145 kV戶外交流隔離開關觸頭發(fā)熱原因分析

張 杰，王炯耿，周陽洋，胡潔梓，周宇通

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 310000）

0 引言

戶外交流高壓隔離開關（以下簡稱隔離開關）是三相交流50 Hz戶外高壓電器，供高壓線路在無載流情況下進行切換，對被檢修的高壓母線、斷路器等實現(xiàn)安全的電氣隔離，是電網中使用范圍最廣、使用量最大的高壓開關設備[1]。據(jù)統(tǒng)計，隔離開關觸頭發(fā)熱的現(xiàn)象普遍存在，占到隔離開關觸頭缺陷問題的30%[2-3]。因此，為保障特高壓工程的運行安全，對特高壓變電站中戶外交流隔離開關觸頭發(fā)熱原因進行分析，為運維檢修人員提供可靠的依據(jù)。

1 故障情況

2013年投運的2座1 000 kV特高壓變電站（以下稱甲變電站和乙變電站）在運行過程中，發(fā)現(xiàn)同為某公司生產的4臺某型號低壓電抗器（以下簡稱低抗）隔離開關出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。隔離開關額定電壓145 kV，額定電流2 500 A（對應低抗型號BKK-80000/110，單相補償容量為80 Mvar，額定電流1 320 A）。

甲變電站隔離開關缺陷有以下2種情況：

（1）2號主變壓器（以下簡稱主變）1133低抗11331隔離開關觸頭溫度異常。

設備因發(fā)熱更換A相、B相觸頭，同時對C相進行了清潔處理，運行不久后測溫發(fā)現(xiàn)該隔離開關C相溫度異常升高，采用紅外測溫儀測得接觸點最高達102℃，根據(jù)DL/T 664-2008[4]，隔離開關刀口熱點溫度超過90℃，為嚴重缺陷。重新更換C相觸頭，檢查發(fā)現(xiàn)該閘刀觸頭接觸電阻較其余兩相大。再次更換C相觸頭，測得A相23℃，B相59℃，C相13℃（環(huán)境溫度為10℃），以溫度相差最大的B相和C相計算相對溫差：τ=（59-13）/（59-10）×100%=93.8%＞80%， 仍然屬嚴重缺陷。

（2）1號主變11131和11231隔離開關咬合點處過熱。

巡檢中測得11131隔離開關B相、11231隔離開關B相咬合點最高溫度分別為98℃和96℃，其余兩相溫度約為25℃（環(huán)境溫度9℃）。B相和其他相的相對溫差 τ=（98-25）/（98-10）×100%=82.9%＞80%，屬嚴重缺陷。

過熱隔離開關的對應觸頭（B相）更換后，11131隔離開關A，B，C相溫度為21℃，21℃，43℃（環(huán)境溫度8℃下測得），C相和其他相的相對溫差 τ=（43-21）/（43-10）×100%=66.7%＜80%，但絕對溫差值22℃＞15℃，屬于一般缺陷。

乙變電站的缺陷情況為：2號主變1133低抗11331隔離開關觸頭及母線側線夾溫度分別達到115℃和100℃，均大于90℃，屬嚴重缺陷。

從以上可以看出，兩座變電站內同廠家同型號的觸頭均存在不同程度的觸頭發(fā)熱問題。在第一次隔離開關觸頭發(fā)熱后，制造廠家給出的故障原因為：前次更換觸頭系統(tǒng)時，對安裝面沒有按要求清潔處理，導致其發(fā)熱。在觸頭再次更換的過程中，制造廠家對A，B，C三相觸頭表面進行了仔細的清潔處理，但再次更換后觸頭仍然發(fā)熱。為分析該型號隔離開關觸頭發(fā)熱原因，取乙變電站更換下來的1號主變1123低抗11231隔離開關三相觸頭進行相關試驗分析。

2 X射線熒光法鍍銀層厚度測量

采用X射線熒光法對11231隔離開關A，B，C三相觸頭接觸面鍍銀層厚度進行測量，檢查觸頭是否滿足DL/T 486-2010要求[5]。試驗采用FISHERSCOPE X-RAY型X射線熒光鍍層測厚儀測量，測量部位為圖1中的黑點標記部位，實際檢測結果見表1。

表1 X射線熒光法檢測鍍銀層厚度結果 μm

從表1數(shù)據(jù)可以看出，取樣觸頭的鍍銀層厚度在X射線熒光檢測法下，僅2個點鍍銀層厚度小于 20 μm， 分別為 18.9 μm 和 19.5 μm。 從 X 射線熒光法鍍銀層測厚的數(shù)據(jù)來看，觸頭接觸面的鍍銀層在抽查點上的厚度基本能夠滿足要求。

3 接觸面的宏觀檢測和顯微鏡下觀測

取1123低抗11231隔離開關三相觸頭（見圖1），通過樣品宏觀檢測，接觸面較光滑，未見觸頭接觸面上存在積灰積垢和氧化物的情況，可排除由于觸頭接觸面自清潔不足的氧化、積垢導致發(fā)熱。在ZEISS Stemi 2000-C型立體顯微鏡下對隔離開關觸頭接觸面，即發(fā)熱位置（如圖1所示黑點標注的為接觸面上的檢測部位）做宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)接觸面有不同程度的磨損現(xiàn)象，磨損長度超過接觸面長度一半。在顯微鏡下可以觀測到鍍層表面的宏觀圖像（如圖2所示），從圖像可以看出，鍍層表面局部不平整，溝痕起伏明顯，表面有孔洞，缺陷直徑約0.1 mm，但無法觀測到孔洞是否露出基底，因此需進一步用金相法察看。

圖1 鍍銀層厚度測量部位

圖2 觸頭表面鍍層宏觀照片

4 金相分析

分別在乙變電站1號主變1123低抗11231隔離開關A，B，C三相觸頭上，選取圖1中黑點標注的凸起位置做鑲嵌樣觀測切面情況，在型號為ZEISS Axiovert 200 MAT金相顯微鏡下進行金相分析。觀測結果見表2，其中C相觸頭基層及鍍層金相圖片見圖3、圖4。

表2 金相分析結果

圖3 C相觸頭基底金相組織（×100）

圖4 C相觸頭鍍層金相照片（×1 000）

根據(jù)金相分析可以看出，隔離開關觸頭試樣的基底照片均為清晰的α相+β相，組織清晰正常。但A，B，C三相觸頭接觸面的鍍銀層均存在不同程度的磨損痕跡，由金相照片可知最薄處鍍銀層厚度為0 μm，已露出銅基底。

5 化學成分分析

為排查是否由于觸頭的基體材質不合格而導致過熱，對觸頭試樣的底材進行了化學成分分析。采用材料分析移動工作站SPECTROTEST對該觸頭進行材質測定，檢測結果見表3，據(jù)此判斷是底材為純銅，滿足要求。

表3 隔離開關觸頭試樣底材材質成分

6 硬度試驗分析

取A，B，C相觸頭進行鍍層硬度檢測，采用DUH-211型超動態(tài)顯微硬度計檢測。試驗采用80 mN試驗壓力，20 s保壓時間，并在5 s內釋放壓力。檢測結果為：A相、B相和C相鍍層的硬度分別是73.5 HV，71.5 HV和71.5 HV。按照DL/T 486-2010[5]中要求的鍍層硬度不小于120 HV來看，故障觸頭的鍍層硬度遠未達到產品要求。由于硬度越高的鍍層耐磨性越好，因此故障觸頭鍍銀層耐磨性明顯不足。

7 結果與討論

關于戶外高壓隔離開關觸頭發(fā)熱機理，相關文獻進行了報道[6-11]，綜合來說，大致可以分為以下4類：

（1）觸頭自清潔能力不足導致接觸面污垢堆積、接觸面產生氧化物。

（2）觸頭尺寸不合理或合閘位置不當。

（3）觸頭插入深度不到位或螺絲松動或彈簧老化彈性系數(shù)下降造成接觸壓力不足。

（4）觸頭選用的銅基材料不良、鍍銀層厚度不夠，運行時經過磨損產生露銅現(xiàn)象。

從故障部件接觸面的情況來看，未見接觸面有氧化物的現(xiàn)象，可以排除由于接觸面氧化導致觸頭發(fā)熱。在第一次觸頭發(fā)熱時的故障原因分析中，廠家認為是在安裝過程中清潔不足致使接觸面產生污垢而導致發(fā)熱，但之后廠家對發(fā)熱觸頭進行了更換并對表面清潔處理，再次更換的觸頭仍然發(fā)熱，因此可斷定，觸頭發(fā)熱并非由于安裝時接觸面清潔不足導致。

制造廠家在故障原因分析中稱，已對故障觸頭的尺寸進行了復測，結果符合圖紙要求，可以排除由于觸頭尺寸不合理導致的發(fā)熱。而甲、乙變電站同型隔離開關觸頭均出現(xiàn)發(fā)熱情況，也可以排除由于合閘時操作不當導致合閘位置不當而引起發(fā)熱。

從觸指表面的磨損痕跡超過接觸面長度一半的情況來看，觸頭的插入深度已超過觸指長度的一半，可以排除觸頭插入深度不到位導致的發(fā)熱，但未能排除螺栓松動或彈簧老化引起的壓力不足而導致的壓力。

從故障觸頭的基底金相可知，基底組織清晰正常，因為可以排除由于銅基材料不良導致發(fā)熱。

觸頭接觸面通過X射線熒光法選取的點所測得的鍍銀層厚度合格，說明接觸面大部分面積上鍍銀層厚度是合格的。但由于X射線熒光法掃查點面積很小，僅Φ0.3 mm，X射線熒光法對接觸面上一些局部厚度檢測存在盲區(qū)。金相檢測時發(fā)現(xiàn)一些部位鍍銀層厚度為0 μm，說明該部位已經露銅。根據(jù)文獻[12]給出的計算接觸電阻的公式：

式中：Rj為接觸電阻；F為接觸壓力；m為接觸形式、壓力范圍和實際接觸點的數(shù)目等因素有關的指數(shù)；kj為與接觸材料、表面狀況等有關的系數(shù)，其值由實驗測得。Ag-Ag接觸時該值為0.06，Ag-Cu接觸時，該值為0.98，由此可見，露銅對接觸電阻的影響巨大，直接導致觸頭發(fā)熱。

顯微硬度檢測時發(fā)現(xiàn)接觸面部位的硬度遠小于正常值，說明鍍層耐磨性差[13]，結合接觸面的磨損痕跡可以推斷，由于鍍層耐磨性差導致磨損而使得觸頭部位露銅。

8 結語

通過本次觸頭發(fā)熱故障分析，可以得出以下結論：

（1）可以排除觸頭發(fā)熱的原因有：接觸面污垢、氧化造成的發(fā)熱；觸頭尺寸不合理或合閘位置不當熱；觸頭插入深度不到位；觸頭（或觸頭）選用的銅基材料不良等原因。

（2）觸頭接觸面局部露銅是導致隔離開關觸頭發(fā)熱的原因之一。

（3）觸頭接觸面硬度遠小于標準要求值，將造成鍍層的耐磨性差，可能導致觸頭在開合的過程中鍍層磨損而露銅。

針對以上情況，為減少由于觸頭鍍銀層質量不合格而導致的發(fā)熱，建議督促產品制造商提高隔離開關觸頭的鍍銀工藝，提高鍍銀層表面均勻度、硬度，出廠前對觸頭鍍層厚度、均勻性、硬度全部進行檢測，必要時進行金相抽檢。使用單位應提高鍍銀層檢查力度，在設備投運之前針對隔離開關鍍銀層觸頭鍍銀層質量做相應抽查，檢測項目包括鍍層厚度、均勻性、硬度、附著力等。用戶應加強采購階段的質量監(jiān)督，選擇質量良好的產品，加強對已運行的隔離開關監(jiān)督檢查，對發(fā)熱開關結合檢修進行檢測，找出發(fā)熱原因。

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