開關柜的斷路器手車在推進至工作位置的過程中，由于柜體導軌與手車底座之間受力不均或者導軌強度不夠，導致梅花觸頭和柜體靜觸頭之間出現不同心，從而引起接觸不對稱，梅花觸頭的接觸壓力減小，致使接觸電阻增加。

在此狀態下，開關設備載入大電流和長時間運行時，會造成梅花觸頭的壓片過熱，降低壓片的彈性系數，從而導致對梅花觸頭的觸片壓力降低，使接觸電阻進一步增大，溫升繼續增大，周而復始，惡性循環最終引發熱性故障。

在一般開關柜中比較容易發生溫升超標現象的地方就是靜觸頭與梅花觸頭的接觸部位，主要原因在于梅花觸頭與靜觸頭搭接點的接觸電阻因斷路器手車頻繁操作最容易變大。另外，觸頭接觸不良還會導致母線溫度分布梯度變大。

目前有的廠家為避免因溫升過高引起的事故發生，采用在線測溫裝置和快速弧光保護裝置，但是受靈敏度限制，某些情況下不能及時發現故障，仍然對設備造成損壞。

1 溫升及爬坡問題解決方案

1.1 原因分析

依據經驗可以得知：在開關柜中的母線連接處、斷路器進出線端、觸頭等處是溫升易超標的地方。由于這些部位在結構、材料、散熱環境等方面存在差異性，導致在相同熱效應下產生的溫升效果存在差異。由電器學理論可知，開關柜在其運行時產生電阻損耗、鐵磁損耗和介質損耗，同時這些損耗也是開關柜的熱量來源。

對于中壓開關柜在計算發熱量時，鐵磁損耗和介質損耗可以忽略不計，其主要的熱量來源是電阻產生的損耗。根據能量平衡與交換原理，開關柜產生的熱量主要通過熱對流和熱傳導的散熱方式傳遞出去。

通過以上分析可知，大電流開關柜體溫升薄弱點在觸臂與固封極柱連接處及觸頭盒內部。原因有以下兩點：

1）柜體設計載流余量不足，回路電阻較大。4000A斷路器配置82個觸頭片，理論載流量為4400A，溫升試驗電流為4400A；3150A斷路器配置64個觸頭片，理論載流量為3500A，溫升試驗電流為3465A。

2）關鍵部位散熱不通暢。從熱源分析，真空斷路器的發熱量應遠大于進線母排的發熱量；從散熱條件分析，斷路器觸頭基本處于封閉型的觸頭盒內腔中，與空氣接觸面少，沒有通風通道，散熱的空間較小，熱量不易隨空氣的自然對流和熱交換散失，散熱條件差，熱量容易集聚。

由于梅花觸頭接觸點少，接觸壓力大，在斷路器與靜觸頭嚙合或分離過程中發生手車爬坡和退坡現象（額定電流≥3150A時，現象比較明顯），主要是由于在嚙合和退出瞬間，因受到斷路器梅花觸頭與靜觸頭之間嚙合力的力矩及反向推力作用造成。

圖1 改進后柜體總裝圖

圖2 一體化靜觸頭

圖3 敞開式觸頭盒

1.2 技術方案

開關柜體的溫升主要取決于其回路本身的發熱和對外的散熱，溫升越小，開關柜的額定電流等級就能越大。增大柜體通流能力，最行之有效的方式是減小通流系統的發熱和增大通流系統對外界的散熱。

1）解決觸頭盒內部散熱問題。采用散熱型觸頭盒，配置一體化靜觸頭，使觸頭盒內外形成通風通道且關鍵發熱部位暴露在空氣中。

其技術原理是改善觸頭盒內部導體的散熱環境，提升觸頭盒內部空氣對流能力，增大母排與空氣接觸面及散熱空間，達到增大散熱能力的目的。

2）提高動靜觸頭嚙合處載流余量，以及減小電阻值。采用彈簧觸指技術，載流量提高到5600A。

選用彈簧觸指的原因主要基于其如下優點：①彈簧觸指結構比較簡單；②接觸點多，導電性能好，動熱穩定性高；③每個接觸點的接觸壓力相比于梅花觸頭來說較小，鍍銀層在操作過程中耐磨性能好；④在手車進出柜體的過程中，接觸點的壓力值比較恒定，對動靜觸頭的加工精度要求不高，具有較強的加工誤差適應性。

3）底盤車絲杠螺距減小，降低搖進搖出速度。絲杠螺紋圈數由22圈改為31圈，提高斷路器與柜體的配合精度和導軌強度，減少導軌變形量，提高手車進出平穩性，改善手車進出柜體時出現的爬坡和退坡現象。

1.3 方案實施過程

基于上述原因分析和技術方案的確立，從熱源和散熱方式兩個角度考慮，通過減少回路電阻和優化觸頭盒散熱通道來達到降低溫升的目的。

圖4 配新型觸頭的斷路器

如圖5所示，改善后的斷路器手車包括靜觸頭、新型觸頭、觸臂、散熱架、操作機構、固封極柱、活門推板、底盤手車，固封極柱的下端通過活門推板安裝在底盤手車上，觸臂安裝在固封極柱上，且遠離操作面一側。

觸臂端部安裝有新型觸頭，新型觸頭與觸臂之間通過彈簧觸指連接，增加觸頭載流量，且觸臂與觸頭之間還裝有均勻分布的定位螺釘，靜觸頭與新型觸頭對應設置，也是通過彈簧觸指連接，觸臂分為上下兩排分別與固封極柱上下導電端子連接。

其中新型觸頭與觸臂之間的連接如圖6所示，在新型觸頭上安裝3個均勻分布的定位螺釘，定位螺釘沿著觸臂的半圓型溝槽做圓周運動以及在一定角度范圍內的上下左右擺動；彈簧觸指安裝在新型觸頭的溝槽內，觸臂上安裝有2個限位螺釘，限制新型觸頭的旋轉角度，3個半圓頭導桿和壓簧用來調節新型觸頭與觸臂之間的同心度。同時更改底盤手車的螺紋絲杠的螺距及斷路器的導軌材質，提高柜體加工精度。

靜觸頭更改成圖2所示的一體化靜觸頭，減少導體搭接面，減少回路電阻值，且靜觸頭設計成W型結構，增加散熱面，改善溫升條件。同時動靜觸頭外部的觸頭盒做成圖3所示的敞開式觸頭盒，這樣就可以使觸頭結合處的熱源產生的熱量較好地通過散熱通道擴散出去。

另外，靜觸頭與新型觸頭隨著手車慢慢插入配合時，靜觸頭只需要克服彈簧觸指的彈力，彈簧觸指作為目前常用的導電連接件，安裝后能使每一相的電阻值減少6◆◆左右，理論載流量達到5600A，且觸頭嚙合力也僅為梅花觸頭結構的1/2；所以，手車斷路器在合/分閘過程中不僅能夠有效地改善“爬坡”現象，而且也起到了降低溫升量的效果。

圖5 改善后手車斷路器結構示意圖

圖6 改善后觸頭裝置結構示意圖

2 試驗驗證

2.1 配合開關柜進出車力矩測試試驗

測試項目：分別使用裝配有梅花觸頭和彈簧觸指結構的手車斷路器進出開關柜，進柜力矩的大小用扭矩扳手測量；配彈簧觸指結構的手車斷路器更換底盤車后再次測試進柜力矩。

試驗結果如圖7所示。斷路器手車進柜時，動觸頭采用彈簧觸指比采用梅花觸頭的斷路器力矩明顯減小，爬坡現象也不明顯；手車退出時都有回落現象，但采用彈簧觸指結構的手車斷路器回落現象明顯較輕。更換小絲杠后進退力矩進一步減小，回落現象無明顯改善。

圖7 梅花觸頭和彈簧觸指的進/出車力矩

2.2 配合開關柜溫升測試試驗

當電流流過開關柜各零部件接觸位置時，由于其接觸電阻的存在導致觸頭溫度升高，如果觸頭溫升過高，加快觸頭接觸面損壞程度，導致接觸電阻進一步增加，觸頭長期的溫升過高最終會降低絕緣層的絕緣水平，縮短開關設備壽命，所以回路電阻的大小也是考核斷路器溫升性能好壞的一個指標。

分別對兩種配套彈簧觸指和梅花觸頭的斷路器進行回路電阻測試及溫升試驗，驗證設計方案的可行性。裝配彈簧觸指和梅花觸頭的斷路器回路電阻值見表1。

表1 回路電阻值

動觸頭更換成彈簧觸指結構后，回路電阻有所降低，單只觸指簧約減少1.5◆◆電阻，單相（含靜觸頭接觸點、觸臂接觸點）約減少6◆◆左右，整個回路電阻減少約18%。

對KYN28A-12/4000A規格分別進行了7組試驗：

• 1）梅花觸頭+封閉式觸頭盒。
• 2）觸指簧+封閉式觸頭盒。
• 3）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭。
• 4）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風機。
• 5）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風機、電纜室風機。
• 6）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風機，取消電纜室風機，減小斷路器室風機功率。
• 7）觸指簧+敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭，取消母線室風機，減小電纜室風機功率，減小斷路器室風機功率。

試驗數據見表2。

表2 試驗數據對比（單位：K）

1）觸指簧與梅花觸頭對比

• 試驗項目：在使用封閉觸頭盒及普通靜觸頭時，對比彈簧觸指與梅花觸頭的溫升。
• 對比結果：相同條件下，使用彈簧觸指，柜內大部分位置溫升相較使用梅花觸頭低，在允許范圍內。

2）封閉式觸頭盒與敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭對比

• 試驗項目：彈簧觸指技術，相同風機配置，對比封閉式觸頭盒與敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭溫升。
• 對比結果：在相同條件下（斷路器觸指簧技術）使用敞開式觸頭盒+一體化靜觸頭技術后，柜內觸頭及彈簧觸指處溫升下降11.6～26K，效果非常明顯。

3）母線室風機對開關柜溫升影響

• 試驗項目：斷路器室風機型號為GFMT730；電纜室風機型號為GFDD780；母線室風機型號為2*SF2072。對比母線室風機對溫升的影響。
• 對比結果：無母線室風機時，上觸頭及彈簧觸指位置溫升比開風機時高約5K，下觸頭及彈簧觸指位置溫升基本無變化。

4）是否配置電纜室風機對溫升的影響

• 試驗項目：電纜室風機配置型號GFMT730，電纜室風機配置型號GFDD780，母線室不配置風機，測試有無電纜室風機對開關柜溫升的影響。
• 對比結果：取消電纜室風機后，上三相觸頭及彈簧觸指溫升基本無變化，下三相彈簧觸指溫升下降約3～4K，一體化靜觸頭B相略微上升，其他基本不變。

5）減小斷路器室風機功率對溫升的影響

• 試驗項目：母線室無風機，電纜室無風機。對比斷路器室風機GFMT730（300W）與GFMT650（120W）對開關柜溫升的影響。
• 對比結果：斷路器室風機由300W更換為120W小功率風機后，溫升上升10～20K，溫度升高非常明顯。

6）斷路器室小功率風機+電纜室小功率風機

• 試驗項目：減小斷路器室及電纜室風機功率。斷路器室配置GFMT650風機（120W），電纜室配置760風機（60W）。
• 對比結果：減小斷路器室風機功率，電纜室配置風機溫升比單獨減小斷路器室風機功率高。

3 結論

通過樣機試制，進行大量的試驗，根據最后的試驗數據及分析，得出如下結論：

• 1）手車斷路器動觸頭更換成彈簧觸指結構后能有效減小與靜觸頭的配合力值，進車力矩減小約50%，爬坡現象基本消失，達到了預期目標。
• 2）彈簧觸指技術對改善開關柜溫升有幫助，由于接觸電阻減小會減少開關柜溫升。
• 3）敞開式觸頭盒對解決大電流開關柜溫升問題有非常大的作用。
• 4）電纜室風機不應配置。
• 5）可酌情取消母線室風機。
• 6）可將斷路器室風機功率降至200W左右。