黄勐哲¹，陈丽安²

(1.国网三明供电公司，福建三明365000;2.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门361024)

摘  要：断路器手车触头接触不良发热，会导致过热，甚至会发展成为电网事故。基于多场耦合有限元法建立了断路器手车触头温升计算的三维模型，采用该模型对不同插入深度和偏移角度进行了力场计算，分析了静触头插入深度和偏移角度对接触压力的影响，并进行了插入深度试验，结果表明，插入深度不足导致的梅花触头接触电阻增大是断路器手车触头过热性故障的主要原因。接着计算分析了在额定电流作用下静触头插入深度为1/2时的断路器手车触头稳定温升、电流密度与应力分布。最后搭建了装有记忆合金材料压片的梅花触头和装有普通材料压片的梅花触头的对比温升试验平台，结果表明，使用记忆合金压片有助于 降低梅花触头温升，有效地降低了过热性故障的故障率。

关键词：断路器手车；梅花触头；静触头；温升计算；记忆合金压片；过热性故障

0 引言

开关柜柜体产生细微变形或者断路器通过手车推进至开关柜运行位置不到位情况时，容易造成梅花触头与柜体的静触头插人深度不够或者没有对中。此时由于接触不对称会导致接触处压力减小，接触电阻增大。梅花触头在这种情况下通人大电流长时间运行会造成紧固触指的压片过热，压片的弹性系数减小，从而对触指的压力降低，接触电阻进一步增大，温度持续升高，恶性循环，最终引发过热性故障。现有的预防措施主要有在线测温装置和快速弧光保护装置，受灵敏度限制，某些情况下不能及时发现故障，造成损坏。

文中提出一种采用记忆合金压片的防止措施，通过在梅花触头触指的外周套设由记忆合金制成的压片，利用记忆合金对温度变化的形变特性，当梅花触头和静触头由于接触不良而引起触头温度超过记忆合金温度形变点时，记忆合金压片发生温度形变，向内紧扣梅花触头触指，降低梅花触头触指和静触头、触指和触臂之间的接触电阻，减小发热，能有效降低过热性故障的故障率。

有限元的思想就是把要处理的复杂的解分解成大量的计算时间较短的解的集合，并按一定的方式衔接整合COMSOL模拟物理场分布时，会对模型进行简化，根据实际需求构建网格，实现各个区域划分，按区域进行物理场展开求解。

1 压片产生的力值测量

首先将压片按图1所示用夹具固定后放人盛冷水的容器内，然后放在压力机下，压片一端以恒定的速率被压下2.8mm(静触头插人梅花触头时，压片被压下的距离)，保持压盘的顶针不动，通过加热棒加热水，调节水的温度由20℃升至100℃，用温度计监测水温，记录电脑上显示的力值，温度每变化 10°C记录一次力值。记忆合金压片和普通压片测 量结果见表1。

  

图1  力值测量

由表1可以看出，随着温度的升高，普通弹簧钢压片的力值基本不变，而记忆合金压片的力值在达到温度形变点(50时迅速增大，并在高温时逐渐趋于平缓。在20～30℃的范围，记忆合金压片的力值比普通压片的力值小；大于30℃，记忆合金压片的力值比普通压片的力值大。

表1  压片力值与温度的关系

 

2 断路器手车触头有限元计算模型

2.1 断路器手车触头基本结构

触头结构见图2,触头设有触臂、静触头以及梅花触头，而梅花触头又由触指、支撑架和压片组成。支撑架的中间设有通孔，支撑架的外周设有用 于固定触指和压片的定位孔；触指装配于支撑架上并构成环形体，压片装设于触指外侧，压片的中间部分固定于支撑架定位孔侧壁，压片两端与触指两端扣接，扣接后压片为触指和静触头、触指和触臂的电接触面提供接触压力。为了降低接触电阻，在触指和静触头的表面镀银，厚度为12μm

  

图2  触头结构

2.2 计算原理

一般情况下，电流和热流只能通过接触面从一个部分传递到另一部分。C0MS0L中分别在结构力场中设置接触对，电流场中设置电子接触对，传热场中设置热接触对(接触对即触指和静触头、触指和触臂的电接触面)。具体原理如下：首先在触指的上表面施加边界载荷(普通压片为恒定压力38N；记忆合金压片为由表1记忆合金压片温度和力值关系定义的内插函数，参变量为温度，函数为对应的力值)，代人到结构力场去计算出触点的初始接触压力，由触点的初始接触压力进一步计算出初始接触电阻和初始接触热阻；然后将接触电阻当作输人的参数代人到电流场计算出每一部分的焦耳损耗，并当作热量输人与接触热阻一起代人到传热场来计算各个节点的温度，触点温升产生的热应力会影响接触压力，进而影响接触电阻和接触热阻，接触电阻和接触热阻的变化又会反过来影响传热场，直到温度趋于稳定值，因此断路器手车触头温升计算需要多次迭代直至收敛。

3 插入深度和偏移角度(普通压片）

静触头插人深度试验平台见图3,在控制台输人移动距离，断路器手车移动到不同的指定位置，使静触头全插人、插人3/4、插人1/2和插人1/4，用回路电阻测试仪分别测量不同插人深度下的普通梅花触头的接触电阻，测量结果见表2。

 

 图3  静触头插入深度试验平台

表2  不同插入深度下梅花触头接触电阻试验值

  

由表2和图3可以看出，静触头插人的越少，接触压力就越小，电阻值也就越大。插入深度在一定范围内，电阻值变化并不显著；而当插人深度小于某一值时，电阻值迅速增长，主要原因是触指的弧面与静触头末端锥形端面连接(为了更容易插人而设计的)，在压片压力作用下，弧形的触指接触端面对静触头的轴向挤压力将变大，静触头开始从触指中退出，静触头和触指接触不充分，造成接触电阻迅速增大。

采用文中所建立的断路器手车触头模型，在环 境温度为28℃(301.15K),仅对结构力场进行计算。添加参数dx，选择静触头作为移动对象，移动距离设置为dx (即静触头插人的距离),然后参数化扫描dx，范围从0 mm到28 mm，仿真结果见图4。

  

图4  插入深度和接触面平均压力的关系

计算接触电阻的经验式为

 

式（1）中：R₁为触头的接触电阻，μΩ；m为与接触形式有关的系数；K为与接触材料、表面情况、接触方式等有关的系数。

由式(1)可以看出，接触电阻和接触压力呈反比，仿真得到的接触压力平均值随插人深度的变化规律和试验得出的梅花触头接触电阻随插人深度的变化规律相近，验证了仿真的正确性。

同理添加参数sx，选择静触头作为偏移对象，偏移角度设置为sx，然后参数化扫描范围从0°到2°， 仿真结果见图5。

  

图5  偏移角度和接触面平均压力的关系

静触头的同轴偏移角度越大，接触面平均压力越小，但是在一定范围内接触面平均压力减小并不明显，所以插歪的情况对接触电阻影响相对较小。

当电流通过触头时接触点的温升计算式为

 

式(2)中：L为系数，2.4xl0^-8V²/K²；T为触头平均温度。由式(2)可以看出，随着接触电阻增大，接触点温升呈平方型大幅度增长。

4  插入深度为1/2情况下的仿真分析

采用文中所建立的断路器手车触头模型，在环境温度为28℃(301.15K),以静触头插人深度1/2为例，计算频率为50HZ电流大小为1250 A，断路器手车触头的电流密度分布、温度分布和应力分布。

4.1 电流场仿真结果分析

电流密度分布见图6。从图6可看出，电流由触臂通过触指流到静触头，电流线在触指和静触头、触指和触臂的电接触面收缩形成附加的接触电阻，接触电阻乘以电流的平方在触点上形成了额外的焦耳热源。

  

图6  电流密度分布

4.2 温度场仿真结果分析

由于梅花触头和静触头都处于触头盒内，相对封闭，换热系数要低于空气自然对流换热系数，据经验设置为2W/(m²·K)。

1) 装有普通压片触头的温度分布见图7(a)，由于导体的热传导性好，触头稳定温升范围为78.7〜78.9 K,整体温度分布基本一致，但超过国标允许的75K，长时间运行会引发过热性故障。从图7(b)可以看出，触指和触臂接触点上的温度要高于其他部位，这主要是由于电流流经接触点时发生收缩，形成了接触电阻，接触电阻乘以电流的平方产生额外的焦耳热源。

2) 装有记忆合金压片触头的温度分布见图8，触头稳定温升范围为74〜74.1K，与图7(a)普通压片相比整体温升下降了4.8 K。

4.3 结构力场仿真结果分析

静触头上的应力分布见图9,从图9可以看出，由于压片压力施加在触指和静触头接触面积很小的触点上，在触点上出现了应力集中现象。银的屈服强度是35 MPa，触点的初始应力大致为6MPa,最 终应力大致为56 MPa，所以触指和静触头接触部分的镀银温升前处于弹性形变状态，温升稳定时处于塑性形变状态。

  

图7  温度分布(普通压片）

图8 温度分布(记iz合金压片}

 

图9 静触头应力分布

5 对比温升试验

B相位于三相中的内侧,散热条件较A、C相差,而A相和C相的梅花触头均位于三相中的外侧,散热条件可以基本认为一样,所以对比试验选择A相和C相。

首先将断路器上的A相梅花触头上的普通压片取下,然后替换成试验所需的记忆合金压片。用热电偶在需要测量温升的部位进行测量。热电偶上贴上编好序号的标签,利用能够耐高温的胶带在所对应的测量点进行粘贴,主要在梅花触头、静触头以及触臂上,见图10。最后将断路器手车推入开关柜内,为了模拟对接深度不足的情况,断路器手车推到位后手树逆时针摇动一圈半(约退出15mm)。

  

图10  断路器布点

采用的是TDCZ-接触式调压器,调节后输出1250A的电流。利用12kV1250A开关柜进行整柜试验。温升试验示意图见图11。

  

图11  12kV1250A开关柜对比温升试验

A相和C相梅花触头稳定温升对比见表3,由于热气流密度小往上升,所以导致上端梅花触头的温升高于下端梅花触头的温升。C相上下端普通梅花触头温升均超过国标允许的75K,长时间运行会引发过热性故障。A相上下端记忆合金梅花触头温升比C相上下端普通梅花触头温升分别降低了5.7K和4.2K,可有效降低梅花触头过热性故障的故障率。

表3  A相和C相梅花触头稳定温升对比

 

6 结语

插入深度不足导致的梅花触头接触电阻增大是断路器手车触头过热性故障的主要原因。

使用记忆合金压片有助于降低梅花触头温升,可在一定程度上降低插入深度不足引发的过热性故障的故障率。