某660MW机组火电厂断路器梅花触头热故障机制分析

0引言

断路器在长期运行状态下,其梅花触头会因电流及环境温度的波动出现过热现象^[1—2],这种现象会导致触头接触电阻增加,造成触头烧蚀乃至整个断路器失效,该问题不仅影响断路器的正常运作,更可能引发电力系统的重大故障^[3]。目前,针对断路器梅花触头热故障的研究主要集中在故障的诊断及预防上,侧重于对故障现象的表层描述和基础故障应对方法研究,缺乏针对热故障机制的深入分析^[4—5]。

因此,研究断路器梅花触头热故障的形成机理,揭示其背后的物理、化学过程,对于提升断路器的运行可靠性、延长其使用寿命具有重要意义。本文基于某660 MW机组火电厂中断路器梅花触头热故障的具体案例,分析了热故障的形成机制,提出了故障预防与处理措施,为断路器的设计优化和维护工作提供了技术支撑。

1梅花触头热故障的原因

1.1 静触头与母排接触不良

在梅花触头发热缺陷的成因中,静触头和母排接触不良是最为普遍的现象,也最具危害性。造成静触头和母排接触不良的主要原因可以归纳为以下三个方面:1)连接方式。单螺栓连接方式可靠性差,容易发生松动。在10 kv母线的应用场景中,因母线较长,当经历热胀冷缩时,与之相连的分支排会被拉伸,分支排在承受力的作用后,会反过来拉扯静触头,静触头仅通过单个螺栓进行固定,如图1(a)所示,极易出现松动,出现发热问题。2)接触面积。一些制造商为了简化安装过程,在用于固定静触头的母排上开凿了较大的腰圆形孔洞,如图1(b)所示,这样的设计严重减少了静触头与母排之间的接触面积,增加了接触电阻,最终导致发热故障的发生。3)连接面的接触质量。国内许多制造商对动静触头连接面的接触质量缺乏足够的重视,不管是使用铝排还是铜排,在触头连接处均会存在不平整的问题,如图1(c)所示,导致连接面的接触率不高,接触电阻增大,引发发热故障。

基于上述三方面的分析,必须采取相应措施,改进断路器静触头与母排的连接方式,提高接触面积和接触质量,以降低故障风险。

1.2触头压紧弹簧缺陷

断路器梅花触头内的压紧弹簧提供动、静触头之间的压紧力,一旦压紧弹簧出现缺陷,动、静触头间的压力就会减小或变得不均匀,直接影响触头的接触电阻。随着压力的减小,接触电阻会增大,增大的接触电阻会进一步加剧触头发热,造成故障恶化。

该电厂发生的断路器梅花触头发热故障中,最近的一起为断路器触头压紧弹簧存在缺陷所致。导致压紧弹簧出现缺陷的因素众多,其中主要有材料质量不佳、电阻试验不规范、安装和拆卸过程中出现错误操作等。这些因素的存在,使得压紧弹簧的工作性能下降,无法提供稳定的压紧力,导致故障的发生。

1)材料质量不佳o在制造触头压紧弹簧时,通常会优先选择无磁性铬锰镍不锈钢材料,通过引入Mn (锰)和N(氮)元素来替代部分Ni(镍)元素,既保持了优异的力学性能,又提升了经济效益。锰元素所带来的固溶强化效果比镍元素更为显著,这无疑增强了锰钢的机械性能。然而,锰元素在促进钢的钝化过程方面并不如镍元素那样有效,而且在某些条件下,它还可能促使铬钢形成σ相,从而增加钢的脆性。在分析该电厂真空断路器中梅花触头弹簧(使用SUS130M材料)断裂案例时,发现断裂的主要原因可以归结为两个方面:一是弹簧丝外表面存在机械损伤,二是材料本身组织不均匀。两因素共同作用下,导致了弹簧发生断裂,如图2所示。

2)电阻试验不规范。回路电阻试验是断路器梅花触头常规试验之一,主要用来检测断路器梅花触头的接触电阻是否符合规定。试验过程中,弹簧并没

有电流直接通过;然而,在实际操作过程中,如果测试仪电流线夹直接夹在弹簧上,那么测试电流就会间接通过弹簧。而弹簧通常是由高阻材料制成的,当电流通过这种材料时,会产生大量的热,这种高温可能会对弹簧的退火处理效果产生不良影响,从而导致弹簧的性能下降,甚至可能使其完全失效,如图3所示。因此,在回路电阻试验中,必须注意避免测试电流直接通过弹簧,以保证测试结果的准确性和弹簧的使用寿命。

3)安装及拆卸方法错误。在实施压紧弹簧安装与拆卸作业时,会采用不同的工器具,这些工具的使用可能会导致压紧弹簧的部分区域承受较大的力,有时这种力甚至超出弹簧所能承受的极限,从而导致弹簧局部变形,如图4所示。这种局部变形可能会影响压紧弹簧的性能和使用寿命,因此在操作时应特别注意使用合适的工具,以避免不必要的损害。

1.3触头对中度差

在断路器梅花触头接触电阻的关键影响因素中,接触压力和啮合尺寸是受触头对中度直接影响的两个关键参数。具体来说,随着啮合尺寸的减小,触头间的平均压力会相应降低,从而增加接触电阻。此外,当啮合尺寸不足时,触头在电动斥力作用下的承载能力将减弱,这可能导致断路器意外分离并产生拉弧现象。

梅花触头的啮合尺寸和静触头的对中度密切相关,一旦出现对中偏差,梅花触头作为连接触臂和静触头的桥梁,其方向会发生偏移,导致不同触指间的啮合尺寸产生显著差异。在决定啮合尺寸时,通常以最小触指的啮合尺寸为基准,因为这一触指最有可能在电动斥力作用下与静触头分离,进而引起接触电阻的急剧增大,甚至损坏触头。

考虑到不同开关柜中梅花触头和静触头对中度存在差异,以及在断路器运行过程中可能出现的电动力或设备形变等因素,触头间的对中偏差可能会增大。因此,开发一种能够适用于不同对中度情况的啮合尺寸测量方法,对于确保断路器的可靠运行具有重要意义。

1.4 动触头插入深度不够

梅花触头接触电阻的增大与插入深度不足直接相关,相关研究表明:当静触头的插入深度减少时,其接触压力随之降低,从而引发电阻值增大,如图5所示。在特定范围内,插入深度的变化对电阻值的影响并不显著。然而,一旦插入深度低于某一临界值,电阻值将迅速上升,此现象主要源于触指的弧面与静触头末端锥形端面的连接方式(该设计旨在优化插入过程)。在压片压力的作用下,弧形的触指接触端面对静触头的轴向挤压力将显著增强,导致静触头开始从触指中退出,从而引发静触头与触指之间接触不充分,最终造成接触电阻的急剧上升^[6—7]。

2综合分析

触头发热的现象,从电学角度审视,可以视为电阻发热的一种表现形式。依据经典的电功率计算公式(P=I²R),可以推导出:触头间接触电阻的大小与发热量呈正相关关系,即接触电阻增大,触头发热量亦随之增大。显然,任何导致触头接触电阻增大的因素,都将不可避免地加剧触头发热现象。接触电阻的大小受接触表面状态的直接影响。实际接触面可分为两大类别:第一类为真正的金属与金属直接接触的部分,即无过渡电阻的金属间接触微点,也称为接触斑点。这部分接触点通常是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的,其面积占实际接触面积的5%~10%。第二类是通过接触界面上存在的污染薄膜后相互接触的部分。任何降低接触斑点数量或恶化接触界面状态的因素,均会导致接触电阻的增加,从而加剧触头的发热现象。

对于已经投入运行的断路器触头,正压力是影响其界面接触斑点状态的关键因素。随着正压力的增加,接触微点的数量及其所占面积均呈现增长趋势;同时,这些接触微点由弹性变形逐渐转变为塑性变形,这一转变过程有助于减少触头间的集中电阻,进而降低整体的接触电阻。在考察前述案例时,笔者注意到触头弹簧的缺陷、对中度不足以及插入深度不够等问题,其本质均源于触头间正压力的降低。此外,在进行断路器开闭操作时,电弧的产生是不可避免的,电弧释放的热量会对触头表面状态造成不利影响,如图6所示,这进一步加剧了接触电阻的升高。

触头发热与接触电阻增大 ,两者之间相互影响 , 当触头出现发热现象时 ,其释放的热量会对触头间 的界面状态产生破坏效应 ,进而导致接触斑点的数 量减少 ,并降低金属直接接触点的占比。此种现象又 会进一步加剧接触电阻的增大 ,从而进一步恶化触 头的发热状况 ,形成一种相互强化的循环。

3 结束语

综上所述 ,该660 MW机组火电厂断路器梅花触 头热故障的产生 ,其根源复杂多样 , 既涉及设计与制 造环节的不足 ,也包含检修工艺的不完善 , 同时也不 能忽视人为因素的作用 。为了确保电力生产的稳定 可靠 ,必须根据热故障的具体成因 ,在断路器梅花触 头的整个使用寿命周期内 ,采取有针对性的预防措 施 ,从而有效控制热故障的发生。

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2024年第21期第18篇