杨海涛2

（1.济南电力设计院，济南250000；2.山钢股份济南分公司，济南250101）

根据变电站设备运行实际，对一起隔离开关发热熔断故障案例进行分析，探讨隔离开关发热诱因，研究隔离开关触头过热事故的原因及应采取的措施，为变电站实施反事故技术措施提供了依据。

隔离开关；过热；触头

0 引言

隔离开关是输变电系统中的一个重要元件，与供电系统的安全稳定有着密切关系。作为一种转换电路和保证停电检修安全的设备，高压隔离开关在电网中被广泛使用［1］。随着变压器、断路器制造工艺和运行水平的提高，以及状态检修的实施，断路器故障大为减少，检修工作量亦显著降低。然而隔离开关故障和缺陷却开始增加，经常出现发热、锈蚀、闪络等异常，严重影响人身和电网安全。结合济钢第七降压站隔离开关发热熔断故障案例，分析隔离开关发热的诱因，并结合实际工作，从技术要点和管理手段出发，切实提高设备安全运行可靠性。

1 案例描述

2013－11－16 T 05∶23∶54，济钢第七降压站Y3211柜零序保护动作同时A相过流报警随即速断跳闸，经进一步检查确认，无功补偿装置TCR支路35 kV隔离开关A相短路烧损，经调取查看故障现场视频录像，故障点处弧光短路现象明显故障最终导致相间短路，系统压降影响高炉、转炉、轧钢等多条主要生产线。故障后，经现场检查及后台数据确认，排除小动物、杂物等外部因素影响，隔离开关熔断故障为触头过热，如图1所示。

图1 隔离开关熔断故障

2 问题分析

2.1 隔离开关导电部分结构

该故障隔离开关系某高压开关厂生产的GW4-40.5 W型户外隔离开关，其导电部分主要包括触头、触指（触片）、触指座和导电管，结构见图2。隔离开关触头形状为扁柱形，触指由两排（每排三片铜片）构成，每片铜片用销子连接一个弹簧。当隔离开关由分到合时，带电的触头经过隔离开关的传动机构伸到触指内部，触指由于压缩弹簧而使弹簧产生反作用力，进而将力传递到触指和触头的接触面上，增大接触压力，减小接触电阻，电流通过触头、触指、触指座和导电杆接通回路，使线路带电。

图2 GW4-40.5 W型隔离开关触头

2.2 隔离开关发热原因

2.2.1 设计结构

从图2中可以看到，触指由左右两侧6个铜片组成，每个铜片仅有1个压缩弹簧，且弹簧尾端以销子固定。经现场拆解分析，每对左右触指通过1根螺栓连接的方式是存在缺陷的。当触指压力不足引起左右两侧接触电阻不等时，会有部分电流从螺栓处分流，如图3所示。触头接触通过电流时，其实际上形成一个电桥电路，其中R1~R4为触指接触部位的4个接触电阻，R5为螺栓的电阻值。流过螺栓的电流ΔI的大小，与R1~R4这4个接触点的好坏密切相关。由于不锈钢材质螺栓的导电性差，螺栓与触指座仅通过弹簧连接，接触电阻很大，因此即使电流很小，螺栓发热也会相当严重，长时间高温运行下容易造成螺栓烧熔断裂，导致触指脱落。

图3 触头导电通路

单一压缩弹簧且弹簧簧丝过细，在隔离开关多次分合后，有可能造成弹簧压力不均，从而导致触指铜片发生位移，影响隔离开关同期度的同时造成个别触指压力降低。隔离开关熔断故障发生后，对该站及六降压同型号隔离开关进行直流电阻测试，如表1所示。

根据该隔离开关产品技术说明书中规定，额定电流1 250 A隔离开关回路电阻值不大于100 μΩ，经试验发现个别隔离开关确实存在触指接触不良导致直流电阻异常增大现象。

弹簧以销子固定，不可人为调节弹簧压力，给检修调试带来严重影响。因此，经实际操作验证，此种设计结构，在设备多次操作中，极易出现触指单边接触的情况，接触面积减小，势必造成隔离开关触头发热。

表1 六降压隔离开关回路直流电阻试验数据

2.2.2 隔离开关材质问题

对济钢供电系统中同类型隔离开关运行状况进行统计分析，发现仅有同一批次的六、七降压无功补偿系统隔离开关存在触头发热现象，对比不同点主要在于该批次隔离开关用料及材质。隔离开关导电杆、出线座等绝大部分采用铝质构成，其中仅有触指和触头为铜质部件。

金属铝的电导性远低于铜质部件，随着温度升高，铝质自身导体电阻增大，导致导体产生热量从而形成恶性循环，造成发热点迅速恶化，最终导致设备温度在短时间内急剧上升。相对于铜的熔点（1 083℃），铝的熔点（660℃）要低得多［2］，因此一旦发生设备过热且温度上升至接近熔点时，由于其热稳定性不足，导电杆等铝质部件将会发生严重变形甚至熔化，从而导致隔离开关接触点的位移甚至分断形成拉弧，电弧所产生的巨大热量将导致剩余铝质部件的完全熔化直至短路跳闸。根据对济钢七降压故障现场及监控画面的分析，可以基本判定铝质部件受热变形、拉弧、熔化（如图4）是造成本次故障的关键原因。

图4 铝质导电杆受热熔化

2.2.3 触指和触头的接触面积

根据隔离开关导电原理不难发现，触头和触指之间的接触只是一条线，接触面积较小，而且由于产品的多方面原因和制造工艺问题，有可能会造成触指和触头的表面粗糙、坑洼、毛刺，这样就使得本来较小的接触面更小，同时接触电阻增大，继而导致接触部位发热。试验证明，触指与触头的接触点是最易发生过热现象的部位，根据大电流温升试验结果（如表2所示），存在接触隐患的隔离开关接触点，在隔离开关额定电流1 250 A状态下运行不到5 min，设备表面温度已经超过180℃。

表2 六降压隔离开关大电流温升试验数据

2.2.4 弹簧的老化问题

弹簧的主要作用是将压力传递到触指和触头的接触面上，增大接触压力，但由于弹簧本身的性能原因，在常年运行后会出现老化的情况，加上由于发热的原因，会使弹簧的倔强系数变小，尤其是那种可能会利用弹簧分流的隔离开关，老化速度更为明显。一些污秽程度较高的地区，在每年的检修过程，都会发现一些弹簧锈蚀断裂的情况，不利于隔离开关的正常工作。

2.2.5 检修问题

检修过程中，检修人员要为隔离开关的导电部分涂抹导电膏，为传动机构上润滑剂，检查隔离开关的工作性能［3］。很多检修人员没有正确认识导电膏，操作错误，不但增大了接触电阻，而且导电膏容易吸附灰尘，使情况变得更加复杂。另外，在检修过程中，很少拆下隔离开关细致检修隔离开关的各部分零件，不能对问题零件及时更换。

3 隔离开关发热问题的处理方法

3.1 更换铜质导电部件

材质问题是造成此次故障及影响扩大化的主要原因之一，根据不同材质在高热情况下的试验分析，纯铜导电结构，即使在设备异常发热甚至产生电弧的情况下，由于铜良好的热稳定性，仍然可以保证设备的基本运行状态，为应急处置提供时间。根据市场价格计算，相对于铝质结构其价格要高，但从长期的运行看，假如设备故障要将线路进行停电，停电造成的经济损失及影响要远远超出更换成本，因此是十分有必要的。

3.2 增大触头和触指的接触面积

触头和触指是设备发热的关键点，其线接触的结构特点，就决定了在接通大电流时，发热情况在所难免。因此，如何增大接触面积是解决发热问题的关键所在。通过大量理论研究和实践经验探索，在不改变现有隔离开关接触方式及机械结构的情况下，增加触头铜块厚度，加大触头和触指的接触面积，分流触头和触指的电流，减少发热量，同时，在触头铜块与铝导电杆间增加铜铝过渡夹，以减少铜铝接触电阻过大的问题。

3.3 提高弹簧可靠性

弹簧是保证隔离开关导电部分正常工作的重要环节，但其老化和锈蚀问题始终难以得到解决，如何让弹簧正常工作，且能够及时有效发现弹簧隐患，是问题的关键。

选材和用料。弹簧的用料极其关键，一定要选用不锈钢标号合格的、倔强系数较高的材料，必要时，建议采取热镀锌处理。

调整弹簧结构及数量。在保证隔离开关触头和触指工作压力和水平承载力的前提下，在触指内侧增加1根弹簧，使压力分布在多个弹簧上，优化弹簧的工作环境。

调整螺栓结构。将触指改为左右分别固定的方式，即每对触指用2根螺栓分别固定，使螺栓不再成为电流经过的通道，同时将螺栓两端加装触指紧固螺帽，便于检修过程中针对弹簧性能差异进行调节，如图5所示。

图5 弹簧及螺栓结构调整

3.4 强化检修的质量

隔离开关的检修主要包括操作机构的清扫调整、传动机构的检查紧固以及触头部分的打磨润滑，其中接触部分的检修质量将直接决定隔离开关运行状态，因此，必须严格规范其检修流程。

首先用细锉锉去接触面的毛刺，并用砂纸将接触面研磨平整；然后用去油剂除去表面上的油污，用细钢丝刷除去表面氧化膜；再用干净的棉纱蘸酒精将接触面擦拭干净；等表面干燥以后，先预涂0.05~ 0.1 mm厚的工业凡士林，将凡士林抹平，刚能覆盖接触面为宜，并用铜丝刷轻轻擦拭；然后除去膜层，擦拭表面、重新涂敷0.2 mm厚的工业凡士林。经过反复实践和摸索，接触面必须先认真处理，再涂敷工业凡士林。

实验室中对多项指标进行测试，发现导电膏并非良导体，其中含有的多种杂质，对金属接触面存在不同程度的划伤和氧化。为此经过反复的尝试和摸索，最终发现了导电性能良好且杂质含量极少的工业凡士林作为替代物。事实证明，工业凡士林处理后的触头，实际运行中效果很好。

3.5 管理方法

严把安装、交接关口。对于新的开关，由于运输造成的弹簧、螺栓松动或长时间存放接触面氧化等问题都可能导致其触头接触电阻增大，因此在运输、安装、调试过程中应实施全面有效的控制。同时必须将直流电阻测试、绝缘测试以及大电流温升测试纳入交接试验项目，妥善保存相应试验数据，以供运行参考。

加强运行巡视监控。对变电运行单位来说，运行参数的准确完备是分析处理电网事故的重要依据。济钢各主降压站根据运行要求，在站内建立了设备测温记录机制，每天3个班次，每班次4个时间点，根据巡视检查的要求，为设备进行测温，并且详细记录当天的天气情况、室内外温度、湿度、负荷情况等。通过长时间的分析对比，形成设备运行温度、负荷比例图谱，进而为调度的电网调整提供依据。

正确使用测温仪和引进先进的测温设备。目前常用的测温方法有测温蜡片和红外测温枪，通过观察蜡片颜色及设备红外图谱可以有效掌握设备运行状况。但上述两种方法都存在一定局限性，在大型设备监测中使用较为不便，也无法实现实时温度监测。引进红外线热成像仪代替测温枪，装设设备节点温度在线监测系统［4］，不仅可以取代人工巡检，还可以实时在线监测电气节点发热状况，实施超限报警，防止和减少事故发生。

4 结语

对一起变电站隔离开关发热熔断故障进行分析处理，从结构设计、材质、触头接触面积、弹簧老化、检修等方面分析隔离开关发热原因分析，并针对性提出处理及预防措施，同时提出了有效管理办法。

［1］GB 1985—2004交流高压隔离开关和接地开关标准［S］.

［2］李国兵，李培新.变电设备发热缺陷的管理［J］.电力安全技术，2005，12（7）：33-35.

［3］陈家斌.电气设备运行维护及故障处理［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［4］樊祥荣，侯善敬.电力设备故障红外诊断［M］.北京：中国电力出版社，1999.

Analysis and Improvement of an Isolating Switch Heat Failure

Based on operation practice of substation equipments，a calorific fusing case of the isolating switch is analyzed. Causes of abnormal overheat of isolating switches and the contacts are discussed，and improvement measures are proposed.This will serve as reference for anti-accident measures in substations.

disconnecting switch；overheat；contact

TM564

：B

：1007－9904（2014）06－0049－04

2014-09-11

苗金锋（1972），男，工程师，主要从事高压电力设计工作；

杜鹏（1973），男，工程师，主要从事高压电力系统检修、运行工作；

杨海涛（1985），男，工程师，主要从事高压电力系统检修测试工作。