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1、浅谈铁路电气触头系统发热及处理方法 铁路电力系统中电气设备与电气设备、母线与母线、母线与设备连接的导体形成可拆卸的 电气触头，这种电气触头为数众多，实际运行中经常遇到电气触头过热，因发现和处理不及 时而烧毁设备，引起事故，中断供电，给电力系统安全生产、经济运行、可靠供电、优质服 务造成重大损失。电气触头过热的原因很多，大多是电气触头紧固件在设计、制造、安装连接方面存在缺 陷，导致触头处散热条件不好产生过热问题。目前电气触头都是采用普通螺栓连接，正是用 普通螺栓连接存在许多习惯性错误，而导致电气触头过热。对电气触头的连接进行了深入分析，提出了电气触头不过热四大原则；进而根据 这四大原则，分析了普
2、通螺栓紧固电气触头时存在的问题；并且着重介绍了解决这些问题的 方法和根据四大原则而设计的专利紧固件。 1 电气触头不过热四大原则电气触头是通过导体连接而成并起导流作用，在电力系统中存在着各种各样的电气设备都 需要电气触头进行连接，但是在电气触头处会存在一定的接触电阻，电流流过触头时会消耗 一部份电能，这部分电能转化成热能而引起触头发热，触头温度随之升高直到发热跟散热达 到平衡。触头相对环境温度的温升取决于发热量的大小和散热条件的好坏，在散热条件基本 一致的情况下，发热量越大，温升就越高，触头受到腐蚀和材质疲劳等损害就越严重，当触 头的温度超过最高允许温度时甚至更高时，出现过热情况，触头会在短时
3、间内严重受损出现 绝缘破坏、烧毁断裂等情况引起事故而中断供电。触头的接触电阻是由组成电气触头的两导体接触面接触而形成的，取决于两导体直接接 触的载流面积、接触面受到的压力以及接触面的腐蚀程度。因此，通过长期的工作实践 ，对电气触头过热问题进行深入观察和分析，提出要使电气触头不过热，设计、制造和安装 电气触头时应考虑以下四大原则。1) 电气触头的有效载流截面积是基础。所谓有效载流截面积，是指有足够压力作用下电 气触头的接触面积。导体的载流量与导体的截面积密切相关，作为导流的电气触头，其不过 热的载流量也取决于其载流截面积。2) 电气触头的压力是关键。电气触头表面并非绝对平整，从微观角度看仍然凹凸
4、不平，接触面只有在足够压力作用下才能使凹凸面都有效接触，否则压力不够，接触面有效载流面 减小而增加了接触电阻。3) 电气触头的防腐蚀很重要。接触面若受热氧化腐蚀，其电阻率会增大从而增加接触电 阻。4) 电气触头及紧固件材质疲劳。运行中触头长期受热，电气触头和紧固件的机械强度会 逐渐减弱，使接触面压力减小，从而导致有效载流面积减小，接触电阻增加。为使电气触头不过热，以上四大原则需要综合考虑，缺一不可。专利紧固件新产品的技 术核心正是根据这四大原则而设计的。 2 普通螺栓紧固电气触头的问题根据电气触头不过热的四大原则分析普通螺栓在紧固电气触头时，存在以下问题：1) 普通螺栓紧固电气触头时所形成的有
5、效载流截面积不足。电气触头的有效载流面积应是在足够的压力直接作用下的电气触头导体的面积。实际有 效载流截面积就是螺帽压紧触头导体处的面积及螺帽表面的截面积。普通螺栓紧固电气触 头时，因螺帽外径小，所以造成电气触头的有效载流截面积不足；若在螺帽下加装弹垫（弹 垫外径小于螺帽外径），紧固时螺帽施加的力作用在弹垫上，弹垫作用在平垫上的面积就是 弹垫受力侧的面积，实际直接着力于触头上的面积等于弹垫受力侧的面积，即为有效载流面 积，其有效载流截面积更小。以 M12 普通螺栓为例，螺帽的受力侧的面积为 140 mm2，弹垫受力侧的面积为 130 mm2。 这是按照触头螺孔径 13 mm 计算出来的，若现场
6、加工不精确使螺孔不规则，其有效载流面积 将更小。若用 M12 螺栓连接 150 mm2 电缆接线端，则形成的触头小于电缆截面积，当大电流 通过该触头时，由于截面积小、电流密度大而极易造成触头过热而引发事故。就是小电流流 过时，此类电气触头发热量大，增加线损，很不经济。再如，以 4 个 M12 普通螺栓紧固 808 母排，触头的有效载流面积为 4130 mm2520 mm2，明显小于母排的载流面积 640 mm 2。2) 普通螺栓在紧固电气触头时，连接处实际真正有效压力面积不够。普通螺栓在紧固电气触头时，由于其紧固力作用面积小，其紧固力作用在触头导体 上总 的压力不够，电气触头处容易出现因紧固力
7、不够而变形松动，在运行过程中由于热胀冷缩的 作用这种变形会加剧，如遇短路电流的冲击，动稳定遭破坏，松动的结果必然是造成过热， 如用螺帽加装弹垫防松动，若弹垫质硬受压后易断，若质软，受压后不能起到防止螺帽松动 作用。3) 普通螺栓在紧固触头时，触头容易疲劳和腐蚀。由于普通螺栓紧固的触头存在有效载流面积不足和实际有效压力面积不够的问题，因此 按所连设备的额定负荷运行时其温升将明显升高，且在流过短路电流时可能不满足热稳定和 动稳定的要求，因此在重负荷或遭受短路电流后触头易氧化和引起材质疲劳，接触电阻增加 进而不断恶化而形成恶性循环。因此，普通螺栓紧固的电气触头易发生过热的问题。3 可解决电气触头过热
8、的专利紧固件依据解决电气触头不过热的四大原则研究制造的专利紧固件（专利号 ZL01 2 14234.4 ），是针对普通螺栓紧固电气触头时存在的问题，对紧固件进行了优化设计、特殊加工而生 产的，致力于全面、彻底、一次性解决电气触头过热问题。与普通螺栓相比专利紧固件作了以下优化技术设计，从而具有了以下明显的优点。1) 加大螺栓头及螺帽受力侧面积，增大了触头的有效载流面积。电气触头的有效载流面积应大于所连接的导体或设备的载流面积，才能使该导电回路达 到设计的运行要求，否则会限制该回路设备的通流能力。专利紧固件加大了螺帽的外径，螺 栓头及螺帽的截面积的大小设计应遵循大于紧固电气触头导体的最大载流截面积
9、。专利紧固 件加大了螺栓头及螺帽的受力侧面积，当紧固触头时受到紧固力的电气触头的有效载流面积 大大增加，且在有短路电流流过时，电气触头的热稳定性就能很好。以 M12 专利紧固件为例，加大后的螺帽的受力侧的面积为 398 mm2，是普通螺栓的2.84 倍 。若用 M12 螺栓连接 150 mm2 电缆接线端，则形成的触头有效载流面积为 398 mm2，大大 超过所连接的电缆的截面积。若以 4 个 M12 专利紧固件紧固 808 母排，触头的有效载流面积 为 4398 mm21592 mm2，远远超过母排的载流面积 640 mm2，可以防止触头有效载 流面积不够而造成的过热问题。表 1 是专利紧固
10、件与普通螺栓有效载流面积的比较，从表中 可看出专利紧固件在载流面积上明显的增大。2) 对螺栓头及螺帽受力面作了微小的内凹式处理，其受力面不是一个平 面，而是由中心向外沿有一定倾斜度，并使用普通螺帽代替弹垫作防松动件。当用专利紧固 件紧固触头时，螺帽外沿侧先受力，中心受力相对小于外侧，这种给到电气触头的预压力能 有效地解决在运行过程中由于热膨胀的因素使触头发生形变的问题，增加了触头的抗疲劳能 力，特别是遇短路电流的冲击，动稳定不会遭到破坏，因此采用内凹式处理过的专利紧固件 可以使触头运行过程中保持持久压力，有效避免了在运行过程中因触头松动而引起的过热事 故，也不用定期停电紧固触头的状况。3) 加
11、厚了螺帽，在紧固时要用比普通螺栓更大尺寸的扳手等紧固工具紧固，从而 加大了安装的紧固力和触头导体受到的压力，减小了接触电阻，提高了触头的动稳定性，增 强了电气触头的抗疲劳能力。综上所述，专利紧固件紧紧结合电气触头不过热的四大原则，有针对性地进行优化技术 改进，增大了电气触头的有效载流面积和压力，采用内凹式螺帽，既维持压力，又增强了电 气触头的抗疲劳能力，两方面的改进减小了接触电阻，减小触头运行时的温升而缓解了触头 的腐蚀，解决了普通螺栓紧固的触头在运行时存在的所有问题。 4 试验及实际运行情况4.1 电气触头温升试验对专利紧固件与普通螺栓紧固的电气触头作了温升对比试验，如图 1 所示，用相同
12、规格的专利紧固件 A 与普通螺栓 B 连接的铝排制作的两个电气触头串在一起，通过一定的电流 以模拟实际电气触头的运行情况，两个电气触头都处于同样的环境温度和散热条件，测量通 流一段时间后，两个电气触头处的温度变化情况。为防止两个电气触头发热后热量传递影响 试验结果，将被试件置于油介质中。将 A 与 B 交换位置分别试验，用数字式红外线测温仪测量结果如表 2 所示（环境温度为 29 ） 。 试验结果：专利产品的温升明显低于普通螺栓的温升。 4.2 实际运行情况该专利紧固件已在成都电业局青白江供电局使用三年多，主要应用于原来用普通螺栓紧 固经常出现过热问题而多次处理尚未解决的电气触头，用专利紧固件
13、替代后未出现一例过热 问题，得到使用单位的一致好评。 5 结论电气触头过热问题一直困扰铁路电力运行部门，影响铁路电力供电的可靠性和系统的安全运行， 解决电气触头过热问题是供电部门的一大宿愿。综上所述，专利紧固件紧紧结合电气触头不 过热的四大原则，有针对性地进行优化技术改进，增大了电气触头的有效载流面积和压力， 采用内凹式螺帽，既维持压力，又增强了电气触头的抗疲劳能力，两方面的改进减小了接触 电阻，减小触头运行时的温升而缓解了触头的腐蚀，解决了普通螺栓紧固的触头在运行时存 在的所有问题。这样就能有效避免电气触头过热及其引起的事故和供电中断，提高了供电的 可靠性和系统运行的安全性。虽然生产专利紧固件所需的成本相对普通螺栓而言增加了一些 ，但是其带来的运行维护费用和事故停电造成损失大大减少。试验测试和实际运行表明，该专利紧固件能有效避免普通螺栓紧固电气触头出现的过热问题 ，对提高电气设备的安全经济运行有很大的作用，可在电力系统大力推广使用。
