高压开关触头动热稳定设计校核

高压开关触头动热稳定设计校核

高远

平高集团有限公司, 河南平顶山467001

摘要:高压开关是电网关键设备之一，是接通和断开回路、切除和隔离故障的重要控制设备。近年来，新能源占比大幅提升、电动汽车日趋普及保障标志着新一轮能源革命蓬勃发展。新能源的大规模并网、电动汽车的广泛应用，使得电网的复杂性进一步增加，故障时的短路电流逐渐增加。在线路发生故障时，开关设备会通过相当大的短路电流，其中滑动连接触头是耐受动稳定电流的关键位置。本文针对于触头的动热稳定校核开展分析。

关键词：高压开关；触头；动热稳定；

0引言

高压开关产品动热稳定性能是产品的关键指标之一，同时产品的通流、容量的性能以及可靠性都与触头紧密相关。不同开关触头结构差异较大，产生接触压力的原理也不尽相同。按照其接触压力产生方式不同，可以分为自力型触头与非自力型触头。自力型触头依靠自身变形产生接触压力，如表带触指、弹簧触指、瓣状触指等。非自力型触头依靠其它部件产生的力来提供接触压力，常见有梅花触指、块状触指等。

触头在承受短路电流时，不能因过热而出现局部融化、金属喷溅甚至相互熔焊的情况，触头承受断流电流热作用的能力称为触头的热稳定性。同时，触头在通过短路电流时除了热效应之外还会产生电动力。触头的动稳定性即触头能承受短路电流产生的电动力而不发生焊接的能力。本文分析了触头的动热稳定校核方法。

1触头热稳定校核

SF6气体绝缘的高压开关，其导体一般为圆柱结构。滑动连接触头在与导体进行接触时，通常为线接触。根据接触学原理，在接触时会产生接触电阻。当触头流过较小电流时，通电前后的接触电阻及接触表面不发生变化。而高压开关承受的短路电流可达50kA甚至更高，其峰值可达125kA。触点位置由于接触电阻的存在，会产生大量的焦耳热。极短时间内热量难以得到有效耗散,导致该位置的温度急剧升高，触头可能因过热出现局部融化乃至熔焊的情况。而触头的热稳定校核就是要保证触头在触头在通过短路电流时，其接触点的温度不超过材料的熔化温度。

通过短路电流时，触头温度由发生前的T上升先达到材质的软化点,电流若继续增大触头温度随之上升到熔点。当短路电流流过触头时，触点温升（K）的表达式[1]为

式中，为每个触片的热稳定通流能力（A），为每触点接触电阻（Ω），为接触电阻电压降（V），为洛仑兹常数，；为触头本体温度，取，为触头在通过短路电流以前长期工作时最大允许发热温度，镀银触头，为触头熔点。

触头出现熔化时的温升为

将、代入上述公式可以得到触点熔化条件下的热稳定电流为

铜的软化点温度为，铜的熔点温度为。按照软化点设计触头的热稳定通流能力太保守，根据熔点设计热稳定通流能力裕度太小。根据下列公式[2]设计每个触片的热稳定通流能力，比较可靠。

其中为触头熔化时的接触电阻电压降（V），值为。

2 触头动稳定校核

电连接的触头能承受动稳定电流产生的电动力而不发生焊接的能力称为触头的电动稳定性[3]。触头的动稳定性能与时间无关。触头通过动稳定电流时，如果排斥电动力超过触头压力，触头就被推开，产生电弧，从而导致触头损坏或焊接。触头动稳定电流的表达式[4]为

其中，为每瓣触头流过的短路电流（峰值）（A），为一个触头流过的短路电流（峰值）（A）；为一个触头的接触压力（N）；为铜-铜触头系数，；为触指电流不均匀系数，。

3 触头动稳定电动力校核

   滑动电连接在耐受峰值电流时，除了不能发生熔焊，也不能出现打火的情况。所以电连接结构耐受短时的动稳定电流时，还应考虑电流在接触位置产生的电动力大小及方向。触头通过短路电流时，其受到的力有洛伦兹力、霍尔姆力、抱紧力，若要短路通流过程中不发生弹跳，则必有三个力的合力与抱紧力方向一致[5]。 触头短路通流时，其典型受力情况如下图1所示。

图1 短路状态触头受力

触头受到的电动力由洛伦兹力、HOLM力两部分组成。导体通过电流时周围存在磁场，磁场对通电导体存在作用力，称为洛伦兹力。洛伦兹力方向与触头结构有关，排斥的洛伦兹力对触头动稳定性能的影响不容忽视。典型圆周闭合型触头的洛伦兹力有如下[4]

其中，圆周闭合型触头的典型尺寸如下图2所示，其中，为触头长度（mm），为触头外径（mm），为触头内径（mm），为一个触头流过的电流（A）。

图2 圆周闭合型触头示意

触点通过电流时，存在使得触头相互斥开的作用力，称为HOLM力。接触理论认为，材料表面粗糙、凹凸不平。动静触头接触时，粗糙表面刺破氧化层建立导电斑点[6]。电流通过导电斑点时，电流线发生强烈收缩。如图3中Ia、Ib方向相反，分析发现接触点存在排斥电动力，即HOLM力。采用下公式计算该力：

式中：--真空磁导率；--导体流经的电流（A）；--导体等效半径（mm）；--导电斑点半径（mm），与接触压力和材料硬度有关。采用下公式[6]计算导电斑点半径：

式中：--接触压力（N）；--导体材料布氏硬度（HB）；--形变因数，

=0.3～0.6，一般选取=0.45[7]。

图3 HOLM力示意

由上述公式可以发现，圆周闭合型触头在通过短路电流时，产生了与抱紧力方向一致的洛伦兹力，增强了触头的动稳定性能。采用该方法进行电动力的校核，可以增加动稳定计算的准确性。

4 结语

本文给出了触头动热稳定的一般校核方法，对于热稳定主要考核短路电流通过时，电连接接触点的热效应。动稳定主要考核触头的受力情况，即触头在通过短路电流时不能发生弹跳。并通过短路过程触点受到的洛伦兹力、霍尔姆力进行计算，结果表明圆周闭合型触头受到的洛伦兹力与抱紧力方向一致，增加了触头的动稳定性。

参考文献

[1] 林莘,何柏娜,徐建源.自力型触头的设计与计算[J].高电压技术,2008,34(04):828-830.

[2] 黎斌.SF6高压电器设计[M].机械工业出版社,2010.

[3] 于国飞,袁仲林,郑翔.高压直流继电器触头间电动斥力分析[J].电器与能效管理技术,2020(09):13-17.

[4] 徐国政.高压断路器原理和应用[M].清华大学出版社,2000.

[5] 关向雨,李洪涛,邹明翰,梁京辉,吴晓文.基于三维有限元的静态连接梅花触头短路暂态电动力分析[J].陕西电力,2014,42(01):50-54.

[6] Milenko Braunovic, ValeryV Konchits, NikolaiK Myshkin,等.电接触理论、应用与技术[M]. 机械工业出版社, 2010.

[7] 刘志伟,李兴文,屈建宇.万能式断路器桥型触头短时耐受性能三维有限元分析[J].电器与能效管理技术,2016(15): 1-6.