摘要：针对电气结点的过热烧毁问题，本文将双金属片应用于温度越限预警装置中，精确地控制和监控结点温度，从双金属片的材料选择、热敏感性能、物理性能、温度范围等方面进行分析讨论，最后提出一种成本较低、测量准确、实时监测、及时预警的装置设计方案，并对其使用中的常见问题和解决方案进行阐述。
关键词：电气结点；双金属片；温度越限预警；热敏感性能；实时监测
1 研究背景
高压电气设备（如变压器、互感器、高压开关柜等）在日益增加的社会用电量需求下，其所承受的电力负载也在逐渐加重，导致长期处在高负荷的状态下运行[1]。在此状态下，由于设备内或设备之间联结点处缺少更全面的保护措施，往往容易出现防护层脱落、金属表面层氧化腐蚀、部分紧固件松动等情况，并导致联结点接触电阻增大、漏电发热等一系列问题。当联结点温度持续升高时，若巡检人员未及时发现并做相应处理，联结点就可能超温烧毁，引发严重的电力系统安全事故[2-3]。
为避免上述因联结点持续发热造成的烧毁或击穿等恶性电力系统事故的发生，电力系统运行维护人员也在积极寻求对策，以及时监测结点温度、预防结点超温。因此，如何快速、精确、实时地监控电气结点的温度，预防烧毁事故的发生，成为电力系统运行维护中亟待解决的问题[4]。
现阶段监控电气结点温度的方式主要有两种：一种是巡检人员手持红外测温仪对每个节点进行人工温度测量采集，该方法会耗费大量的人力、物力，且容易出现遗漏和疏忽；另一种是基于互联网和电子信息技术的电气结点温度在线监测系统，该方法可节约人力、实现远程在线监测和智能报警，但系统建设还不成熟，软硬件要求比较高，且投资和运维成本都相对较高[5-6]。
本文的研究重点是开发一种简易、高效的电气结点温度越限预警装置，在降低投资成本的同时，满足准确测量、实时监测、及时预警的功能要求。
2 研究内容
双金属片是电气断路器的重要组成部件，一般是通过焊接的方式将两层（部分特殊情况也有多层）热膨胀系数不同的金属紧密结合制成。当其受热时，因主动层和被动层的不同膨胀系数导致伸长量的不同，主动层（热膨胀系数高的金属层）会向被动层（热膨胀系数低的金属层）的一边发生弯曲变形，直至产生一定形变量后，推动断路器脱扣，实现负荷过载保护功能[7]。
结合双金属片的热敏感物理特性和耐热、耐磨损、耐腐蚀性能，本文将其应用于一种温度超限预警装置中，实现温度监控和及时预警。
2.1 双金属片的材料选择
根据功能需求和适用环境的不同，双金属片的类型可分为常用型、灵敏型、耐高温型、耐低温型、耐腐蚀型、耐磨损性等。表1所示是常见的双金属片材料及其性能。
表1 常用双金属片材料及性能表
在进行双金属片的选型时，一般要求主动层和被动层两者在使用温度范围内均具有较大的热膨胀系数差，且金属化学性能稳定，容易通过焊接结合。膨胀系数较大的主动层通常选用焊接性能好、成本低的FeNiCr材料，如Ni24Cr2、Ni25Cr8、Ni19Cr2等[8]；膨胀系数较小的被动层通常选用镍铁合金材料，如Ni36Fe、Ni40Fe、Ni45Fe等。主动层与被动层之间的中间层一般选用纯Ni/Cu等，用于调节双金属片的电阻率，因本文所选金属片对电阻率没有要求，因此不使用中间层。
2.2双金属片的热敏感性能
热敏感性能是双金属片的重要属性，其有三种常见的表示形式：温曲率、比弯曲率和弯曲常数。在不同温度测量范围内，双金属片的膨胀系数与温度的变化关系不呈线性，因此对其膨胀系数的测量必须在指定的一个温度范围内，以保证材料的热敏感性能具有可对比性，保证所有元件的性能是在同一个标准下测得的。目前，行业内在性能测量温度范围的选择上，通常采用美国ASTM B388标准规定的10~93℃，或德国DIN 1715标准规定的20~130℃。
温曲率F指的是单位厚度的双金属片在单位变化温度下纵向中心线的曲率变化值。一般采用简支梁法对厚度大于0.3 mm双金属片的温曲率进行测量。图1所示是利用简支梁法测量温曲率的原理图。
图1 简支梁法测量温曲率的原理图
其温曲率的计算公式为：
式中，F为温曲率（℃-1）；δ为厚度（mm）；T1为初始温度（℃）；T2为结束温度（℃）；D1为初始状态下两支点间中点位置的垂直位移（mm）；D2为结束状态下两支点间中点位置的垂直位移（mm）；L为测量试样的长度（mm）。
比弯曲率K指的是一端固定的双金属片在单位厚度、单位长度、单位温度变化的条件下，另一端（自由端）的挠度变化量。通常采用悬臂梁法对其进行测量。图2所示是悬臂梁法测量比弯曲率的原理图。
图2 悬臂梁法测量比弯曲率的原理图
其比弯曲率的计算公式为：
式中，K为比弯曲率（℃-1）；δ为厚度（mm）；T1为初始温度（℃）；T2为结束温度（℃）；f1为初始状态下的挠度（mm）；L为试样长度（mm）；Δf为初始温度和结束温度状态下的挠度差（mm）。
弯曲常数Kc的定义与比弯曲率相同，即指一端固定的双金属片在单位厚度、单位长度、单位温度变化的条件下，另一端（自由端）的挠度变化量。通常也采用悬臂梁法对其进行测量，对应的计算公式为
式中，Kc为弯曲常数（℃-1）；Kc’为拟合直线斜率（mm/℃-1）；δ为厚度（mm）；L为试样长度（mm）。
拟合直线斜率的计算公式为
式中，Ti为各测量点的温度（℃）；Yi为温度Ti下的挠度（mm）；n为测量点。
2.3物理性能校验
为保证双金属片的使用性能，必须使其机械性能满足相应的要求。
（1）拉伸性能验证
双金属片需要具备足够的弹性，以保证在不同的温度下，均保证其良好的物理性能，且不发生不可逆形变。因此，使用拉伸弹性模量E来表征其物理特性，并使用公式E=4FL3/PIe3（N/mm2）对E值进行校验，以保证产品的弹性模量值在允许的范围内。
（2）双金属片的最大负荷
双金属在形变过程中受到抗拉强度由其最大载荷决定，这里使用σ来表示材料的最大允许负载应力，并根据公式σ=6FL/Ie2（N/mm2）对其进行校验，以确定元件受到的负荷没有超过材料的允许值。
（3）双金属片的形状设计
直片式双金属片因其形状设计简单而被广泛使用，但在设计使用前需对元件的形变方向进行预估，并为保证元件的弯曲特性，通常沿纵向形变进行设计，并使冲剪后边缘光滑无毛刺，以免影响双金属片的热敏感性。同时，应避免产生过小的圆角和过窄的宽度，以防止组件出现裂纹。按照用户使用要求自行设计的双金属片，虽然制作工艺相对繁琐，但可保证弯曲特性、形变方向、热敏感型等更符合部件的功能要求，因此实用性更高。
双金属片根部的设计是决定其所能提供最大推力的关键因素。一般要求其触发面积足够大，以免触发装置在承受较大作用力后发生不可逆形变或倾斜，影响部件功能。此外，双金属片应与其他元件间留有足够的距离，以免在发生相对运动时受到摩擦力或碰撞而发生脱扣。
2.4 可用温度范围和最高使用温度
双金属片的可用温度范围一般比线性温度区间大。在线性温度范围内，自由变形的双金属片不会发生残余变形。当温度高于线性温度的最大值，双金属片的热膨胀系数会发生一定的改变，此时部件的热敏感性会降低，虽然对双金属片的物理特性有一定影响，但仍然可以保证其使用功能。但当温度超过双金属片的最高使用温度，金属内部合金会发生再结晶，组件的晶粒会发生再结晶和转变，且硬度降低，物理特性发生严重改变，此时组件已不再具备使用性能。
3 温度越限预警装置的设计应用
在充分考虑双金属片的元件形状、位移或力、工作温度和条件、空间限制后，本文将双金属片应用于温度越限预警装置中，并与螺栓相结合，既保证安装简易、不用增设其他专用设备，又可同时监测电气装置的结点温度，实现温度越限预警。实际应用中，可根据受监测装置的实际情况，选配对应型号的指示螺栓，通过螺栓底部一个带内螺纹的孔，与线夹固定螺丝配合拧紧，完成安装。图3所示为预警装置的内部结构图。
图3 温度越限预警装置的内部结构图
主动层材料选择Ni24Cr2，被动层材料选择Ni36Fe。如图所示，在正常情况下，动作弹簧呈压缩状态，双金属片中心下凹边缘上翘，警示块左侧凸起卡口勾在双金属片上，阻止警示块向外弹出。当温度超过80℃时，双金属片的形变量过大而发生凸跳变形，中心凸起边缘发生下移，与警示块左侧凸起卡口分离，警示块摆脱双金属片的限位，在弹簧力作用下向外弹出，实现预警。
4 常见问题及解决方案
4.1 预警后复位使用问题
当设备巡检人员发现警示块弹出，并及时进行相应的降温处理后，双金属片受到的应力差逐渐减小，相应的形变量也会减小，逐渐恢复到原位。此时，巡检人员只需按下警示块，将警示块左侧凸起重新与卡口结合，直到警示块按压进装置内部，完成装置的复位。
由于双金属片具有良好的弹性形变性能，可在反复形变后保持物理性能不变，因此装置在复位后仍可以重复使用，不用进行更换。
4.2 生锈及预防
虽然双金属片中含有Ni、Cr等提高材料耐腐蚀特性的元素，但由于螺栓装置大多需经受风吹雨淋，容易发生腐蚀生锈，因此需采取必要的措施进行预防。具体措施为：
（1）将装置上盖密封严实，避免与电解质接触，包括潮气、雨雪、油污等；
（2）加涂防锈油，并寻找适合双金属片的防锈油；
（3）对双金属片进行表面镀层处理，如镀Zn、镀Sn、镀Ni等；
（4）采用防锈包装，避免组件内部漏入空气和水分；
（5）使用防护手套接触双金属片，避免手汗等腐蚀性物质与组件直接接触。
4.3 测量偏差及解决方案
本文所研究预警装置中的双金属片具有可替代性，巡检人员可定期拆下预警装置，对产生不可逆形变的双金属片进行更换，以免其形变偏差导致测温范围内的形变量发生改变，影响其预警的灵敏性和准确性。
5 结束语
对电气结点温度的越限监测，是防止电气结点过热烧毁、导致电力系统严重安全事故的重要措施，可以确保电力系统的安全稳定运行。
经过理论研究与设计，本文将双金属片应用于温度越限预警指示装置中，利用其双层金属热膨胀系数不同，在温度变化时产生一定的形变，推动警示块预警。该装置具有安装简易、报警及时准确、容易更换、投资较小、性能稳定等特点，可以大幅度降低工人定期巡检的劳动强度，提高工作效率，同时避免巡检人员在工作中可能出现的遗漏和疏忽，增强设备的安全性。
参考文献：
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论文作者:苏立,朱明严,沈承刚,邹佳作,周铭鑫
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/12
标签：双金属论文; 温度论文; 装置论文; 结点论文; 测量论文; 弯曲论文; 性能论文; 《电力设备》2019年第14期论文;