触头发热及处理方法.doc

浅谈电气触头发热及处理方法 电力系统中电气设备与电气设备、母线与母线、母线与设备连接的导体形成可拆卸的 电气触头，这种电气触头为数众多，实际运行中经常遇到电气触头过热，因发现和处理不及 时而烧毁设备，引起事故，中断供电，给电力系统安全生产、经济运行、可靠供电、优质服 务造成重大损失。电气触头过热的原因很多，大多是电气触头紧固件在设计、制造、安装连接方面存在缺 陷，导致触头处散热条件不好产生过热问题。目前电气触头都是采用普通螺栓连接，正是用 普通螺栓连接存在许多习惯性错误，而导致电气触头过热。对电气触头的连接进行了深入分析，提出了电气触头不过热四大原则；进而根据 这四大原则，分析了普通螺栓紧固电气触头时存在的问题；并且着重介绍了解决这些问题的 方法和根据四大原则而设计的专利紧固件。 1电气触头不过热四大原则电气触头是通过导体连接而成并起导流作用，在电力系统中存在着各种各样的电气设备都 需要电气触头进行连接，但是在电气触头处会存在一定的接触电阻，电流流过触头时会消耗 一部份电能，这部分电能转化成热能而引起触头发热，触头温度随之升高直到发热跟散热达 到平衡。触头相对环境温度的温升取决于发热量的大小和散热条件的好坏，在散热条件基本 一致的情况下，发热量越大，温升就越高，触头受到腐蚀和材质疲劳等损害就越严重，当触 头的温度超过最高允许温度时甚至更高时，出现过热情况，触头会在短时间内严重受损出现 绝缘破坏、烧毁断裂等情况引起事故而中断供电。触头的接触电阻是由组成电气触头的两导体接触面接触而形成的，取决于两导体直接接 触的载流面积、接触面受到的压力以及接触面的腐蚀程度。因此，通过长期的工作实践 ，对电气触头过热问题进行深入观察和分析，提出要使电气触头不过热，设计、制造和安装 电气触头时应考虑以下四大原则。1) 电气触头的有效载流截面积是基础。所谓有效载流截面积，是指有足够压力作用下电 气触头的接触面积。导体的载流量与导体的截面积密切相关，作为导流的电气触头，其不过 热的载流量也取决于其载流截面积。2) 电气触头的压力是关键。电气触头表面并非绝对平整，从微观角度看仍然凹凸不平， 接触面只有在足够压力作用下才能使凹凸面都有效接触，否则压力不够，接触面有效载流面 减小而增加了接触电阻。3) 电气触头的防腐蚀很重要。接触面若受热氧化腐蚀，其电阻率会增大从而增加接触电 阻。4) 电气触头及紧固件材质疲劳。运行中触头长期受热，电气触头和紧固件的机械强度会 逐渐减弱，使接触面压力减小，从而导致有效载流面积减小，接触电阻增加。为使电气触头不过热，以上四大原则需要综合考虑，缺一不可。专利紧固件新产品的技 术核心正是根据这四大原则而设计的。 电气触头过热问题一直困扰电力运行部门，影响电力供电的可靠性和系统的安全运行， 解决电气触头过热问题是供电部门的一大宿愿。综上所述，专利紧固件紧紧结合电气触头不 过热的四大原则，有针对性地进行优化技术改进，增大了电气触头的有效载流面积和压力， 采用内凹式螺帽，既维持压力，又增强了电气触头的抗疲劳能力，两方面的改进减小了接触 电阻，减小触头运行时的温升而缓解了触头的腐蚀，解决了普通螺栓紧固的触头在运行时存 在的所有问题。这样就能有效避免电气触头过热及其引起的事故和供电中断，提高了供电的 可靠性和系统运行的安全性。虽然生产专利紧固件所需的成本相对普通螺栓而言增加了一些 ，但是其带来的运行维护费用和事故停电造成损失大大减少。试验测试和实际运行表明，该专利紧固件能有效避免普通螺栓紧固电气触头出现的过热问题 ，对提高电气设备的安全经济运行有很大的作用，可在电力系统大力推一、电弧放电的特征和危害二、电弧的形成 弧柱中自由电子的主要来源 电弧形成的过程三、电弧的熄灭 电弧的去游离形式 影响去游离的因素1. 电弧的概念 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 2.电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 3. 电弧放电的特征 （1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高。 （3）电弧是一种自持放电现象。 （4）电弧是一束游离的的气体。4. 电弧的危害 （1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。电弧的形成弧柱中自由电子的主要来源（1）（1）热电子发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 （2）强电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大 ，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。（3）碰撞游离 从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。 （4）热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。 1. 复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。2. 扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； （2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。电弧的熄灭 影响去游离的因素（1）1. 电弧温度 电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。 2.介质的特性 电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。3. 气体介质的压力 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。 4. 触头材料 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。 除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。 经过对图2-2的分析，可见交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程，以耐受的电压Uj（t）表示。 电流过流前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压正处于马鞍形的后蜂值处。电流过零后，弧隙电压从后蜂值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压，其电压恢复过程以Uhf（t）表示。 电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性的变化过程。短弧原理灭弧灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。采用缺口铁质栅片，是为了减少电弧进入栅片的阻力，缩短燃弧时间。 触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。 灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。1. 触头的概念 电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触的部分，如母线或导线的接触连接处以及开关电器中的动、静触头。 2. 对电气触头的基本要求 （1）结构可靠； （2）接触电阻小且稳定，有良好的导电性能和接触性能； （3）通过规定电流时，发热稳定而且不超过允许值； （4）通过短路电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性； （5）开断规定短路电流时，触头不被灼伤，不发生熔焊。v触头在正常工作和通过短路电流时的发热都与接触电阻值有关，所以触头的质量在很大程度上取决于触头的接触电阻值。正常情况下，触头间的接触压力、表面加工状况、表面氧化程度及接触情况等都会影响接触电阻值。 1. 触头间的压力 触头间的压力越大，触头间 的接触电阻就越小。 2.触头材料及防氧化措施 触头一般由铜、黄铜和青铜等材料制成。为防止触头表面被氧化，一般需要采取镀锡、镀银和涂防腐漆和凡士林油等措施加以防护。触头在长期负荷电流下工作时，由于接触电阻的存在，触头要发热，使其温度升高，同时也向周围介质散热，当发热量等于散热量时，触头就稳定在工作温度下运行。这个温度值小于触头材料长期允许的温度。因此，触头是安全的。由于负荷电流相对于短路电流要小得多，所产生的电动力不会影响触头的正常工作。 当触头短时间内通过大电流时，如短路电流、电动机的起动电流等，所产生的热效应和电动力具有冲击特性，对触头能否正常工作造成很大威胁，可能使触头熔焊和短时过热、触头接触压力下降等后果。因此，开关电器必须采取有效措施，保证在通过短路电流时有足够的动稳定和热稳定。1. 按接触面的形式分类 （1）点接触 是指两个触头间的接触面为点接触的触头，如球面和平面接触、两个球面接触等都是点接触。这种接触点较固定、接触电阻稳定、触头结构简单；但接触面积小不宜通过较大电流、热稳定性差。 （2）线接触 是指两个触头的接触面为线接触的触头，如柱面与平面接触，或两个圆柱面间的接触等都属于线接触 。这种接触电阻较小，接触面比较稳定。 （3）面接触 是指两个平面或两个曲面的接触。在受到较大压力时，接触点数和实际接触面积仍比较小 。2. 按结构形式分类 （1）固定触头 固定触头是指连接导体之间不能相对移动的触头。 固定触头按其连接方式可分为可拆卸和不可拆卸两类。 （2）可断触头 可断触头按其结构可分为对接式和插入式两大类。 （3）可动触头 可动触头也叫中间触头，又称滑动触头，是指在工作中被连接的导体总是保持接触，能由一个接触面沿着另一个接触面滑动的触头。 所有这此触头特性都与材料有关。根据分析的结论，可以提出对触头材料的综合要求，现将常用的触头材料分三类简要介绍。 一、纯金属材料 （1）银（Ag）纯金属中银的导电和导热都是最好的。银在空气中不易氧化，在潮湿的介硫气体中易硫化。银的氧化膜和硫化膜易分解，故接触电阻小且稳定，允许温度高。银的熔点低，在强电弧作用下易喷溅，只适用于小功率电器触头，或在固定触中作镀银材料。 （2）铜（Cu）-铜的导电和导热性能仅次于银，与银相比有较大的硬度和强度，熔点较高，价格低，易加工。缺点是易氧化，使接触电阻随温度和时间迅速增长。现在，用纯铜作触头材料已较少见。 （3）金（Au）-金的导电和导热性次于银和铜，突出的优点是不氧化，接触电阻稳定。金的缺点是价格贵，易于产生冷焊、变形和磨损，一般用于弱电触头或用作镀层。 （4）钨（W)-钨的许多性质和铂相近,但它有很高的硬度、耐热性和耐腐蚀性，因而它的抗电弧烧损、抗熔焊性能都很好。缺点是在高温下形成不导电的氧化膜，需要很大的接触力才能破坏，故适用于大功率电器的触头。 二、金属合金材料 （1）银合金-银常与金或钯组合成合金。银-金合金能耐大气腐蚀，当金含量低于50%时能生成硫化膜，这种合金的可塑性好，易加工。 银-钯合金的性质类似于银-金合金，但它具有电阻率大而电阻率大而电阻温度系数小的特点，钯对银有保护作用，当钯的含量超过50%时不会硫化，加工性能也很好。 （2）金合金-金-镍合金的硬度比较大，但在电弧作用下易氧化，使接触电阻增大。 金-铂合金在常温下光泽不变暗色，加温时不氧化。 金-锆合金能显著提高硬度，也不氧化，但抗熔焊较差。 金-银-钯合金硬度高，不氧化，但易于形成桥转移。 （3）铂合金-铂-铱合金随铱含量的增加，其硬度和电阻率都增大，它的生弧参数较铂高，触头使用寿命长。 铂-钌合金具有更高的硬度。 （4）钨合金-钨-钼合金含钼为45%时，硬度和电阻率最大，而电阻温度系数最小。含钽34%时，触头电磨损最小，含钼量的增加会导致触头严重氧化，因而这种材料适用隋性气体或真空中工作的触头。 三、金属陶瓷材料（粉末冶金材料） 为了满足电器时触头材料提出的各种复杂的、甚至是矛盾的要求，发展了金属陶瓷材料。它是两相金属的机械混合物，每相金属各保留自已原有的物理性能。两相金属中一相为