開關(guān)柜的斷路器手車在推進(jìn)至工作位置的過程中，由于柜體導(dǎo)軌與手車底座之間受力不均或者導(dǎo)軌強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致梅花觸頭和柜體靜觸頭之間出現(xiàn)不同心，從而引起接觸不對稱，梅花觸頭的接觸壓力減小，致使接觸電阻增加。

在此狀態(tài)下，開關(guān)設(shè)備載入大電流和長時間運(yùn)行時，會造成梅花觸頭的壓片過熱，降低壓片的彈性系數(shù)，從而導(dǎo)致對梅花觸頭的觸片壓力降低，使接觸電阻進(jìn)一步增大，溫升繼續(xù)增大，周而復(fù)始，惡性循環(huán)最終引發(fā)熱性故障。

在一般開關(guān)柜中比較容易發(fā)生溫升超標(biāo)現(xiàn)象的地方就是靜觸頭與梅花觸頭的接觸部位，主要原因在于梅花觸頭與靜觸頭搭接點(diǎn)的接觸電阻因斷路器手車頻繁操作最容易變大。另外，觸頭接觸不良還會導(dǎo)致母線溫度分布梯度變大。

目前有的廠家為避免因溫升過高引起的事故發(fā)生，采用在線測溫裝置和快速弧光保護(hù)裝置，但是受靈敏度限制，某些情況下不能及時發(fā)現(xiàn)故障，仍然對設(shè)備造成損壞。

1 溫升及爬坡問題解決方案

1.1 原因分析

依據(jù)經(jīng)驗可以得知：在開關(guān)柜中的母線連接處、斷路器進(jìn)出線端、觸頭等處是溫升易超標(biāo)的地方。由于這些部位在結(jié)構(gòu)、材料、散熱環(huán)境等方面存在差異性，導(dǎo)致在相同熱效應(yīng)下產(chǎn)生的溫升效果存在差異。由電器學(xué)理論可知，開關(guān)柜在其運(yùn)行時產(chǎn)生電阻損耗、鐵磁損耗和介質(zhì)損耗，同時這些損耗也是開關(guān)柜的熱量來源。

對于中壓開關(guān)柜在計算發(fā)熱量時，鐵磁損耗和介質(zhì)損耗可以忽略不計，其主要的熱量來源是電阻產(chǎn)生的損耗。根據(jù)能量平衡與交換原理，開關(guān)柜產(chǎn)生的熱量主要通過熱對流和熱傳導(dǎo)的散熱方式傳遞出去。

通過以上分析可知，大電流開關(guān)柜體溫升薄弱點(diǎn)在觸臂與固封極柱連接處及觸頭盒內(nèi)部。原因有以下兩點(diǎn)：

1）柜體設(shè)計載流余量不足，回路電阻較大。4000A斷路器配置82個觸頭片，理論載流量為4400A，溫升試驗電流為4400A；3150A斷路器配置64個觸頭片，理論載流量為3500A，溫升試驗電流為3465A。

2）關(guān)鍵部位散熱不通暢。從熱源分析，真空斷路器的發(fā)熱量應(yīng)遠(yuǎn)大于進(jìn)線母排的發(fā)熱量；從散熱條件分析，斷路器觸頭基本處于封閉型的觸頭盒內(nèi)腔中，與空氣接觸面少，沒有通風(fēng)通道，散熱的空間較小，熱量不易隨空氣的自然對流和熱交換散失，散熱條件差，熱量容易集聚。

由于梅花觸頭接觸點(diǎn)少，接觸壓力大，在斷路器與靜觸頭嚙合或分離過程中發(fā)生手車爬坡和退坡現(xiàn)象（額定電流≥3150A時，現(xiàn)象比較明顯），主要是由于在嚙合和退出瞬間，因受到斷路器梅花觸頭與靜觸頭之間嚙合力的力矩及反向推力作用造成。

圖1 改進(jìn)后柜體總裝圖

圖2 一體化靜觸頭

圖3 敞開式觸頭盒

1.2 技術(shù)方案

開關(guān)柜體的溫升主要取決于其回路本身的發(fā)熱和對外的散熱，溫升越小，開關(guān)柜的額定電流等級就能越大。增大柜體通流能力，最行之有效的方式是減小通流系統(tǒng)的發(fā)熱和增大通流系統(tǒng)對外界的散熱。

1）解決觸頭盒內(nèi)部散熱問題。采用散熱型觸頭盒，配置一體化靜觸頭，使觸頭盒內(nèi)外形成通風(fēng)通道且關(guān)鍵發(fā)熱部位暴露在空氣中。

其技術(shù)原理是改善觸頭盒內(nèi)部導(dǎo)體的散熱環(huán)境，提升觸頭盒內(nèi)部空氣對流能力，增大母排與空氣接觸面及散熱空間，達(dá)到增大散熱能力的目的。

2）提高動靜觸頭嚙合處載流余量，以及減小電阻值。采用彈簧觸指技術(shù)，載流量提高到5600A。

選用彈簧觸指的原因主要基于其如下優(yōu)點(diǎn)：①彈簧觸指結(jié)構(gòu)比較簡單；②接觸點(diǎn)多，導(dǎo)電性能好，動熱穩(wěn)定性高；③每個接觸點(diǎn)的接觸壓力相比于梅花觸頭來說較小，鍍銀層在操作過程中耐磨性能好；④在手車進(jìn)出柜體的過程中，接觸點(diǎn)的壓力值比較恒定，對動靜觸頭的加工精度要求不高，具有較強(qiáng)的加工誤差適應(yīng)性。

3）底盤車絲杠螺距減小，降低搖進(jìn)搖出速度。絲杠螺紋圈數(shù)由22圈改為31圈，提高斷路器與柜體的配合精度和導(dǎo)軌強(qiáng)度，減少導(dǎo)軌變形量，提高手車進(jìn)出平穩(wěn)性，改善手車進(jìn)出柜體時出現(xiàn)的爬坡和退坡現(xiàn)象。

1.3 方案實施過程

基于上述原因分析和技術(shù)方案的確立，從熱源和散熱方式兩個角度考慮，通過減少回路電阻和優(yōu)化觸頭盒散熱通道來達(dá)到降低溫升的目的。

圖4 配新型觸頭的斷路器

如圖5所示，改善后的斷路器手車包括靜觸頭、新型觸頭、觸臂、散熱架、操作機(jī)構(gòu)、固封極柱、活門推板、底盤手車，固封極柱的下端通過活門推板安裝在底盤手車上，觸臂安裝在固封極柱上，且遠(yuǎn)離操作面一側(cè)。

觸臂端部安裝有新型觸頭，新型觸頭與觸臂之間通過彈簧觸指連接，增加觸頭載流量，且觸臂與觸頭之間還裝有均勻分布的定位螺釘，靜觸頭與新型觸頭對應(yīng)設(shè)置，也是通過彈簧觸指連接，觸臂分為上下兩排分別與固封極柱上下導(dǎo)電端子連接。

其中新型觸頭與觸臂之間的連接如圖6所示，在新型觸頭上安裝3個均勻分布的定位螺釘，定位螺釘沿著觸臂的半圓型溝槽做圓周運(yùn)動以及在一定角度范圍內(nèi)的上下左右擺動；彈簧觸指安裝在新型觸頭的溝槽內(nèi)，觸臂上安裝有2個限位螺釘，限制新型觸頭的旋轉(zhuǎn)角度，3個半圓頭導(dǎo)桿和壓簧用來調(diào)節(jié)新型觸頭與觸臂之間的同心度。同時更改底盤手車的螺紋絲杠的螺距及斷路器的導(dǎo)軌材質(zhì)，提高柜體加工精度。

靜觸頭更改成圖2所示的一體化靜觸頭，減少導(dǎo)體搭接面，減少回路電阻值，且靜觸頭設(shè)計成W型結(jié)構(gòu)，增加散熱面，改善溫升條件。同時動靜觸頭外部的觸頭盒做成圖3所示的敞開式觸頭盒，這樣就可以使觸頭結(jié)合處的熱源產(chǎn)生的熱量較好地通過散熱通道擴(kuò)散出去。

另外，靜觸頭與新型觸頭隨著手車慢慢插入配合時，靜觸頭只需要克服彈簧觸指的彈力，彈簧觸指作為目前常用的導(dǎo)電連接件，安裝后能使每一相的電阻值減少6◆◆左右，理論載流量達(dá)到5600A，且觸頭嚙合力也僅為梅花觸頭結(jié)構(gòu)的1/2；所以，手車斷路器在合/分閘過程中不僅能夠有效地改善“爬坡”現(xiàn)象，而且也起到了降低溫升量的效果。

圖5 改善后手車斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 改善后觸頭裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗驗證

2.1 配合開關(guān)柜進(jìn)出車力矩測試試驗

測試項目：分別使用裝配有梅花觸頭和彈簧觸指結(jié)構(gòu)的手車斷路器進(jìn)出開關(guān)柜，進(jìn)柜力矩的大小用扭矩扳手測量；配彈簧觸指結(jié)構(gòu)的手車斷路器更換底盤車后再次測試進(jìn)柜力矩。

試驗結(jié)果如圖7所示。斷路器手車進(jìn)柜時，動觸頭采用彈簧觸指比采用梅花觸頭的斷路器力矩明顯減小，爬坡現(xiàn)象也不明顯；手車退出時都有回落現(xiàn)象，但采用彈簧觸指結(jié)構(gòu)的手車斷路器回落現(xiàn)象明顯較輕。更換小絲杠后進(jìn)退力矩進(jìn)一步減小，回落現(xiàn)象無明顯改善。

圖7 梅花觸頭和彈簧觸指的進(jìn)/出車力矩

2.2 配合開關(guān)柜溫升測試試驗

當(dāng)電流流過開關(guān)柜各零部件接觸位置時，由于其接觸電阻的存在導(dǎo)致觸頭溫度升高，如果觸頭溫升過高，加快觸頭接觸面損壞程度，導(dǎo)致接觸電阻進(jìn)一步增加，觸頭長期的溫升過高最終會降低絕緣層的絕緣水平，縮短開關(guān)設(shè)備壽命，所以回路電阻的大小也是考核斷路器溫升性能好壞的一個指標(biāo)。

分別對兩種配套彈簧觸指和梅花觸頭的斷路器進(jìn)行回路電阻測試及溫升試驗，驗證設(shè)計方案的可行性。裝配彈簧觸指和梅花觸頭的斷路器回路電阻值見表1。

表1 回路電阻值

動觸頭更換成彈簧觸指結(jié)構(gòu)后，回路電阻有所降低，單只觸指簧約減少1.5◆◆電阻，單相（含靜觸頭接觸點(diǎn)、觸臂接觸點(diǎn)）約減少6◆◆左右，整個回路電阻減少約18%。

對KYN28A-12/4000A規(guī)格分別進(jìn)行了7組試驗：

• 1）梅花觸頭+封閉式觸頭盒。
• 2）觸指簧+封閉式觸頭盒。
• 3）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭。
• 4）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風(fēng)機(jī)。
• 5）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風(fēng)機(jī)、電纜室風(fēng)機(jī)。
• 6）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風(fēng)機(jī)，取消電纜室風(fēng)機(jī)，減小斷路器室風(fēng)機(jī)功率。
• 7）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風(fēng)機(jī)，減小電纜室風(fēng)機(jī)功率，減小斷路器室風(fēng)機(jī)功率。

試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗數(shù)據(jù)對比（單位：K）

1）觸指簧與梅花觸頭對比

• 試驗項目：在使用封閉觸頭盒及普通靜觸頭時，對比彈簧觸指與梅花觸頭的溫升。
• 對比結(jié)果：相同條件下，使用彈簧觸指，柜內(nèi)大部分位置溫升相較使用梅花觸頭低，在允許范圍內(nèi)。

2）封閉式觸頭盒與敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭對比

• 試驗項目：彈簧觸指技術(shù)，相同風(fēng)機(jī)配置，對比封閉式觸頭盒與敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭溫升。
• 對比結(jié)果：在相同條件下（斷路器觸指簧技術(shù)）使用敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭技術(shù)后，柜內(nèi)觸頭及彈簧觸指處溫升下降11.6～26K，效果非常明顯。

3）母線室風(fēng)機(jī)對開關(guān)柜溫升影響

• 試驗項目：斷路器室風(fēng)機(jī)型號為GFMT730；電纜室風(fēng)機(jī)型號為GFDD780；母線室風(fēng)機(jī)型號為2*SF2072。對比母線室風(fēng)機(jī)對溫升的影響。
• 對比結(jié)果：無母線室風(fēng)機(jī)時，上觸頭及彈簧觸指位置溫升比開風(fēng)機(jī)時高約5K，下觸頭及彈簧觸指位置溫升基本無變化。

4）是否配置電纜室風(fēng)機(jī)對溫升的影響

• 試驗項目：電纜室風(fēng)機(jī)配置型號GFMT730，電纜室風(fēng)機(jī)配置型號GFDD780，母線室不配置風(fēng)機(jī)，測試有無電纜室風(fēng)機(jī)對開關(guān)柜溫升的影響。
• 對比結(jié)果：取消電纜室風(fēng)機(jī)后，上三相觸頭及彈簧觸指溫升基本無變化，下三相彈簧觸指溫升下降約3～4K，一體化靜觸頭B相略微上升，其他基本不變。

5）減小斷路器室風(fēng)機(jī)功率對溫升的影響

• 試驗項目：母線室無風(fēng)機(jī)，電纜室無風(fēng)機(jī)。對比斷路器室風(fēng)機(jī)GFMT730（300W）與GFMT650（120W）對開關(guān)柜溫升的影響。
• 對比結(jié)果：斷路器室風(fēng)機(jī)由300W更換為120W小功率風(fēng)機(jī)后，溫升上升10～20K，溫度升高非常明顯。

6）斷路器室小功率風(fēng)機(jī)+電纜室小功率風(fēng)機(jī)

• 試驗項目：減小斷路器室及電纜室風(fēng)機(jī)功率。斷路器室配置GFMT650風(fēng)機(jī)（120W），電纜室配置760風(fēng)機(jī)（60W）。
• 對比結(jié)果：減小斷路器室風(fēng)機(jī)功率，電纜室配置風(fēng)機(jī)溫升比單獨(dú)減小斷路器室風(fēng)機(jī)功率高。

3 結(jié)論

通過樣機(jī)試制，進(jìn)行大量的試驗，根據(jù)最后的試驗數(shù)據(jù)及分析，得出如下結(jié)論：

• 1）手車斷路器動觸頭更換成彈簧觸指結(jié)構(gòu)后能有效減小與靜觸頭的配合力值，進(jìn)車力矩減小約50%，爬坡現(xiàn)象基本消失，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
• 2）彈簧觸指技術(shù)對改善開關(guān)柜溫升有幫助，由于接觸電阻減小會減少開關(guān)柜溫升。
• 3）敞開式觸頭盒對解決大電流開關(guān)柜溫升問題有非常大的作用。
• 4）電纜室風(fēng)機(jī)不應(yīng)配置。
• 5）可酌情取消母線室風(fēng)機(jī)。
• 6）可將斷路器室風(fēng)機(jī)功率降至200W左右。