【论文分享】深圳供电局有限公司 詹威鹏等:一起GIS电缆终端触头故障原因分析与改进

摘要：在对一起GIS终端尾管SF6气体泄漏事件的处理中，发现该线路三相GIS终端触头上的表带触子均存在严重熔蚀的现象，初步推断该产品存在家族性缺陷。经对该厂家同类产品在深圳电网的排查以及与其它电缆附件厂家的产品结构进行比较分析，得出故障批次产品选用的表带触子材质存在问题，并提出了相关改进措施。

关键词：GIS终端：缺陷；表带触子；接触电阻

0 前言

2018年6月，深圳电网某变电站110kV联络电缆GIS终端故障停电检修时,发现A、B、C三相GIS终端的导体连接杆和装在其上方的三条表带触子存在严重熔蚀情况，如图1所示。

由于同一回电缆线路的三相GIS终端全部出现同样的熔蚀问题，且这些GIS终端全部为同一厂家产品，因此，初步推断该缺陷产生的原因与施工安装质量无关，而是产品存在设计或制造方面的家族性缺陷。

因发生故障的电缆终端附件厂家已倒闭，无法从源头查找缺陷原因，而大批量更换该类电缆终端又不现实，因此，明确缺陷性质，才能为后期检修决策提供技术支撑。

图1 烧蚀触头及触座

1 设备概况

发生故障的110kV联络电缆于2009年5月投产，电缆型号FY-YJLW03 64/110 1×1200mm2，回路长度约55米，一侧为GIS终端头、另一侧为户外终端。其中，户外终端与主变变中通过跳线连接，路径为从GIS电缆仓出线后进入电缆夹层，再垂直引下穿过电抗器室，最后经电缆沟引至户外终端。

该110kV联络电缆长期在小于780A的负载电流下运行。因FY-YJLW03 64/110 1×1200mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆直埋敷设时的载流量参考值约1271A，由此可知该联络电缆长期负荷比设计载流量至少有38.6%的安全裕度，也即相当于长期轻负荷运行，不存在超载过流现象。

2 缺陷原因分析

2.1故障电缆附件情况

发生故障的GIS终端结构剖切图如图2所示，触座部分结构如图3所示。 

图2剖切图

图3 触座结构

从图3可知，GIS终端触座上的表带触子是通过金属片冲压形成的具有较强弹性的凸状鳞节金属带，GIS终端触座与导体连接杆需借助三个表带触子才能实现电气连接。由于接触电阻与接触压力、接触型式、材料种类、表面情况有关，与触头大小无关[1]，因此，这一电气连接结构可靠与否，与表带触子的材质、接触面和接触压力直接相关。

当两个平面接触时，即使外加很大的接触力在接触表面也只有少数的点(小面)实际发生真正的接触，这些实际接触的小面承受全部的外加接触力。由于金属表面一般都覆盖着不导电的氧化膜或其它种类的膜，因而在实际接触小面内，只有少部分膜被压破的地方才能形成金属与金属的直接接触，电流实际上只从这些更小的金属接触点（导电斑点）通过[2]，如图4所示。因此，通过三条表带触子上的凸状鳞节与触座接触，不存在接触面不足问题，其在工程设计上是合理的。

图4 两个具有表面膜的接触元件相接触时其接触内表面的结构示意图

此外，经核实GIS终端附件安装图纸上触座与触头的尺寸配合，检查拆下来的表带触子上的凸状鳞节弹性，发现也正常，因此，接触压力不足可排除。

当电流通过接触元件的接触内表面时，电流将集中流过那些极小的导电斑点，因而在导电斑点附近，电流必然发生收缩（图5所示），由于电流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增长，有效导电面积减小，因而出现的附加电阻，称为“收缩电阻”。如果电流通过导电斑点不是纯金属接触，而是准金属接触，则电子因通过极薄的膜还会遇到另—附加电阻，称为“膜电阻”。这两部分加电阻在电路上是串联相加的，这个附加的总电阻称接触电阻[3]。因此，接触电阻一般包含三个部分： Rj=Rs1+Rb+Rs2 。其中，Rs1为一个接触元件的收缩电阻，Rs2 为另一个接触元件的收缩电阻，Rb为接触面间的膜电阻，如图5所示。

图5 导电斑点附近电流线发生收缩

从拆下来的GIS终端，可看出表带触子是铜材质，触座为铜基体、表面镀锡。表带触子与触座接触时，原子在两接触界面间相互扩散将导致金属间化合物的形成。由于金属间化合物阻值较大，导电斑点上的膜层必将使接触电阻增大。

110kV联络电缆发生故障时，已投运9年，其长时间在相对较高温度下运行以及历年检修的停送电操作，均可以产生热激活扩散，加快了电接触界面金属间化合物的形成。表1列出了室温及 55℃ (常用开关装置的最高工作温度)下锌、铟和锡与黄铜形成的金属间化合物厚度与时间的关系。这些结果表明，即使在较低温度下，在铜及黄铜表面镀锡的电连接都是不稳定的[4]。

因此，触头材质选择不当，表带触子与锡涂层接触面间的膜电阻过大，导致接触电阻增大后触头过热，是触头烧蚀的直接原因。

表1 黄铜中锌、铟、锡元素扩散层厚度

2.2类似结构主流厂家情况

经比对核实，部分国内主流电缆附件厂家，其GIS终端的触头也是采用表带触子的结构。以某国内主流附件厂家的产品为例，其GIS终端细部的结构与该附件厂家的类似，如图6、7所示，其触头加装的也是表带触子，且触头中的表带触子2条，每条触子的鳞片与故障终端表带触子的鳞片大小一致，总接触鳞片180片，而发生故障的GIS终端表带触子3条，总鳞片222片，即该主流附件厂家的产品相比故障的GIS终端表带触子少42片。

由此可见，该主流附件厂家的产品，触座与触头的实际接触面积远小于故障的GIS终端，但是，该主流附件厂家的GIS终端，据悉未发生过触头烧蚀的现象。

图6 GIS终端细部结构

图7 终端触头

2.3不同批次同类电缆附件情况

对深圳电网附件厂家剩下的其它7回110kV电缆线路29个GIS终端（均为2011年7月以后投产）进行解体检查，各终端附件的表带触子均未发现有灼伤或烧蚀的痕迹，拆下来的触座内孔、表带触子表观正常、色泽锃亮（如图8、9所示）。

图8 触座      图9 表带触子

但是，以上解体检查的GIS终端，其表带触子均是铜镀银的，与发生故障的GIS终端表带触子的材质明显不同，如图10所示。

 图10 旧表带触子      图11 新表带触子

在20℃时，银的电阻率ρ为1.65×10-8(Ω·m) ，铜电阻率ρ为 1.75×10-8(Ω·m) ，铜基体上镀银能够提高材料的导电性,使其接触电阻变小。研究表明[5]，镀银使T2紫铜试样的表面粗糙度和接触电阻分别降低了12％和11％。并且银不易氧化，即使因大气中臭氧的存在，导致银表面会氧化成Ag2O，但其易于清除，在200℃时即分解，大量用于触头材料。由此可知，带状触子表面镀银，提高了终端触头的导电性，解体检查的GIS终端其接触性能优于发生故障的GIS终端。

2.4小结

（1）故障的110kV联络电缆GIS终端,其采用铜带状触子与镀锡材质的触座直接电接触，该设计是不合理的，存在家庭性缺陷，同批次产品应该应尽快检修消缺。

（2）发生故障的110kV联络电缆GIS终端,其投产时间是2009年5月，而其它电缆终端均为2011年7月之后投产的，两者投产时间相隔约3年，可见，该附件厂家至少在2011年7月之后，其电缆附件的表带触子已全部更换为铜镀银的材质。

（3）从联络电缆的历史运行负荷纪录可知，故障厂家的GIS终端不存在负荷过载的问题。

（4）从某主流附件厂家的GIS终端触头与触座的实际接触面积比故障附件厂家的接触面积还小，这从侧面说明，故障附件厂家的GIS终端触头与触座之间不存在接触面积不足的问题。

（5）从深圳电网所有同类终端的解体排查结果可推断，更换成镀银带状触子的该附件厂家GIS终端，不存在设计缺陷，可正常运行。

3 结论

发生故障的GIS终端，其触头烧蚀的直接原因为触头材质选择不当，表带触子与触座锡涂层接触面间的膜电阻过大。该批次产品存在家族性缺陷，须尽快停电检修更换；而后期改进工艺，更换成镀银材质的表带触子的GIS终端，则不存在该类缺陷，可正常运行。

【参考文献】

[1] 陈俊寰,夏延秋,曹正锋.铜基银镀层的导电性及摩擦磨损性能[J].材料保护,2016,(9):55-56+59.

[2]许志红.电器理论基础 [M].北京:机械工业出版社,2014.

[3](加)布朗诺维克,(白俄)康厅兹,(俄罗斯)米西金,电接触理论、应用与技术[[M]. 许良军等译.北京：机械工业出版社，2010.

[4]堵永国，张为军，鲍小桓.电接触与电接触材料（三）[J].电工材料,2005,(4):38-44.

[5]范丽敏,张立祥.电接触件用T2紫铜表面功能性镀银层的制备与表征[J].电镀与环保,2020,(1):13-15.