摘要：本文列举了某城市地铁直流牵引供电系统运行中接触网隔离开关烧损的故障，通过现场勘察和定性、定量技术分析，针对该典型故障提出可行治理措施及防范对策。
关键词：接触网；隔离开关；刀闸；烧损；对策
一、引言
在地铁直流牵引供电系统中，接触网隔离开关（以下简称开关）将变电所直流1500V输送给接触线。同时，它还给日常接触网系统检修人员提供电气连接隔离功能和增强供电的灵活性。一般地铁列车正常牵引取流时，开关约有3000A负载电流通过，但在接触网系统或列车非正常运行时，它需耐受上万安培电流瞬时冲击。所以，在地铁牵引供电系统中对接触网开关载荷电流要求特别高。本文通过对某城市地铁隔离开关烧损故障分析，提出针对性的治理及防范对策。
二、开关触头烧损故障概况
某地铁车辆部作业人员发车辆段13道接触网上出现持续的电火团。经专业技术人员现场检查，确认2131开关动刀闸及滑动触头严重烧损，用于连接动刀闸的螺杆和施加触头接触压力压力弹簧严重烧损，弹簧与刀闸间的塑料垫圈部分破裂脱落，绝缘子裙边有热熔的铜液覆着。
翻阅隔离开关技术资料，烧损的开关采用先进的进口法国加朗1500V-3000A单极直流隔离开关产品，该型号开关由支柱绝缘子、传动绝缘子、动刀闸、静刀闸、动（静）触头、滑动触头、连接铜排及其它附件组成（图一），其中触头、动静刀闸材料成分为铜，触头表面使用镀锡工艺。动刀闸两端各布置8个触头与4个静刀闸，一端采用可分接触，另一端采用滑动接触，触头接触形式全部为点面接触，以此实现电流输送。其开关主要技术参数：主回路电阻值小于4×10-2，额定电流为3000A（单个触头额定负载电流375A），瞬时冲击电流12000A（单个触头瞬时冲击电流1500A），持续时间0.1s。
图一 法国加朗1500V-3000A单极直流隔离开关
三、开关触头烧损定性、定量分析
根据机械性高压电气空气开关触头电接触理论要求，其一：触头在持续通过额定电流时，触头温升不超过允许定值，触头接触电阻Rc稳定；其二：在短时短路电流时，触头不发生电熔焊或触头喷溅。
在满足触头电接触理论要求时，影响接触电阻的因素主要有：第一，材料性质（如材料电阻率ρ、布氏硬度HB、化学性能以及金属化合物的机械强度与电阻率）；第二，触头的接触形式（点面接触、线面接触、面面接触）；第三，触头的接触压力F；第四，触头表面加工情况。
若要准确地计算接触电阻是很困难的，一般只能用经验公式估算，表达式为：
Rc=Kc/Fm（3-1）
式（3-1）中：F为接触压力；Kc为与接触材料、表面情况、接触方式等的系数；m为与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取0.5、0.7、1。
据开关故障后调查相关维护保养和电力SCADA系统监控监测数据记录，显示故障前2131开关并无长时间过负载电流，可以排除长时间过电流热效应作用因素。
经现场故障现象、烧损的链接螺杆及压力弹簧和覆有热熔的铜液绝缘子，可以得出当时烧损部位温度至少达到铜的熔点1083℃结论。笔者依据高温，认为导致开关故障现象和零部件烧损的唯一原因是电弧。具体分析如下：
（一）设备内部原因：
（1）该开关使用近8年有余，其中塑料垫圈长期受外部恶劣环境（紫外线照射、雨淋、风蚀等）渐已出现材质老化、龟裂。同时，在列车运行时的振动通过道床传递给接触网支柱基础，导致塑料垫圈的脱落。
（2）由于开关滑动触头处塑料垫圈的脱落，导致接触压力控制零件弹簧伸长，触头接触压力约束力降低，触头接触电阻变化导致发热量剧增。具体定性定量推导过程如下：
根据胡克定律：弹簧在发生弹性形变（弹性失效范围内）时，弹簧的弹（压）力和弹簧的伸长量（或压缩量）成正比。
F=k·x（3-2）
式（3-2）中：F为弹簧的弹（压）力；X为弹簧的伸长（压缩）量；k为弹簧弹性系数，单位N/m，其大小一般取决于材料物理特性和环境温度等因素有关；
根据焦耳定律：在纯电阻电路，电流通过电阻产生的热量跟加在电阻两端电压的大小二次方成正比，跟通电的时间成正比，跟电阻大小成反比。
Q=U2·t/R（3-3）
式（3-3）中：t为电路中电阻通过持续电流的时间；U为电路中电阻两端的电压；R为电路中的电阻。
因开关滑动触头接触压力约束力降低与弹簧的弹（压）力变化有关，综合（2-1）、（3-2）及（3-3）式，其触头处接触电阻发热量变化计算如下：
△Q=U2·t·Fm/Kc-U2·t·（F-k·x）m/Kc
△Q=（Fm-（F-k·x）m）·U2·t/Kc
由于开关滑动触头接触方式为点面接触，故m取值0.5，则可简化为：
△Q=（-）·U2·t/Kc（3-4）
由（3-4）可以定量确定触头弹簧的弹（压）力变化与接触电阻发热量的变化关系：
在一定条件（接触电阻两端电压、持续通电时间）不变情况下，弹簧弹（压）力变化量的开平方与开关滑动触头接触电阻发热变化量呈线性相关性。
笔者经翻阅该规格开关设计制造资料，一般单个触头的接触压力F取150N，若因触头的接触压力的变化量为设计值的2/3，根据（3-4）可知△Q的增量约是原Q的2.47倍。可见，塑料垫圈的脱落使开关触头的接触电阻变化，导致滑动触头部位电流热效应的发热量剧增。
（3）因压力弹簧横截面积小，其材料电阻率大（20℃铁的电阻率大约是铜的8倍），在塑料垫圈脱落后压力弹簧、螺杆、触头形成新的一条电流路径。压力弹簧在电流热效应的作用下温度升高，其弹性系数变小。根据公式（3-4）可知滑动触头接触压力随之变小，开关滑动触头部位电流热效应的发热量剧增。
（4）在上述（2）、（3）原因下：滑动触头温度升高，加速触头表面氧化，生成高电阻率的金属氧化物，触头接触电阻再次增大，触头发热量增加。
（二）设备外部原因
由于动刀闸滑动触头与静刀闸采用螺杆压力弹簧连接，构造复杂日常不利于专业技术人员及时对触头维护保养。据笔者查阅检修资料该开关无动刀闸滑动触头与静刀闸无细致的保养维护记录和工艺质量要求，长期失修使触头接触电阻逐渐增大，触头发热量增加。
在内外因素的共同作用下，滑动触头接触电阻增大，致其温度急剧累积升高。当温度超过190℃时铜材质的触头开始软化，动刀闸滑动触头与静触头间出现狭小的空气间隙。同时，其空气间隙放电产生数千摄氏度的电弧熔化动刀闸滑动触头。随着滑动触头的熔化改变了开关正常的工作电流路径，使得绝大部分电流通过压力弹簧和链接螺杆输送给负载。压力弹簧在电流热效应的作用下受热变软，此时滑动触头接触压力巨降，动刀闸与静触头空气间隙变大产生强烈持续的电弧。持续的数千摄氏度的高温对动刀闸、静触头、链接螺杆、压力弹簧及部分未脱落塑料垫圈熔化、气化、燃烧，熔化的铜水落在支柱绝缘子上，链接螺杆、塑料垫圈熔断脱落。
四、治理及防范对策
（1）地铁运营维护单位对隔离开关触头烧损典型隐患进行链接工艺技术改造。具体改造方案：①采用触头分流的技术措施，具体是在滑动接触的触头刀闸本体和静触头本体上方用2根150mm2软铜裸电缆、4个185型接线端子、4个M16螺杆将滑动触头固定连接。②因保证动刀闸与静刀闸的分合的基本功能，不能采用①固定连接措施，但可对其状态（温度）监测，具体工艺技术措施有：在动（静）刀闸接触的触头附近安装电气测温贴片，维护人员在周期检修时可以更具贴片颜色变化来确认触头的温升变化异常；动刀闸与静刀闸在运行时，采用红外测温仪随时进行检测。对其有温升异常隐患时，及时组织专业技术人员拉开开关，进行修复处理，可以有效防止故障发生。
（2）改进开关构造及触头制造工艺。具体措施可增加刀闸上触头数量，触头采用低导电率材料、先进的制造工艺，也可提高触头的机械、化学及电气稳定性。
（3）设备维护单位建立健全管理机制。编制该设备故障应急处置预案，加强日常故障应急处置演练。同时，也可根据运行状态适当调整日常小修保养或大修周期。
（4）设备维护单位当遇到开关有过负载（系统短路电流）时，应及时安排专业人员对开关运行进行检查，以防带着病运行影响系统正常运行。
（5）设备维护单位可建立定期对开关主回路电阻值进行检测比较机制，及时调整修复技术参数不合格的开关触头，也可依据测量数值研究判断其稳定性及可靠性。
五、结语
地铁直流牵引供电系统中隔离开关触头烧损故障的突发性和后果的严重性，设备维护单位应加强对开关检修和管理手段，必须引起运营维护人员重视。设备产品生产商加大的材料特性、工艺参数等研究，采用性能成熟、安全和可靠技术，提高产品质量安全。
参考文献：
[1]张节容，钱家骊，王伯翰，等．高压电器原理和应用[M]．北京：清华大学出版社，1989．
[2]某市地铁集团有限公司运营分公司.某地1号线一期工程接触网隔离开关缺陷整改工程[R].2011.
[3]于松伟，杨兴山，韩连祥，等．城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].四川成都：西南交通大学出版社，2008．
[4]某市地铁有限公司.某地铁1号线一期工程DC1500V隔离开关技术规格书招标文件[G].2000.
[5]张万里．接触网工技术问答850题[M].北京：中国铁道出版社，1998.
[6]于伟松，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[W].成都：西南交通大学出版社，2008：75-86.
[7]杨建国，城市轨道交通供电工程施工技术手册[M].北京：中国铁道出版社，2013：315-320.
[8]翁关钰.努力提高牵引供电的可靠性［J］.铁道运输与经济，1994（4）：29.
[9]黄德胜，张巍.地下铁道供电［M］.北京：中国电力出版社，2009.
[10]张涛.高压隔离开关安装与检修.北京：中国电力出版社，2012.
论文作者:张卿
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/18
标签：触头论文; 弹簧论文; 电流论文; 电阻论文; 压力论文; 垫圈论文; 螺杆论文; 《防护工程》2019年11期论文;