風(fēng)力發(fā)電用箱變低壓斷路器觸頭燒損原因探析

劉潤龍 馮猛 王猛

摘要：電觸頭是低壓斷路器的核心部件，在電路中主要發(fā)揮接通負(fù)載和分?jǐn)嚯娏鞯淖饔?。電觸頭的性能好壞會對設(shè)備的使用壽命及安全性有直接影響。目前，在風(fēng)力發(fā)電用箱變低壓斷路器運(yùn)行過程中，容易出現(xiàn)電觸頭燒損的問題。本文結(jié)合實(shí)例，采用溫升試驗(yàn)和直流電阻測量的方法對低壓斷路器觸頭燒損的原因分析，針對斷路器觸頭燒損原因提出有針對性的預(yù)防措施，避免類似故障再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；低壓斷路器；溫升試驗(yàn)；直流電阻

DOI：10.12433/zgkjtz.20240350

近年來，風(fēng)電產(chǎn)品的低壓斷路器觸頭燒損事故屢屢發(fā)生，為了預(yù)防類似故障，以下結(jié)合實(shí)例對斷路器觸頭燒損的原因進(jìn)行分析，并由此提出針對性的預(yù)防措施，以保證風(fēng)電場運(yùn)行的安全。

一、低壓斷路器觸頭概述

目前，低壓斷路器主要用于低壓配電網(wǎng)及各發(fā)電廠的開關(guān)控制柜和廠用電回路系統(tǒng)中，主要功能是電能傳輸、電能分配和保護(hù)用電設(shè)備。在電網(wǎng)安全運(yùn)行中，低壓斷路器發(fā)揮著重要的作用。

低壓斷路器由接線端、脫扣器、觸頭系統(tǒng)、滅弧室、操作機(jī)構(gòu)及塑料外殼六個部分構(gòu)成。其中，觸頭系統(tǒng)是低壓斷路器的核心部分，分為動觸頭和靜觸頭。觸頭主要承擔(dān)電路開斷、導(dǎo)通并承載系統(tǒng)正常工作條件下的電流或一定時間內(nèi)的過載電流任務(wù)。因此，觸頭的性能和質(zhì)量好壞，直接決定低壓斷路器的電氣壽命。一旦觸頭無法工作，就會對電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的會導(dǎo)致設(shè)備損壞和威脅人身安全。這就要求在選擇觸頭材料時，要充分考慮導(dǎo)電性、耐磨性和耐熔焊性。

電觸頭作為一種重要的開關(guān)電器，工作性能和質(zhì)量會直接影響各類電器關(guān)鍵功能發(fā)揮，比如影響繼電器可靠性、控制電氣的電氣壽命等。合格的電觸頭，應(yīng)當(dāng)具有較高的分?jǐn)嗄芰Α⑤^強(qiáng)的耐電弧能力、良好的抗熔焊性及溫升低的特性。從材質(zhì)方面來看，電觸頭的材料應(yīng)具有適宜的硬度和彈性模量和較高的電導(dǎo)率，能夠降低接觸電阻，同時具有良好的熱傳導(dǎo)性，可減少觸頭過熱的問題。

二、低壓斷路器觸頭燒損實(shí)例分析

（一）案例概述

在某風(fēng)電場中，裝有25臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組容量是2mW，并均配有一臺低壓斷路器，目前已全部投入運(yùn)行。通過對電場在的斷路器檢修維護(hù)，發(fā)現(xiàn)有6臺斷路器的觸頭有燒損現(xiàn)象存在，且低壓室已被熏黑。之后斷路器廠家技術(shù)人員來到現(xiàn)場與風(fēng)電場技術(shù)人員一同檢查斷路器，發(fā)現(xiàn)6臺斷路器的觸頭已燒毀嚴(yán)重，其他運(yùn)行的斷路器觸頭有不同程度的變色現(xiàn)象。取其中1臺已燒損的電路器拆解，從外表來看，該臺斷路器觸頭已被燒壞，且觸頭彈簧變色變形較為嚴(yán)重。

（二）事故原因分析

為查明低壓斷路器觸頭燒損的原因，技術(shù)人員從以下四個方面進(jìn)行判斷分析。

1.解剖分析

技術(shù)人員在對其中1臺故障斷路器解剖后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部觸頭燒損嚴(yán)重，由于BC相放電原因引起電路短路，而短路產(chǎn)生的濃煙熏黑了低壓室中的其他元器件。

2.其他部件情況

通過對變壓器器身及高壓側(cè)元件的檢測，發(fā)現(xiàn)均處于正常運(yùn)行狀態(tài)。由此可排除斷路器觸頭故障是由于變壓器及高壓側(cè)元件引起，可能是斷路器本身存在問題。

3.電能質(zhì)量情況

通過對變壓器電能質(zhì)量情況檢測，發(fā)現(xiàn)變壓器電能質(zhì)量合格，諧波水平正測，說明斷路器觸頭燒損并非電能質(zhì)量不合格導(dǎo)致。

4.事故原因初步分析

風(fēng)電場5臺斷路器觸頭燒損時，使得其他斷路器觸頭有變色變形的問題。由此可推斷出，斷路器觸頭變色的主要原因在于其表面過熱引起。綜合分析，斷路器內(nèi)部過熱是導(dǎo)致風(fēng)電場5臺斷路器觸頭燒損的主要原因。

（三）斷路器內(nèi)部發(fā)熱機(jī)理

取4臺斷路器產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部發(fā)熱試驗(yàn)研究，這4臺斷路器產(chǎn)品的情況具體見表1。D1、D2和D3為該項(xiàng)目箱變相同型號的斷路器，D4為其他品牌產(chǎn)品。通過對產(chǎn)品進(jìn)行溫升試驗(yàn)和直流電阻測量，進(jìn)一步分析斷路器內(nèi)部發(fā)熱機(jī)理，以明確斷路器觸頭燒損的原因。

1.D1箱變內(nèi)溫升試驗(yàn)

選擇與風(fēng)電場箱變同型號產(chǎn)品，對風(fēng)機(jī)滿載運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，由此對斷路器進(jìn)行溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：電流1674A，通電時間30min，環(huán)境溫度28.5℃ ，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

在滿載電流1674A通電30min條件下，B相因?yàn)闇囟容^高而有焦煳味出現(xiàn)，以至于試驗(yàn)停止。隨后，吊出低壓柜置于室外，在裸露空氣中進(jìn)行溫升試驗(yàn)，B相仍然因?yàn)闇囟容^高而導(dǎo)致試驗(yàn)中斷。隨后采用直流電阻測量法測試斷路器的導(dǎo)電回路電阻，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.D2箱變外溫升試驗(yàn)

選取項(xiàng)目中1臺箱變進(jìn)行溫升試驗(yàn)，以明確斷路器溫升情況。先是將低壓吊柜吊出箱變外，置于裸露的空氣中實(shí)施溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)B相溫度較高，導(dǎo)致試驗(yàn)停止。隨后測試斷路器溫升試驗(yàn)前后的導(dǎo)電回路電阻，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

在查看斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，觸頭及銅編織有燒蝕現(xiàn)象。D2斷路器導(dǎo)電回路電阻有較大的變化，各相電阻有較大分散性，且均維持在較高值。

3.D3箱變內(nèi)溫升試驗(yàn)

通過對與D1同型號斷路器觸頭及彈簧等附件升級獲得D3，并對D3斷路器進(jìn)行溫升試驗(yàn)，之后安裝在箱變內(nèi)，模擬實(shí)際運(yùn)行工況。試驗(yàn)條件：電流2500A，環(huán)境溫度25.5℃ ，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

結(jié)合表5得知，在升級改造斷路器觸頭系統(tǒng)后，可有效改善接線端子溫升效果，使接線端子溫度均在80K以下。同時對D3斷路器溫升試驗(yàn)前后的冷態(tài)導(dǎo)電回路電阻進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可得知，通過對斷路器改進(jìn)，可使其導(dǎo)電回路電阻保持穩(wěn)定狀態(tài)，并且各相值均處于較低值。

4.D4箱變內(nèi)溫升試驗(yàn)

選取其他品牌D4斷路器進(jìn)行對比試驗(yàn)，D4斷路器裝于箱變內(nèi)，通過模擬實(shí)際運(yùn)行工況對D4斷路器進(jìn)行溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：電流1674A，環(huán)境溫度27.5℃ ，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

5.試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得知，在斷路器運(yùn)行過程中，若接線端子溫升超出80K，會導(dǎo)致斷路器觸頭過熱，進(jìn)而燒損觸頭表面。與此同時，通過與其他品牌的斷路器進(jìn)行溫升試驗(yàn)對比得知，事故產(chǎn)品導(dǎo)電回路電阻值較大，這說明接觸電阻較大。通過對斷路器觸頭系統(tǒng)及彈簧等附件升級，可明顯降低觸頭系統(tǒng)的導(dǎo)電回路電阻，從而降低觸頭系統(tǒng)溫升品質(zhì)。

綜合上述分析，斷路器溫升情況與其觸頭電阻之間密切相關(guān)，為避免斷路器觸頭燒損，可通過檢測斷路器回路電阻值選擇質(zhì)量合格的斷路器。此外，在判斷斷路器觸頭系統(tǒng)是否失效時，也可根據(jù)導(dǎo)電回路電阻變化量進(jìn)行判斷。

三、預(yù)防低壓斷路器觸頭燒損的措施

通過上述試驗(yàn)分析得知，引起斷路器觸頭燒損的原因在于斷路器內(nèi)部過熱，而斷路器內(nèi)部過熱的原因主要有：斷路器觸頭材質(zhì)質(zhì)量不合格；斷路器觸頭的載流能力較低；彈簧壓力不足導(dǎo)致觸頭壓緊力不足；觸頭表面存在明顯氧化現(xiàn)象，接觸面電阻增加，進(jìn)而導(dǎo)致觸頭過熱燒損。結(jié)合斷路器觸頭燒損的原因，為預(yù)防此類事故的再次發(fā)生，具體可采取以下措施。

（一）改進(jìn)觸頭材質(zhì)

為預(yù)防斷路器接觸電阻較大而引起觸頭燒損，可通過改進(jìn)動靜觸頭材質(zhì)的方式來預(yù)防。具體應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇適應(yīng)的觸頭材質(zhì)。在選擇斷路器觸頭材質(zhì)時，要充分考慮其導(dǎo)電性、耐磨性、耐熔焊性，選擇具有較高的分?jǐn)嗄芰?、較強(qiáng)的耐電弧能力、良好的抗熔焊性及溫升低的特性的觸頭。斷路器觸頭一般是銀觸頭，也有一些鍍銀觸頭，但電流稍微大一些就容易損壞，雖然純銀具有良好的導(dǎo)電性，但并不耐電弧燒灼，且氣化的銀離子會降低觸頭間絕緣介質(zhì)恢復(fù)的速度，相對來說，觸頭的耐電弧性能要比導(dǎo)電性更為重要。因此，在選擇低壓斷路器觸頭時，可選擇由銅鎘、銅鎢、鉍鋁等材料制成的觸頭。

（二）增加觸頭的接觸面積

通過對斷路器觸頭溫升試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，觸頭燒損是接觸電阻較大引起的事故。對此，可通過增加動靜觸頭的接觸面積減少電阻，進(jìn)而降低觸頭溫升品質(zhì)。動靜觸頭的接觸面積，相當(dāng)于導(dǎo)線的截面積，具體需要通過電流大小來決定。在低壓斷路器觸頭系統(tǒng)中，觸點(diǎn)允許通過電力與觸點(diǎn)材料、觸點(diǎn)閉合度緊密相關(guān)，甚至與分?jǐn)嗔τ嘘P(guān)。因此，在設(shè)計時要統(tǒng)籌考慮，使用者應(yīng)當(dāng)按照實(shí)際需求設(shè)計。

（三）更換彈簧等附件

由于彈簧壓力不足，使得動觸頭壓緊力不足，進(jìn)而使斷路器內(nèi)部過熱引起燒損。對此，有必要通過更換彈簧等附件的方式提升動觸頭的壓緊力，以避免斷路器內(nèi)部過熱。

四、結(jié)果與結(jié)論

通過采取上述措施對風(fēng)電場低壓斷路器觸頭及彈簧等附件升級改造，改造后的斷路器重新投入使用后并無異常，也未出現(xiàn)觸頭燒損的故障，這說明上述采取的預(yù)防措施可行。

本文結(jié)合具體的實(shí)例，深入剖析風(fēng)電場中斷路器觸頭燒損的具體原因，主要是通過溫升試驗(yàn)和電阻測量，找到斷路器觸頭燒損的關(guān)鍵原因。試驗(yàn)結(jié)果得知，低壓斷路器觸頭燒損的主要原因是斷路器內(nèi)部過熱引起。斷路器溫升品質(zhì)與觸頭電阻之間密切相關(guān)，在接觸電阻越大的情況下，其溫升效果越高，可通過對斷路器導(dǎo)電回路電阻測試，判定斷路器是否穩(wěn)定的依據(jù)。

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