某660MW機(jī)組火電廠斷路器梅花觸頭熱故障機(jī)制分析

0引言

斷路器在長期運(yùn)行狀態(tài)下,其梅花觸頭會(huì)因電流及環(huán)境溫度的波動(dòng)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象^[1—2],這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致觸頭接觸電阻增加,造成觸頭燒蝕乃至整個(gè)斷路器失效,該問題不僅影響斷路器的正常運(yùn)作,更可能引發(fā)電力系統(tǒng)的重大故障^[3]。目前,針對(duì)斷路器梅花觸頭熱故障的研究主要集中在故障的診斷及預(yù)防上,側(cè)重于對(duì)故障現(xiàn)象的表層描述和基礎(chǔ)故障應(yīng)對(duì)方法研究,缺乏針對(duì)熱故障機(jī)制的深入分析^[4—5]。

因此,研究斷路器梅花觸頭熱故障的形成機(jī)理,揭示其背后的物理、化學(xué)過程,對(duì)于提升斷路器的運(yùn)行可靠性、延長其使用壽命具有重要意義。本文基于某660 MW機(jī)組火電廠中斷路器梅花觸頭熱故障的具體案例,分析了熱故障的形成機(jī)制,提出了故障預(yù)防與處理措施,為斷路器的設(shè)計(jì)優(yōu)化和維護(hù)工作提供了技術(shù)支撐。

1梅花觸頭熱故障的原因

1.1 靜觸頭與母排接觸不良

在梅花觸頭發(fā)熱缺陷的成因中,靜觸頭和母排接觸不良是最為普遍的現(xiàn)象,也最具危害性。造成靜觸頭和母排接觸不良的主要原因可以歸納為以下三個(gè)方面:1)連接方式。單螺栓連接方式可靠性差,容易發(fā)生松動(dòng)。在10 kv母線的應(yīng)用場景中,因母線較長,當(dāng)經(jīng)歷熱脹冷縮時(shí),與之相連的分支排會(huì)被拉伸,分支排在承受力的作用后,會(huì)反過來拉扯靜觸頭,靜觸頭僅通過單個(gè)螺栓進(jìn)行固定,如圖1(a)所示,極易出現(xiàn)松動(dòng),出現(xiàn)發(fā)熱問題。2)接觸面積。一些制造商為了簡化安裝過程,在用于固定靜觸頭的母排上開鑿了較大的腰圓形孔洞,如圖1(b)所示,這樣的設(shè)計(jì)嚴(yán)重減少了靜觸頭與母排之間的接觸面積,增加了接觸電阻,最終導(dǎo)致發(fā)熱故障的發(fā)生。3)連接面的接觸質(zhì)量。國內(nèi)許多制造商對(duì)動(dòng)靜觸頭連接面的接觸質(zhì)量缺乏足夠的重視,不管是使用鋁排還是銅排,在觸頭連接處均會(huì)存在不平整的問題,如圖1(c)所示,導(dǎo)致連接面的接觸率不高,接觸電阻增大,引發(fā)發(fā)熱故障。

基于上述三方面的分析,必須采取相應(yīng)措施,改進(jìn)斷路器靜觸頭與母排的連接方式,提高接觸面積和接觸質(zhì)量,以降低故障風(fēng)險(xiǎn)。

1.2觸頭壓緊彈簧缺陷

斷路器梅花觸頭內(nèi)的壓緊彈簧提供動(dòng)、靜觸頭之間的壓緊力,一旦壓緊彈簧出現(xiàn)缺陷,動(dòng)、靜觸頭間的壓力就會(huì)減小或變得不均勻,直接影響觸頭的接觸電阻。隨著壓力的減小,接觸電阻會(huì)增大,增大的接觸電阻會(huì)進(jìn)一步加劇觸頭發(fā)熱,造成故障惡化。

該電廠發(fā)生的斷路器梅花觸頭發(fā)熱故障中,最近的一起為斷路器觸頭壓緊彈簧存在缺陷所致。導(dǎo)致壓緊彈簧出現(xiàn)缺陷的因素眾多,其中主要有材料質(zhì)量不佳、電阻試驗(yàn)不規(guī)范、安裝和拆卸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤操作等。這些因素的存在,使得壓緊彈簧的工作性能下降,無法提供穩(wěn)定的壓緊力,導(dǎo)致故障的發(fā)生。

1)材料質(zhì)量不佳o在制造觸頭壓緊彈簧時(shí),通常會(huì)優(yōu)先選擇無磁性鉻錳鎳不銹鋼材料,通過引入Mn (錳)和N(氮)元素來替代部分Ni(鎳)元素,既保持了優(yōu)異的力學(xué)性能,又提升了經(jīng)濟(jì)效益。錳元素所帶來的固溶強(qiáng)化效果比鎳元素更為顯著,這無疑增強(qiáng)了錳鋼的機(jī)械性能。然而,錳元素在促進(jìn)鋼的鈍化過程方面并不如鎳元素那樣有效,而且在某些條件下,它還可能促使鉻鋼形成σ相,從而增加鋼的脆性。在分析該電廠真空斷路器中梅花觸頭彈簧(使用SUS130M材料)斷裂案例時(shí),發(fā)現(xiàn)斷裂的主要原因可以歸結(jié)為兩個(gè)方面:一是彈簧絲外表面存在機(jī)械損傷,二是材料本身組織不均勻。兩因素共同作用下,導(dǎo)致了彈簧發(fā)生斷裂,如圖2所示。

2)電阻試驗(yàn)不規(guī)范?；芈冯娮柙囼?yàn)是斷路器梅花觸頭常規(guī)試驗(yàn)之一,主要用來檢測斷路器梅花觸頭的接觸電阻是否符合規(guī)定。試驗(yàn)過程中,彈簧并沒

有電流直接通過;然而,在實(shí)際操作過程中,如果測試儀電流線夾直接夾在彈簧上,那么測試電流就會(huì)間接通過彈簧。而彈簧通常是由高阻材料制成的,當(dāng)電流通過這種材料時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的熱,這種高溫可能會(huì)對(duì)彈簧的退火處理效果產(chǎn)生不良影響,從而導(dǎo)致彈簧的性能下降,甚至可能使其完全失效,如圖3所示。因此,在回路電阻試驗(yàn)中,必須注意避免測試電流直接通過彈簧,以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和彈簧的使用壽命。

3)安裝及拆卸方法錯(cuò)誤。在實(shí)施壓緊彈簧安裝與拆卸作業(yè)時(shí),會(huì)采用不同的工器具,這些工具的使用可能會(huì)導(dǎo)致壓緊彈簧的部分區(qū)域承受較大的力,有時(shí)這種力甚至超出彈簧所能承受的極限,從而導(dǎo)致彈簧局部變形,如圖4所示。這種局部變形可能會(huì)影響壓緊彈簧的性能和使用壽命,因此在操作時(shí)應(yīng)特別注意使用合適的工具,以避免不必要的損害。

1.3觸頭對(duì)中度差

在斷路器梅花觸頭接觸電阻的關(guān)鍵影響因素中,接觸壓力和嚙合尺寸是受觸頭對(duì)中度直接影響的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。具體來說,隨著嚙合尺寸的減小,觸頭間的平均壓力會(huì)相應(yīng)降低,從而增加接觸電阻。此外,當(dāng)嚙合尺寸不足時(shí),觸頭在電動(dòng)斥力作用下的承載能力將減弱,這可能導(dǎo)致斷路器意外分離并產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。

梅花觸頭的嚙合尺寸和靜觸頭的對(duì)中度密切相關(guān),一旦出現(xiàn)對(duì)中偏差,梅花觸頭作為連接觸臂和靜觸頭的橋梁,其方向會(huì)發(fā)生偏移,導(dǎo)致不同觸指間的嚙合尺寸產(chǎn)生顯著差異。在決定嚙合尺寸時(shí),通常以最小觸指的嚙合尺寸為基準(zhǔn),因?yàn)檫@一觸指最有可能在電動(dòng)斥力作用下與靜觸頭分離,進(jìn)而引起接觸電阻的急劇增大,甚至損壞觸頭。

考慮到不同開關(guān)柜中梅花觸頭和靜觸頭對(duì)中度存在差異,以及在斷路器運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的電動(dòng)力或設(shè)備形變等因素,觸頭間的對(duì)中偏差可能會(huì)增大。因此,開發(fā)一種能夠適用于不同對(duì)中度情況的嚙合尺寸測量方法,對(duì)于確保斷路器的可靠運(yùn)行具有重要意義。

1.4 動(dòng)觸頭插入深度不夠

梅花觸頭接觸電阻的增大與插入深度不足直接相關(guān),相關(guān)研究表明:當(dāng)靜觸頭的插入深度減少時(shí),其接觸壓力隨之降低,從而引發(fā)電阻值增大,如圖5所示。在特定范圍內(nèi),插入深度的變化對(duì)電阻值的影響并不顯著。然而,一旦插入深度低于某一臨界值,電阻值將迅速上升,此現(xiàn)象主要源于觸指的弧面與靜觸頭末端錐形端面的連接方式(該設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化插入過程)。在壓片壓力的作用下,弧形的觸指接觸端面對(duì)靜觸頭的軸向擠壓力將顯著增強(qiáng),導(dǎo)致靜觸頭開始從觸指中退出,從而引發(fā)靜觸頭與觸指之間接觸不充分,最終造成接觸電阻的急劇上升^[6—7]。

2綜合分析

觸頭發(fā)熱的現(xiàn)象,從電學(xué)角度審視,可以視為電阻發(fā)熱的一種表現(xiàn)形式。依據(jù)經(jīng)典的電功率計(jì)算公式(P=I²R),可以推導(dǎo)出:觸頭間接觸電阻的大小與發(fā)熱量呈正相關(guān)關(guān)系,即接觸電阻增大,觸頭發(fā)熱量亦隨之增大。顯然,任何導(dǎo)致觸頭接觸電阻增大的因素,都將不可避免地加劇觸頭發(fā)熱現(xiàn)象。接觸電阻的大小受接觸表面狀態(tài)的直接影響。實(shí)際接觸面可分為兩大類別:第一類為真正的金屬與金屬直接接觸的部分,即無過渡電阻的金屬間接觸微點(diǎn),也稱為接觸斑點(diǎn)。這部分接觸點(diǎn)通常是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的,其面積占實(shí)際接觸面積的5%~10%。第二類是通過接觸界面上存在的污染薄膜后相互接觸的部分。任何降低接觸斑點(diǎn)數(shù)量或惡化接觸界面狀態(tài)的因素,均會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的增加,從而加劇觸頭的發(fā)熱現(xiàn)象。

對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的斷路器觸頭,正壓力是影響其界面接觸斑點(diǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。隨著正壓力的增加,接觸微點(diǎn)的數(shù)量及其所占面積均呈現(xiàn)增長趨勢;同時(shí),這些接觸微點(diǎn)由彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?這一轉(zhuǎn)變過程有助于減少觸頭間的集中電阻,進(jìn)而降低整體的接觸電阻。在考察前述案例時(shí),筆者注意到觸頭彈簧的缺陷、對(duì)中度不足以及插入深度不夠等問題,其本質(zhì)均源于觸頭間正壓力的降低。此外,在進(jìn)行斷路器開閉操作時(shí),電弧的產(chǎn)生是不可避免的,電弧釋放的熱量會(huì)對(duì)觸頭表面狀態(tài)造成不利影響,如圖6所示,這進(jìn)一步加劇了接觸電阻的升高。

觸頭發(fā)熱與接觸電阻增大 ,兩者之間相互影響 , 當(dāng)觸頭出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象時(shí) ,其釋放的熱量會(huì)對(duì)觸頭間 的界面狀態(tài)產(chǎn)生破壞效應(yīng) ,進(jìn)而導(dǎo)致接觸斑點(diǎn)的數(shù) 量減少 ,并降低金屬直接接觸點(diǎn)的占比。此種現(xiàn)象又 會(huì)進(jìn)一步加劇接觸電阻的增大 ,從而進(jìn)一步惡化觸 頭的發(fā)熱狀況 ,形成一種相互強(qiáng)化的循環(huán)。

3 結(jié)束語

綜上所述 ,該660 MW機(jī)組火電廠斷路器梅花觸 頭熱故障的產(chǎn)生 ,其根源復(fù)雜多樣 , 既涉及設(shè)計(jì)與制 造環(huán)節(jié)的不足 ,也包含檢修工藝的不完善 , 同時(shí)也不 能忽視人為因素的作用 。為了確保電力生產(chǎn)的穩(wěn)定 可靠 ,必須根據(jù)熱故障的具體成因 ,在斷路器梅花觸 頭的整個(gè)使用壽命周期內(nèi) ,采取有針對(duì)性的預(yù)防措 施 ,從而有效控制熱故障的發(fā)生。

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2024年第21期第18篇