145 kV户外交流隔离开关触头发热原因分析

张 杰，王炯耿，周阳洋，胡洁梓，周宇通

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 310000）

0 引言

户外交流高压隔离开关（以下简称隔离开关）是三相交流50 Hz户外高压电器，供高压线路在无载流情况下进行切换，对被检修的高压母线、断路器等实现安全的电气隔离，是电网中使用范围最广、使用量最大的高压开关设备[1]。据统计，隔离开关触头发热的现象普遍存在，占到隔离开关触头缺陷问题的30%[2-3]。因此，为保障特高压工程的运行安全，对特高压变电站中户外交流隔离开关触头发热原因进行分析，为运维检修人员提供可靠的依据。

1 故障情况

2013年投运的2座1 000 kV特高压变电站（以下称甲变电站和乙变电站）在运行过程中，发现同为某公司生产的4台某型号低压电抗器（以下简称低抗）隔离开关出现过热现象。隔离开关额定电压145 kV，额定电流2 500 A（对应低抗型号BKK-80000/110，单相补偿容量为80 Mvar，额定电流1 320 A）。

甲变电站隔离开关缺陷有以下2种情况：

（1）2号主变压器（以下简称主变）1133低抗11331隔离开关触头温度异常。

设备因发热更换A相、B相触头，同时对C相进行了清洁处理，运行不久后测温发现该隔离开关C相温度异常升高，采用红外测温仪测得接触点最高达102℃，根据DL/T 664-2008[4]，隔离开关刀口热点温度超过90℃，为严重缺陷。重新更换C相触头，检查发现该闸刀触头接触电阻较其余两相大。再次更换C相触头，测得A相23℃，B相59℃，C相13℃（环境温度为10℃），以温度相差最大的B相和C相计算相对温差：τ=（59-13）/（59-10）×100%=93.8%＞80%， 仍然属严重缺陷。

（2）1号主变11131和11231隔离开关咬合点处过热。

巡检中测得11131隔离开关B相、11231隔离开关B相咬合点最高温度分别为98℃和96℃，其余两相温度约为25℃（环境温度9℃）。B相和其他相的相对温差 τ=（98-25）/（98-10）×100%=82.9%＞80%，属严重缺陷。

过热隔离开关的对应触头（B相）更换后，11131隔离开关A，B，C相温度为21℃，21℃，43℃（环境温度8℃下测得），C相和其他相的相对温差 τ=（43-21）/（43-10）×100%=66.7%＜80%，但绝对温差值22℃＞15℃，属于一般缺陷。

乙变电站的缺陷情况为：2号主变1133低抗11331隔离开关触头及母线侧线夹温度分别达到115℃和100℃，均大于90℃，属严重缺陷。

从以上可以看出，两座变电站内同厂家同型号的触头均存在不同程度的触头发热问题。在第一次隔离开关触头发热后，制造厂家给出的故障原因为：前次更换触头系统时，对安装面没有按要求清洁处理，导致其发热。在触头再次更换的过程中，制造厂家对A，B，C三相触头表面进行了仔细的清洁处理，但再次更换后触头仍然发热。为分析该型号隔离开关触头发热原因，取乙变电站更换下来的1号主变1123低抗11231隔离开关三相触头进行相关试验分析。

2 X射线荧光法镀银层厚度测量

采用X射线荧光法对11231隔离开关A，B，C三相触头接触面镀银层厚度进行测量，检查触头是否满足DL/T 486-2010要求[5]。试验采用FISHERSCOPE X-RAY型X射线荧光镀层测厚仪测量，测量部位为图1中的黑点标记部位，实际检测结果见表1。

表1 X射线荧光法检测镀银层厚度结果 μm

从表1数据可以看出，取样触头的镀银层厚度在X射线荧光检测法下，仅2个点镀银层厚度小于 20 μm， 分别为 18.9 μm 和 19.5 μm。 从 X 射线荧光法镀银层测厚的数据来看，触头接触面的镀银层在抽查点上的厚度基本能够满足要求。

3 接触面的宏观检测和显微镜下观测

取1123低抗11231隔离开关三相触头（见图1），通过样品宏观检测，接触面较光滑，未见触头接触面上存在积灰积垢和氧化物的情况，可排除由于触头接触面自清洁不足的氧化、积垢导致发热。在ZEISS Stemi 2000-C型立体显微镜下对隔离开关触头接触面，即发热位置（如图1所示黑点标注的为接触面上的检测部位）做宏观检查，发现接触面有不同程度的磨损现象，磨损长度超过接触面长度一半。在显微镜下可以观测到镀层表面的宏观图像（如图2所示），从图像可以看出，镀层表面局部不平整，沟痕起伏明显，表面有孔洞，缺陷直径约0.1 mm，但无法观测到孔洞是否露出基底，因此需进一步用金相法察看。

图1 镀银层厚度测量部位

图2 触头表面镀层宏观照片

4 金相分析

分别在乙变电站1号主变1123低抗11231隔离开关A，B，C三相触头上，选取图1中黑点标注的凸起位置做镶嵌样观测切面情况，在型号为ZEISS Axiovert 200 MAT金相显微镜下进行金相分析。观测结果见表2，其中C相触头基层及镀层金相图片见图3、图4。

表2 金相分析结果

图3 C相触头基底金相组织（×100）

图4 C相触头镀层金相照片（×1 000）

根据金相分析可以看出，隔离开关触头试样的基底照片均为清晰的α相+β相，组织清晰正常。但A，B，C三相触头接触面的镀银层均存在不同程度的磨损痕迹，由金相照片可知最薄处镀银层厚度为0 μm，已露出铜基底。

5 化学成分分析

为排查是否由于触头的基体材质不合格而导致过热，对触头试样的底材进行了化学成分分析。采用材料分析移动工作站SPECTROTEST对该触头进行材质测定，检测结果见表3，据此判断是底材为纯铜，满足要求。

表3 隔离开关触头试样底材材质成分

6 硬度试验分析

取A，B，C相触头进行镀层硬度检测，采用DUH-211型超动态显微硬度计检测。试验采用80 mN试验压力，20 s保压时间，并在5 s内释放压力。检测结果为：A相、B相和C相镀层的硬度分别是73.5 HV，71.5 HV和71.5 HV。按照DL/T 486-2010[5]中要求的镀层硬度不小于120 HV来看，故障触头的镀层硬度远未达到产品要求。由于硬度越高的镀层耐磨性越好，因此故障触头镀银层耐磨性明显不足。

7 结果与讨论

关于户外高压隔离开关触头发热机理，相关文献进行了报道[6-11]，综合来说，大致可以分为以下4类：

（1）触头自清洁能力不足导致接触面污垢堆积、接触面产生氧化物。

（2）触头尺寸不合理或合闸位置不当。

（3）触头插入深度不到位或螺丝松动或弹簧老化弹性系数下降造成接触压力不足。

（4）触头选用的铜基材料不良、镀银层厚度不够，运行时经过磨损产生露铜现象。

从故障部件接触面的情况来看，未见接触面有氧化物的现象，可以排除由于接触面氧化导致触头发热。在第一次触头发热时的故障原因分析中，厂家认为是在安装过程中清洁不足致使接触面产生污垢而导致发热，但之后厂家对发热触头进行了更换并对表面清洁处理，再次更换的触头仍然发热，因此可断定，触头发热并非由于安装时接触面清洁不足导致。

制造厂家在故障原因分析中称，已对故障触头的尺寸进行了复测，结果符合图纸要求，可以排除由于触头尺寸不合理导致的发热。而甲、乙变电站同型隔离开关触头均出现发热情况，也可以排除由于合闸时操作不当导致合闸位置不当而引起发热。

从触指表面的磨损痕迹超过接触面长度一半的情况来看，触头的插入深度已超过触指长度的一半，可以排除触头插入深度不到位导致的发热，但未能排除螺栓松动或弹簧老化引起的压力不足而导致的压力。

从故障触头的基底金相可知，基底组织清晰正常，因为可以排除由于铜基材料不良导致发热。

触头接触面通过X射线荧光法选取的点所测得的镀银层厚度合格，说明接触面大部分面积上镀银层厚度是合格的。但由于X射线荧光法扫查点面积很小，仅Φ0.3 mm，X射线荧光法对接触面上一些局部厚度检测存在盲区。金相检测时发现一些部位镀银层厚度为0 μm，说明该部位已经露铜。根据文献[12]给出的计算接触电阻的公式：

式中：Rj为接触电阻；F为接触压力；m为接触形式、压力范围和实际接触点的数目等因素有关的指数；kj为与接触材料、表面状况等有关的系数，其值由实验测得。Ag-Ag接触时该值为0.06，Ag-Cu接触时，该值为0.98，由此可见，露铜对接触电阻的影响巨大，直接导致触头发热。

显微硬度检测时发现接触面部位的硬度远小于正常值，说明镀层耐磨性差[13]，结合接触面的磨损痕迹可以推断，由于镀层耐磨性差导致磨损而使得触头部位露铜。

8 结语

通过本次触头发热故障分析，可以得出以下结论：

（1）可以排除触头发热的原因有：接触面污垢、氧化造成的发热；触头尺寸不合理或合闸位置不当热；触头插入深度不到位；触头（或触头）选用的铜基材料不良等原因。

（2）触头接触面局部露铜是导致隔离开关触头发热的原因之一。

（3）触头接触面硬度远小于标准要求值，将造成镀层的耐磨性差，可能导致触头在开合的过程中镀层磨损而露铜。

针对以上情况，为减少由于触头镀银层质量不合格而导致的发热，建议督促产品制造商提高隔离开关触头的镀银工艺，提高镀银层表面均匀度、硬度，出厂前对触头镀层厚度、均匀性、硬度全部进行检测，必要时进行金相抽检。使用单位应提高镀银层检查力度，在设备投运之前针对隔离开关镀银层触头镀银层质量做相应抽查，检测项目包括镀层厚度、均匀性、硬度、附着力等。用户应加强采购阶段的质量监督，选择质量良好的产品，加强对已运行的隔离开关监督检查，对发热开关结合检修进行检测，找出发热原因。

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