徐紅宇
摘 要:我局10kV開關(guān)柜有一半是采用的KYN型,而每年我局因為手車開關(guān)隔離觸頭(下面簡稱動靜觸頭)發(fā)熱引起爆炸的案例時有發(fā)生,此文就針對一起10kV開關(guān)爆炸的原因以及為什么銅鋁搭接容易引起發(fā)熱的原因進行了詳細(xì)的分析,并對此類家族型缺陷提出了相應(yīng)的整改措施。
關(guān)鍵詞:觸頭盒;靜觸頭;母排
1故障概況
某220kV變電站內(nèi)一臺10kV開關(guān)故障,造成2號主變低后備保護動作跳開2號主變低壓側(cè)開關(guān),站內(nèi)10kV2段母線失壓。到現(xiàn)場核查后,發(fā)現(xiàn)10kV2段電容1路921開關(guān)柜內(nèi),開關(guān)倉爆炸,921開關(guān)受損嚴(yán)重,故障點發(fā)生在開關(guān)C相上觸頭盒內(nèi),觸頭盒、動靜觸頭及分支母排已全部被融化掉。
2開關(guān)爆炸原因分析
2.1引起開關(guān)爆炸的原因分析
根據(jù)現(xiàn)場,故障點位置發(fā)生在開關(guān)C相上觸頭盒內(nèi)(觸頭盒內(nèi)有動觸頭與靜觸頭、靜觸頭與母排兩個搭接點)。據(jù)保護動作情況看,發(fā)生故障的觸頭盒內(nèi)是先發(fā)生單相接地,然后引起三相短路,開關(guān)爆炸,保護動作。從動作情況說明引起單相接地的故障點發(fā)生在觸頭盒內(nèi),要引起該處接地必須是觸頭盒絕緣得到破壞,因此,如果我們找到了破壞觸頭盒絕緣的原因就找到了引起開關(guān)爆炸的原因?,F(xiàn)就對破壞觸頭盒絕緣的原因提出幾點假設(shè)進行分析:
(1)由于手車開關(guān)操作不當(dāng)人為因素造成。此開關(guān)在上次預(yù)試以來,一直處于正常運行狀態(tài),無任何故障報警,在爆炸投運前是處于熱備用狀態(tài),因此投運前并無小車搖進搖出操作,這里可以排除沒搖到位致使插入深度不夠或者對中不好等問題造成,可排除此原因。
(2)觸頭盒絕緣本身存在缺陷。此項通過查閱上次在2013年04月22日預(yù)試的修試記錄,未發(fā)現(xiàn)異常,整體耐壓、開關(guān)本體試驗均合格,觸頭盒并未到使用年限,因此可以排除此原因。
(3)觸頭盒受到大的機械力作用,絕緣遭到破壞。此開關(guān)在上次預(yù)試運行狀態(tài),在投運前是處于熱備用狀態(tài),投運前并無小車搖進搖出操作,當(dāng)時也無大的外力對其觸頭盒發(fā)生強力的機械損傷,同樣排除。
(4)觸頭盒內(nèi)觸頭接觸部分本身發(fā)熱致使觸頭盒絕緣損壞,引起短路,發(fā)生爆炸。原因分析有以下幾點:
一、對相鄰柜同型號同批次的另一臺開關(guān)動靜觸頭檢查發(fā)現(xiàn)該開關(guān)的動觸頭已嚴(yán)重發(fā)熱至發(fā)黑狀態(tài),且觸指彈簧片已有2片退火失效。靜觸頭進行檢查發(fā)現(xiàn)靜觸頭有嚴(yán)重過熱現(xiàn)象,靜觸頭尾部即觸頭與母排連接處已有嚴(yán)重發(fā)熱發(fā)黑的跡象,此問題具有類同性。
二、該開關(guān)型號為VD4-12型,靜觸頭直徑僅3cm(比華儀和森源等開關(guān)所配靜觸頭小將近2cm),廠家設(shè)計靜觸頭載流能力大小應(yīng)是采用銅制材料載流能力考慮的,而我們現(xiàn)場開關(guān)靜觸頭與其搭接的分支母排是采用的鋁母排,這就使得實際的載流能力大大減小。更為嚴(yán)重的是造成了靜觸頭與母排之間是銅-鋁的搭接方式,銅鋁搭接容易引起電腐蝕氧化,氧化程度會隨著運行環(huán)境和時間不斷累積惡化。
三、鋁母排的制作工藝不到位,鋁母排制作工藝粗糙,打孔后的邊角未打磨,凹凸不平,這不僅造成接觸不良。
因此,觸頭盒內(nèi)觸頭接觸部分本身發(fā)熱致使觸頭盒絕緣損壞,引起短路,發(fā)生爆炸是完全符合現(xiàn)場情況和邏輯推斷的。為此,我們總結(jié)故障原因為:分支母排未按設(shè)計的要求采用銅制材料,致使靜觸頭與排搭接處的載流能力大大減小,靜觸頭與分支母排之間形成了銅-鋁的搭接方式容易引起氧化,加之鋁母排的接觸面粗糙、走眼造成的接觸面進一步減小等問題,使得觸頭長時間的嚴(yán)重發(fā)熱,不斷惡化,引起動觸頭觸指彈簧片退火失效,致使動靜觸頭接觸壓力極具減小,接觸電阻極具增大,這樣反復(fù)惡性循環(huán),造成當(dāng)開關(guān)再次投入運行時,開關(guān)將再不能承受正常負(fù)荷而將動靜觸頭熔化,觸頭盒絕緣受損,造成單相接地,引發(fā)三相短路,開關(guān)爆炸。
2.2銅-鋁搭接容易引起發(fā)熱的原因分析
我們知道搭接面發(fā)熱的原因是由于接觸電阻增大致使電壓降增大造成的。接觸電阻由收縮電阻和表面膜電阻組成,接觸電阻同時與觸頭材料、觸頭壓力、接觸面形式、表面、氧化程度和清潔狀況等有關(guān),因此要準(zhǔn)確的計算出接觸電阻的大小較難,用經(jīng)驗公式計算,即
(1-1)
式中 Rj――觸頭接觸電阻(Ω);
F――觸頭壓力(N);
m――與觸頭接觸形式有關(guān)的常數(shù),對于點接觸m=0.5,線接觸m=0.5~0.7,面接觸m=1;
K――與接觸材料、接觸表面加工方法、接觸面狀況有關(guān)的常數(shù),見下表
在不考慮被氧化的情況下通過式(1-1)將銅-銅與銅-鋁搭接的2個K值代入,可以算出,后者的接觸電阻在最大的情況下可以到達(dá)10倍之多。
此外從被氧化的容易程度來看,銅-鋁搭接時電化學(xué)電勢差為580mV≥350mV(產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的臨界電壓),很顯然銅鋁電化學(xué)電勢差已經(jīng)超過了臨界電壓值,只要環(huán)境潮度較大時,就易造成電腐蝕,且此過程是惡性循環(huán)的。
3 整改措施
3.1將開關(guān)柜柜內(nèi)鋁母排全部更換為銅母排。
使用銅母排一是滿足了設(shè)計的載流能力要求,二是避免了銅-鋁搭接時容易造成的氧化影響,同時銅比鋁的散熱能力相對要強。
3.2將隔離靜觸頭進行改進,增大接觸面,增加載流能力余度。
由于工作條件和人為因素所限,母排的制作和開關(guān)安裝工藝時常達(dá)不到理想的要求,無意中就縮小了接觸面積,當(dāng)運行線路長期處于一個滿負(fù)荷狀態(tài)時,容易造成發(fā)熱。因此對靜觸頭進行改進,增大接觸面,就增加載流余度,提高了可靠性。
4 總結(jié)
此次故障主要是由于現(xiàn)場母排使用的鋁材料與設(shè)計的靜觸頭不搭配,引起發(fā)熱造成的,其實引起觸頭發(fā)熱的原因是多種多樣的,但由于現(xiàn)場爆炸的開關(guān)已不能還原實際運行狀態(tài),因此,分析中參考了相鄰?fù)文妇€同批次型號開關(guān)的信息。本文的目的除了提出對有類似問題的整改措施外,另一個目的是提醒大家對使用新設(shè)備時,需謹(jǐn)慎考慮新設(shè)備所需的使用條件。