刘建
国网四川省电力公司内江供电公司 四川 内江 641000
摘要：配电系统中，隔离开关是一个应用范围较广的基础原件，对其稳定性及工作可靠性要求越来越高。本文简单介绍了隔离开关触点功能，通过对影响其热稳定性的因素分析，以构建仿真模型的方式进行隔离开关触点静态接触下热稳定性研究。
关键词：隔离开关；触点；静态接触；热稳定性
引言：现代电网运行过程中，高压隔离开关的工作环境较为恶劣，受到外界环境影响较为严重，容易对触点接触区域的光泽度及接触面积造成影响，使得触点内部电阻增大。长时间的高电阻工作状态下，局部温度持续升高，出现熔焊现象，造成隔离开关使用寿命大幅度降低，需要投入大量人力物力财力进行电力检修维护。
1隔离开关触点功能介绍
隔离开关是一种进行电源隔离、电路切断，自身无灭弧功能的开关元器件，处于“合”状态时，隔离开关能够提供常规电压下的异常条件电流；处于“分”状态时，根据开关触点上的绝缘距离标志进行断路阻隔，如图1所示。隔离开关常作用于高压隔离环境中，即额定电压在1千瓦以上的工作环境下，其自身工作原理及系统构造较为简单，但一个完整的高压线路涉及到多个隔离开关，因此在变电所、发电厂等电力相关部门的使用过程中，其可靠性要求较高。
.png)
图 1 隔离开关示意图
而隔离开关触点是隔离开关使用过程中，为防止操作顺序混乱，在闭锁回路中接入辅助触点，防止出现违反开关操作规则的情况发生。在母差保护工作中保护装置通过隔离开关辅助触点确定各间隔挂在哪条母线上，从而完成小差电流计算任务，确定故障母线情况。设备检修环节，隔离开关触点能够形成断裂点，完成检修设备与原电力系统之间的电源故障隔离，借此保障工作人员的生命安全。
2隔离开关热稳定性影响因素分析
在隔离开关使用过程中，自身结构零部件基本处于外露状态，受环境影响较为严重，尤其是导电罩、刀口压指等位置，作为隔离开关接线端，极易造成过热故障。常见的隔离开关热稳定性影响因素有以下几点：其一，安装检修作业未按照相关要求进行，造成倒闸环节的隔离开关触头无法闭合到指定位置，或超过停止点；其二，隔离开关接线部位长时间同外界大气环境接触，受到环境中水蒸气、尘埃颗粒的腐蚀氧化作用，造成隔离开关零部件侵蚀，并在接触面上形成一层氧化膜，增大导电体表面电阻，电流经过时因装置接触不良出现发热现象；其三，隔离开关装置设计未按照相关要求进行；其四，电源系统导线在风、雨等自然条件吹动，或因自身电荷变化造成连接件周期性热胀冷缩变化时，连接螺丝变得送的，不同零部件之间的连接有效面积减少，接触点收缩电阻增大。常见的风力故障为发热触头处于隔离开关出线侧，由于引线超过3米呈现垂吊状态。在大风吹动环境下，隔离开关触点受力失衡，增大电阻造成发热现象。就GW10-220W隔离开关而言，若管母摆动造成刀闸松动，也会出线触头放电发热现象[1]。
3隔离开关触点静态接触下热稳定性分析模型
3.1隔离开关触点模型构建
隔离开关触点接触系统主要分为接触电阻与内部电阻两部分，进行静态接触热稳定研究项目时，需要保持这两种形式的电阻相同，且保证触点系统的触头大小一致，从而控制电阻变量对热稳定性的影响情况，完成W形截面触点对隔离开关的热稳定性研究。电流线收缩使得隔离开关出现接触电阻，而开关表面膜仅通过干扰系统导电斑点的形成影响电流收缩强度，因此在进行隔离开关静态触点电阻计算时，要忽略膜电阻的影响效果，即：
式中：R为接触电阻，Re为收缩电阻。
借助Holm单斑点一级收缩模型，使得模型触点形状为圆形金属导电斑点，在电流通过此导电斑点时电流线会出现收缩现象，造成收缩电阻，其收缩形变程度与隔离开关触点压力及形状有直接关系。过程中要保证隔离开关触点静态系统结构满足Hertz模型接触条件，即整个接触面积要低于单个零部件的半径，降低表面相对曲率半径。根据资料显示，隔离开关触点接触力会对静态触点收缩电阻产生影响，尤其在瞬时过热状态下，接触力会造成触点半径发生变化，使得内部温度升高。为保证静态接触下热稳定性分析模型的研究有效性，在进行Workbench中有限元分析工作时，在开关耦合节点施加一个适应力，形成接触力对等条件，避免接触力对整个开关触点的影响，保证触头截面形式与隔离开关热稳定性研究结果准确性。
3.2触点稳态热稳定性分析
将GW4-220kV高压隔离开关作为实验研究系统，此种隔离开关的实际运行电流数额较大，可达到2000A，瞬时耐受电流最高可达50kA/3s，使得开关内部电阻发热量较高，尤其在隔离开关触点位置，发热情况更为明显。进行触点稳态热稳定性分析工作时，借助系统通电发热量变化判断接触电阻的影响效果，从而表现出隔离开关触点稳态热稳定性。进行模型网络划分环节，选择较小的网格尺寸，利用柔性网格减少实验计算时间，提高计算精准度。 稳态仿真模拟实验中，在户外自然环境下，触点加载额定电流为2000A，并将触指外端电压设置为0V，此时空气对流散热系数为5-10W/（m2K），空气温度为25摄氏度[2]。
为简化热稳定分析模型，将研究对象设定为单个触指模型，抛开温度变化对于电阻的影响效果，将整个隔离开关设定为并联电路，若电路中的各个环节额定电流设置为300A。根据开关触点的接触电阻R=0.087mΩ计算可得，其触点电阻产生热量为：
通过两种不同截面型式触指作为对比，对最高温度的分析计算结果可知，触点稳态热稳定性为接触电阻发热，因此可以得出截面型式触指对隔离开关触点稳态热稳定性有着影响效果。
3.3触点瞬态热稳定性分析
隔离开关触点瞬态热稳定性分析工作主要是探究断路状态下，即电路系统中的电流大于50kA/3s时，其触点接触面热稳定性变化情况。实验环节由于短路接触电流作用时间较短，在这个环节可以忽略触点散热情况，通过对其发热情况构建数学模型，总结出在额定时间内短路电流作用时间为3s，这个时间内视为整个系统为绝热状态，所有热量都集中在隔离开关触点上。当隔离开关处于某一温度区间内时，其工作状态正常，若超过这个工作温度区间，将会影响整个系统的运行状态。由此可见，隔离开关瞬态放热受到触点部位温度变化影响，其主要原因是整个系统中的热量汇聚到开关触点上，而这部分热量又是在短路作用下电阻生热造成的，所以可以确定触点瞬态热稳定性与接触触电电阻、瞬时电流及流通时间有关[3]。
此外，通过对其它因素进行定量分析，发现隔离开关触点静态接触下热稳定性还会受到其它条件因素影响，如图2所示，其热稳定性同隔离开关触点接触长度也有一定关系，但相较于前面的实验结果而言，这个影响效果较弱，不会对整个模型造成较大影响。
.png)
图 2 隔离开关触点热稳定性同隔离开关触点接触长度的关系
结论：通过建立隔离开关触点静态接触下热稳定性分析模型，借助控制变量法，进行稳态、瞬态过程中的隔离开关触点热稳定性变化情况实验，得出其静态热稳定性与开关截面形式、触点电阻以及瞬时电流有较大关系。由此可见，进行隔离开关触点静态接触下热稳定性分析，对触点温度进行实时检测，是保证高压隔离开关安全、持续运行的关键，强调提高隔离开关设备运行可靠性，降低输电事故隐患。
参考文献：
[1]姚灿江,袁攀科,龚晓雅,等.直流隔离开关接触系统热稳定性仿真分析[J].电工电气,2019(10):25-28+46.
[2]邓斌,杨帆,王国志,等.隔离开关触点静态接触下热稳定性研究[J].高压电器,2019,55(02):91-96.
[3]刘雨芳,张旻.基于有限元的隔离开关触头系统电-热耦合场计算与热稳定性分析[J].电气技术,2018,19(09):23-27.