中压开关柜典型接触故障下的温升特性研究

中压开关柜典型接触故障下的温升特性研究

 左杰 张艳

西电宝鸡电气有限公司

摘要：中压开关柜作为电力系统中的重要组成部分，承担着电能分配和控制的重要任务。然而，在实际运行过程中，接触故障频繁发生，严重威胁了电力系统的稳定运行。接触故障主要包括接触不良、接触疲劳、接触腐蚀等，这些故障往往导致接触电阻增大，发热量增加，进而引发温升问题。温升特性研究对于提高开关柜运行安全性具有重要意义。

关键词：中压开关柜；接触故障；温升特性

本文针对中压开关柜在运行过程中可能出现的接触故障问题进行了深入研究，特别是对故障下的温升特性进行了详细的分析。中压开关柜在电力系统中扮演着极其重要的角色，然而，接触故障作为一种常见的设备问题，对设备的正常运行构成了严重威胁。在本文的研究过程中，我们并未提出任何具体的解决接触故障的对策，而是专注于对故障现象本身的分析和理解。我们希望通过这一研究，能够为未来的工作提供理论基础和技术支持，从而为解决中压开关柜的接触故障问题提供新的思路和方法。

一、中压开关柜接触故障类型及原因

1.1接触不良故障

接触不良故障是中压开关柜常见的故障类型之一，其产生的主要原因是接触件表面的氧化、灰尘或者金属颗粒的积累，使得接触件之间的接触电阻增大。当接触电阻增大到一定程度时，接触件之间会产生过热，进而引发接触不良故障。接触不良故障会导致开关柜内部的温度升高，严重时甚至会引起火灾，对电力系统的正常运行造成威胁。接触不良故障的产生与接触件的材料、形状以及接触压力等因素有关。

1.2接触疲劳故障

接触故障是中压开关柜运行过程中常见的问题之一，尤其在长时间运行、频繁操作以及环境因素的共同作用下，开关柜的接触部件很容易出现故障。这些接触部件包括开关触点、连接片、接线端子等，它们在电力系统中承担着电流传递的关键任务。然而，由于材质老化、氧化、污染或是制造工艺的微小缺陷，接触部件可能产生电阻增大、接触电阻不稳定等现象，从而引发接触故障。接触故障会导致接触点局部过热，若长时间无法得到有效控制，将可能引起绝缘老化、金属材料熔化，甚至引发火灾等严重后果。因此，研究接触故障下的温升特性对于预防开关柜故障、保障电力系统稳定运行具有重要意义。

1.3接触腐蚀故障

接触腐蚀故障是中压开关柜常见的故障类型之一，其主要由开关柜内部金属接触件表面的腐蚀所引起。在开关柜运行过程中，由于环境因素以及长期接触电流的作用，接触件表面容易产生腐蚀，导致接触电阻增大，进而引发接触腐蚀故障。接触腐蚀故障的存在，会导致开关柜接触电阻增大，接触温度升高，严重时甚至会引起接触火灾，对开关柜的运行安全造成严重威胁。

二、中压开关柜温升特性理论分析

2.1接触电阻发热理论

接触电阻发热理论是研究中压开关柜温升特性的重要基础。当电流通过接触点时，由于接触电阻的存在，会产生一定的热量，导致接触点温度升高。接触电阻发热的机理可以归结为焦耳热效应，即电流通过接触点时，电阻会将电能转化为热能，使得接触点温度升高。接触电阻发热理论的核心公式为焦耳定律，即 Q=I^2Rt，其中Q表示在时间t内产生的热量，I表示电流，R表示接触电阻，t表示时间。根据这个公式，可以看出，接触电阻发热量与电流的平方成正比，与接触电阻成正比，与时间成正比。因此，在实际运行中，中压开关柜的接触故障会导致接触电阻增大，从而使得接触点温度升高，进一步影响开关柜的运行安全。接触电阻发热还会受到接触点材料、接触压力、接触面积等因素的影响。例如，接触点材料的热导率不同，会导致接触点温度升高的速度不同；接触压力的大小也会影响接触电阻的大小，从而影响发热量；接触面积的大小则会影响热量的分布，从而影响接触点的温度分布。因此，在研究中压开关柜温升特性时，需要综合考虑这些因素，以更准确地描述接触电阻发热的规律。

2.2热传导理论

热传导理论是研究物体内部热量传递规律的学科，其在中压开关柜温升特性研究中具有重要作用。根据热传导理论，物体内部的热量传递主要通过导热、对流和辐射三种方式进行。在中压开关柜接触故障中，接触电阻发热是导致温升的主要原因。当电流通过接触点时，由于接触电阻的存在，会产生一定的热量。这部分热量会通过热传导作用在接触点附近产生温度梯度，使得接触点的温度升高。热传导过程中，接触点附近的材料会因为温度的升高而产生热膨胀，进一步加剧接触电阻的变化，从而影响开关柜的正常运行。对流换热和辐射换热也会影响开关柜温升特性。对流换热是指热量通过流体的流动而传递，而在开关柜中，冷却空气的流动会带走部分热量，降低开关柜的温升。辐射换热是指热量通过电磁波的形式传递，开关柜表面的热辐射也会影响其温升特性。通过对接触电阻发热、热传导、对流换热和辐射换热等方面的研究，可以深入了解开关柜接触故障下的温升特性，为提高开关柜运行安全性提供理论支持。

2.3对流换热理论

对流换热是指流体与固体表面之间通过流体的流动实现热量交换的过程。在中压开关柜接触故障的情况下，对流换热起着至关重要的作用。当接触电阻发热导致开关柜内部温度升高时，柜内空气会因为温度的差异而发生流动，形成对流。这种对流现象有助于将开关柜内部的热量传递到柜外，从而保证开关柜内部的温度不会过高，避免因温度过高引发的故障。对流换热过程可以用牛顿冷却定律来描述，即热流密度与对流热传递系数、流体速度和温差成正比。在开关柜运行过程中，由于接触故障导致的接触电阻发热，会使接触点附近的温度升高，从而在接触点附近形成热空气。热空气因为密度小而上升，周围的冷空气填充其位置，形成一个闭合的对流环路。这样，接触点附近的热量就可以通过对流的方式传递到开关柜的其他部位，甚至散发到柜外。然而，对流换热的效率受到许多因素的影响，如流体的性质、流速、温度差等。在中压开关柜中，由于结构紧凑，空间有限，接触故障产生的热量可能无法得到有效的散发，导致局部温度升高。在这种情况下，对流换热的效率会降低，可能会导致开关柜内部的温度升高到危险程度。因此，研究对流换热特性对于理解和解决中压开关柜接触故障下的温升问题具有重要意义。

2.4辐射换热理论

辐射换热理论是指物体由于具有温度而辐射电磁波，并在真空中无中介质进行传递的过程。在中压开关柜的运行过程中，由于电流的通过，接触点会产生热量，从而引起温升。辐射换热作为一种热传递方式，在中压开关柜的温升特性研究中具有重要作用。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体单位面积的辐射功率与其温度的四次方成正比。因此，当接触点温度升高时，其辐射功率也会相应增加。根据维恩位移定律，物体辐射的最大强度波长与其温度成反比。这意味着接触点温度升高时，其辐射电磁波的波长会变短。在实际应用中，中压开关柜的辐射换热过程可以简化为黑体辐射模型。通过对接触点辐射功率和辐射特性的研究，可以分析其在不同温度下的辐射换热能力，从而为中压开关柜的温升特性研究提供理论依据。通过对接触点辐射功率和辐射特性的分析，可以更好地理解中压开关柜在运行过程中的热传递规律，为提高开关柜的运行安全性提供理论支持。

结语

中压开关柜在运行过程中，接触故障是一种常见的故障类型，它可能导致开关柜的温升异常。为了保证开关柜的正常运行，需要对接触故障进行及时的诊断和处理。通过对中压开关柜温升特性的研究，可以深入了解开关柜在接触故障下的温升规律，为提高开关柜的运行安全性提供理论依据。

参考文献

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[2]赵亮 (2019)。中压开关柜接触故障诊断与预防策略研究。电力系统保护与控制，43(8)，68-72。

[3]周杰 (2020)。基于接触电阻发热理论的中压开关柜温升特性分析。电力系统自动化，44(4)，34-38。