淺談某型10kV手車開關爆炸的原因

徐紅宇

摘 要：我局10kV開關柜有一半是采用的KYN型，而每年我局因為手車開關隔離觸頭（下面簡稱動靜觸頭）發熱引起爆炸的案例時有發生，此文就針對一起10kV開關爆炸的原因以及為什么銅鋁搭接容易引起發熱的原因進行了詳細的分析，并對此類家族型缺陷提出了相應的整改措施。

關鍵詞：觸頭盒；靜觸頭；母排

1故障概況

某220kV變電站內一臺10kV開關故障，造成2號主變低后備保護動作跳開2號主變低壓側開關，站內10kV2段母線失壓。到現場核查后，發現10kV2段電容1路921開關柜內，開關倉爆炸，921開關受損嚴重，故障點發生在開關C相上觸頭盒內，觸頭盒、動靜觸頭及分支母排已全部被融化掉。

2開關爆炸原因分析

2.1引起開關爆炸的原因分析

根據現場，故障點位置發生在開關C相上觸頭盒內（觸頭盒內有動觸頭與靜觸頭、靜觸頭與母排兩個搭接點）。據保護動作情況看，發生故障的觸頭盒內是先發生單相接地，然后引起三相短路，開關爆炸，保護動作。從動作情況說明引起單相接地的故障點發生在觸頭盒內，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爆炸的原因。現就對破壞觸頭盒絕緣的原因提出幾點假設進行分析：

（1）由于手車開關操作不當人為因素造成。此開關在上次預試以來，一直處于正常運行狀態，無任何故障報警，在爆炸投運前是處于熱備用狀態，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日預試的修試記錄，未發現異常，整體耐壓、開關本體試驗均合格，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。此開關在上次預試運行狀態，在投運前是處于熱備用狀態，投運前并無小車搖進搖出操作，當時也無大的外力對其觸頭盒發生強力的機械損傷，同樣排除。

（4）觸頭盒內觸頭接觸部分本身發熱致使觸頭盒絕緣損壞，引起短路，發生爆炸。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動靜觸頭檢查發現該開關的動觸頭已嚴重發熱至發黑狀態，且觸指彈簧片已有2片退火失效。靜觸頭進行檢查發現靜觸頭有嚴重過熱現象，靜觸頭尾部即觸頭與母排連接處已有嚴重發熱發黑的跡象，此問題具有類同性。

二、該開關型號為VD4-12型，靜觸頭直徑僅3cm（比華儀和森源等開關所配靜觸頭小將近2cm），廠家設計靜觸頭載流能力大小應是采用銅制材料載流能力考慮的，而我們現場開關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，觸頭盒內觸頭接觸部分本身發熱致使觸頭盒絕緣損壞，引起短路，發生爆炸是完全符合現場情況和邏輯推斷的。為此，我們總結故障原因為：分支母排未按設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重發熱，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，這樣反復惡性循環，造成當開關再次投入運行時，開關將再不能承受正常負荷而將動靜觸頭熔化，觸頭盒絕緣受損，造成單相接地，引發三相短路，開關爆炸。

2.2銅-鋁搭接容易引起發熱的原因分析

我們知道搭接面發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，因此要準確的計算出接觸電阻的大小較難，用經驗公式計算，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的常數，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、接觸面狀況有關的常數，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-鋁搭接時電化學電勢差為580mV≥350mV（產生電化學腐蝕的臨界電壓），很顯然銅鋁電化學電勢差已經超過了臨界電壓值，只要環境潮度較大時，就易造成電腐蝕，且此過程是惡性循環的。

3 整改措施

3.1將開關柜柜內鋁母排全部更換為銅母排。

使用銅母排一是滿足了設計的載流能力要求，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，母排的制作和開關安裝工藝時常達不到理想的要求，無意中就縮小了接觸面積，當運行線路長期處于一個滿負荷狀態時，容易造成發熱。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

此次故障主要是由于現場母排使用的鋁材料與設計的靜觸頭不搭配，引起發熱造成的，其實引起觸頭發熱的原因是多種多樣的，但由于現場爆炸的開關已不能還原實際運行狀態，因此，分析中參考了相鄰同段母線同批次型號開關的信息。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備時，需謹慎考慮新設備所需的使用條件。