影響高壓隔離開關耐受電流試驗的關鍵因素研究

韓際昌

（正泰電氣股份有限公司，上海 201614）

據KEMA 試驗統計對于高壓隔離開關和接地開關額定短時耐受電流試驗和額定峰值耐受電流試驗的首次通過率不高于25%，在高壓隔離開關所有試驗中此試驗是最難通過的試驗，基于廠家成本壓力產品導電材料截面通流安全裕度低是這個試驗失敗的主要原因；當導流面積足夠時，觸頭與觸指的設計結構就至關重要；觸頭通流時若想保證不被電動力推開，觸頭間還要有合適的初壓力；最后是絕緣，此試驗最關鍵之處雖然不是絕緣，但不做好良好的絕緣試驗通過率會非常低。因此，在產品的運動環關節處增加的絕緣結構可避免試驗中意外的分流或高溫熔焊，從而順利通過試驗。

1 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中導體材料的選擇

（1）材質的選擇。對于以短時耐受電流及峰值耐受電流的導體，材質導電率越高，通過短時耐受電流及峰值耐受電流的能力也就越強。在常見的金屬中，金的導電率最高，銀次之，銅、鋁、鐵等導電率遞減?；诮洕钥紤]在隔離開關或接地開關的導電回路中多用銅和鋁，通常都是可動的導電接觸位置如觸頭、觸指用純銅。其他固定導電接觸導體用導電性好的鋁合金材質。銅及銅合金、鋁及鋁合金的電導率如表1。

表1 銅及銅合金、鋁及鋁合金的電導率

（2）導電截面積。對于已選定材質的導體，其導電截面積和截面形狀就尤其重要了，應根據產品特點選擇足夠的截面面積的導體才能保障導體在通過短時耐受電流及峰值耐受電流時導體不被燒毀。

導體的最小截面可根據導體通流截面計算公式計算

這個計算值只是理論計算值，實際設計時，要綜合考慮導電回路所承受額定電流大小及材料的機械穩定性來確定導體截面積的大小；而對于接地開關，則只考慮可以滿足短時耐受電流和峰值耐受電流及機械穩定性即可。所以在設計時，對于導電回路導體的截面我們通常按經驗取1.1 倍理論導體截面積取值，這樣就可以兼顧經濟性與可靠性。

（3）截面形狀。對于已選定材質的導體，其導電截面形狀也非常重要，應根據產品特點選擇集膚效應合理、機械強度適合的導體截面形狀。比如，薄的帶狀矩形導體的集膚應好，散熱面積大，導熱性強，但其機械性能上特別是受力的各向異性使得這種形狀力學性能不足，機械穩定性不夠，在達到同等機械強度下還得增加截面積，反而把導電的優勢轉化成了機械上的劣勢。所以，目前的隔離開關主導電結構中多采用圓管或槽形鋁形材等導電性能與機械強度綜合性強的截面形狀，以提高通過耐受電流的能力。

2 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中觸頭結構設計

當下的戶外隔離開關與接地開關的動、靜觸頭按導電接觸方式大體可分為點接觸式、線接觸式、面接觸式。點接觸式的動靜觸頭結構目前多應用在伸縮式隔離上；在圓棒自力式觸指上也有應用，此方式由于接觸處單點通流，耐受短路電流能力受開關整體結構影響大，對材料要求比較高，所以一般不宜采用。面接觸的動靜觸頭結構看似電接觸面積大通流能力理論上應該更強，但實際應用中受加工精度制約，在微觀上仍是局部的點接觸，接觸面實際并未被有效利用，設計時也不建議選用。所以，市場上現有的開關多采用線接觸式導電結構。線接觸導電結構中的梅花觸頭式靜觸頭結構，通流均衡、穩定，承載短路電流能力強，但對運動精確性要求高，制作成本高，經濟性不好，因此只單柱垂直伸縮式隔離、接地開關以及雙柱水平伸縮式隔離開關中應用。線接觸另一種導電結構：板、片狀的觸頭。因其結構簡單、加工方便、經濟性可靠性較均衡等特點，在目前被最廣泛地推崇和應用。另外，采用多片觸指的結構，可以形成多個并聯的電流路徑，并聯回路可以均分電流，可以減小總電阻值，在相同導電截面的情況下，可以耐受更大的短時耐受電流或峰值耐受電流。達到從設計上保證試驗通過的目的。綜合起來，點接觸式穩定性弱，面接觸制造性差，線接觸簡單易行，形式多樣，可以作為主要設計結構；它也是試驗通過率最高的結構。

3 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中觸頭初壓力的影響

對于已選定了觸頭材質并確定了觸頭設計結構的觸頭系統。動、靜觸頭關合時動觸頭觸指對觸頭的初壓力將決定試驗的成敗。對于動觸頭用觸指在兩側將靜觸頭夾緊在中間的觸頭結構，當回路完全通過短時耐受電流和峰值耐受電流時，動觸頭所受電動力是向推開靜觸頭方向進行的。而同時，動觸頭兩側觸指間的電動力是向夾緊靜觸頭方向的；因此，讓動觸頭不在電動力的作用下推離靜觸頭，前提就是：動觸頭所受電動力必須小于動觸頭兩側各片觸指與靜觸頭摩擦力的合力。而此摩擦力的合力大小與動觸頭各片觸指的夾緊力成正比，而這個夾緊力就等于動觸頭兩側觸指間的電動力與觸指初壓力的和。

動觸頭兩側觸指間的電動力可用公式求取：

圖1 矩形截面導體電動力的修正系數

圖2 金屬間加絕緣

動觸頭所受電動力與峰值耐受電流的平方成正比，與觸指長度及成正比，與觸指間距成反比。所以，當設計結構確定后，觸指所受電動力理論上就為定值。因此，當觸指電動力為定值時，觸指的夾緊力將隨著觸指初壓力增大而增大。

觸指初壓力的最大作用是為了獲得最小的接觸電阻。當動靜觸頭系統的材質、結構確定后，動靜觸頭間的回路電阻的大小就取決于動靜觸頭接觸部位的接觸電阻大小了。由下面接觸電阻計算公式可知：初壓力F越大，接觸電阻Rj越小。

式中，Rc為接觸電阻，μΩ；Kc為接觸材料系數。銅鍍銀-銅鍍銀：Kc=80；銅鍍銀-鋁鍍銀：Kc=100；銅- 銅：Kc=120 ～160；銅鍍銀- 鋁：Kc=450；銅- 鋁：Kc=980；Fc為觸指初壓力（接觸壓力），N；m 為接觸形式指數。點接觸：m=0.5；線接觸：m=0.7；面接觸m=1。

4 短時耐受電流和峰值耐受電流試驗中絕緣的重要性

當可相互運動導體通以短時耐受電流和峰值耐受電流時，導體溫度會急速升高；主回路以外的附近金屬導體也會在磁滯或渦流的影響下發熱，此時，不可用于導電的但有相互位移的金屬間應加以絕緣。否則，二者間也會有電流經過，而二者間的電阻又非常大，如此則金屬會進一步發熱。當溫度足夠高時二者就會熔焊在一起，從而導致試驗后二者無法相對運行進而引起開關拒分，導致試驗失敗。所以，在沒做好良好絕緣的產品試驗時，通過率會非常低。在隔離開關及接地開關的運動關節處增加絕緣結構設計，可避免試驗中意外的分流和高溫熔焊，達到順利通過試驗的目的。

5 影響短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的其他因素

隔離開關的結構設計、操作機構功率、傳動環節聯接強度、試驗時的接線方式等也會影響短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的成敗。其中隔離開關本體的結構設計上對耐受電流試驗成功與否相對影響最大。隔離開關的主回路中設置了合閘死點結構，在合閘時主回路處于死點位置，即使主回路在試驗中受到電動力沖擊時，也能保持在合閘位置不脫開。同樣的死點結構在隔離開關底座上也有體現，底座下機構輸出拐臂與隔離開關本體底座上的四連桿在隔離開關主回路合閘終了位置也形成了死點設計結構。這樣從傳動中間環節上也同步地限制著主回路因電動力而被推開的風險。

6 結語

短時耐受電流和峰值耐受電流試驗是最體現戶外隔離開關和戶外接地開關性能，也是最難以通過的一項試驗。產品設計制造時使導電材料有充足的通流面積；觸頭有科學合理的結構設計；觸頭外部確保足夠的初壓力；相對運動金屬間有良好的絕緣；這幾個關鍵因素處理好了就大大地提升了試驗成功的概率。當然，產品是一個整體，除了這幾個關鍵點，也要做好包括產品外的諸如試驗方法、接線方式、環境特點、潤滑方式等細節?？傊?，充分的準備才是關鍵的關鍵。