彈簧觸指在手車斷路器中的應(yīng)用

王軍委，楊孟超，楊鋅軍，李松夏

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

梅花觸頭是多觸點(diǎn)、小壓力的電氣連接裝置，其通流能力與觸點(diǎn)壓力有密切關(guān)系[1]。通常情況下，梅花觸頭常用圓柱形螺旋拉簧頭尾相接繞成圓形，套在觸片外側(cè)。這種彈簧體積較大，不利于開(kāi)關(guān)設(shè)備的小型化[2]。因此，研制一種具有結(jié)構(gòu)緊湊、接觸可靠、通流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]的觸頭裝置，是高壓電器小型化[5]趨勢(shì)的需求。

目前，KYN28A-12和KYN61-40.5開(kāi)關(guān)柜的斷路器都是采用梅花觸頭的形式，主要包括簇?fù)碓谝黄鸬亩鄠€(gè)觸片以及套設(shè)在觸片外側(cè)的彈簧。由于觸片與觸頭接觸時(shí)嚙合力較大，2 500 A及以上規(guī)格斷路器爬坡問(wèn)題嚴(yán)重，嚴(yán)重影響客戶操作感受。相對(duì)于梅花觸頭的此類問(wèn)題，由鉻鋯銅絲繞制的彈簧觸指有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[6-7]：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，成本低；②接觸點(diǎn)多，導(dǎo)電性能好、電動(dòng)及熱穩(wěn)定性高；③每個(gè)接觸點(diǎn)的接觸壓力不高，動(dòng)靜觸頭嚙合力小，使用壽命長(zhǎng)；④壓縮變形量大，對(duì)機(jī)械加工精度要求不高?；趶椈捎|指的優(yōu)點(diǎn)來(lái)改變手車斷路器的觸頭結(jié)構(gòu)，采用彈簧觸指技術(shù)來(lái)改善爬坡現(xiàn)象。

1 手車斷路器爬坡原因及解決措施

1.1 原因分析

在工程應(yīng)用中，斷路器與靜觸頭嚙合或分離過(guò)程中發(fā)生手車爬坡和退坡現(xiàn)象（額定電流≥2 500 A時(shí)現(xiàn)象比較明顯），如圖1所示，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和反向推力作用造成的。

圖1 進(jìn)車全過(guò)程動(dòng)靜觸頭受力示意圖

嚙合力的大小對(duì)手車斷路器爬坡問(wèn)題的影響如圖2所示。由于觸片上裝箍緊彈簧的溝槽與觸片和觸頭接觸線的中心不一致，造成箍緊彈簧與動(dòng)/靜觸頭表面的相對(duì)距離δ隨著觸片的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。箍緊彈簧對(duì)每個(gè)觸片的壓緊力Fj由式（1）決定[8]：

其中，K為箍緊彈簧的剛度；A為與箍緊彈簧的自由長(zhǎng)度和溝槽中心圓直徑有關(guān)的參數(shù)；n為觸片的總數(shù)。

電接觸部位的接觸表面電阻Ej，由式（2）決定：

其中，Kc為與材料和接觸表面狀況有關(guān)的系數(shù)；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，點(diǎn)接觸為0.5，線接觸為0.7，面接觸為1。

從式（1）和式（2）可以得出：當(dāng)接觸形式一定時(shí)，增加接觸點(diǎn)的壓力Fj可以減小接觸電阻。但是，觸點(diǎn)壓力大，手車斷路器在推進(jìn)過(guò)程中不僅會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦阻力使機(jī)構(gòu)出現(xiàn)爬坡現(xiàn)象，還會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)靜觸頭表面刮擦出劃痕，影響觸片表面的導(dǎo)電性能。

圖2 梅花觸頭受力示意圖

1.2 解決措施

（1）更改動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)，在滿足載流量要求的情況下減小嚙合力值，即動(dòng)觸頭由梅花觸頭改為彈簧觸指；

（2）減小底盤(pán)車絲杠螺距，降低搖進(jìn)搖出速度，即將絲杠螺紋圈數(shù)由22圈改為31圈；

（3）提高斷路器與柜體的配合精度，即斷路器導(dǎo)軌采用不銹鋼導(dǎo)軌，提高導(dǎo)軌強(qiáng)度，減少導(dǎo)軌變形量。

1.3 方案實(shí)施過(guò)程

基于上述因素的分析，對(duì)手車斷路器的觸頭裝置結(jié)合觸指簧的性能進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足工程實(shí)際需要。如圖3和圖4所示，包括靜觸頭（1）、新型觸頭（2）、觸臂（3）、散熱架（4）、操作機(jī)構(gòu)（5）、固封極柱（6）、活門(mén)推板（7）、底盤(pán)手車（8）；所述固封極柱（6）的下端通過(guò)活門(mén)推板（7）安裝在底盤(pán)手車（8）上；所述觸臂（3）安裝在固封極柱（6）上，且遠(yuǎn)離操作面一側(cè)；觸臂（3）端部安裝有新型觸頭（2），新型觸頭（2）與觸臂（3）之間通過(guò)彈簧觸指連接，且觸臂與觸頭之間還裝有均勻分布的定位銷；靜觸頭（1）與新型觸頭（2）對(duì)應(yīng)設(shè)置，也通過(guò)彈簧觸指連接；觸臂分為上下兩排分別與固封極柱上下導(dǎo)電端子連接，其中新型觸頭（2）與觸臂（3）之間的連接如圖4所示。在新型觸頭（2）上安裝3個(gè)均勻分布的定位螺釘（9），定位螺釘沿著觸臂（3）的半圓型溝槽做圓周運(yùn)動(dòng)以及在一定角度范圍內(nèi)的上下左右擺動(dòng)；彈簧觸指（13）安裝在新型觸頭（2）的溝槽內(nèi)，觸臂（3）上安裝有2個(gè)限位螺釘（10），限制新型觸頭（2）的旋轉(zhuǎn)角度，3個(gè)半圓頭導(dǎo)桿（11）和壓簧（12）用來(lái)調(diào)節(jié)新型觸頭（2）與觸臂（3）之間的同心度；同時(shí)，更改底盤(pán)手車（8）的螺紋絲杠的螺距及斷路器的導(dǎo)軌材質(zhì)，提高柜體加工精度。

靜觸頭（1）與本文著重介紹的新型觸頭（2）插接配合時(shí)，靜觸頭（1）只需要克服彈簧觸指（13）的彈力進(jìn)入到插接腔中。彈簧觸指（13）為現(xiàn)有技術(shù)中常用的導(dǎo)電連接件，其嚙合力較小，約為梅花觸頭嚙合力的1/2。手車斷路器（5）在合閘時(shí)會(huì)受到更小的阻力，能夠有效改善“爬坡”現(xiàn)象。

圖3 改善后手車斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 改善后觸頭裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 動(dòng)靜觸頭配合力量測(cè)試

單只梅花觸頭和裝有彈簧觸指的觸頭分別與靜觸頭配合，測(cè)量手車在推進(jìn)過(guò)程中所受的峰值力和滑動(dòng)摩擦力。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，使用彈簧觸指后配合的峰值力有明顯減小，滑動(dòng)摩擦力也有所減小。

2.2 配合開(kāi)關(guān)柜進(jìn)出車力矩測(cè)試試驗(yàn)

手車斷路器動(dòng)觸頭分別采用梅花觸頭和彈簧觸指結(jié)構(gòu)進(jìn)行配合開(kāi)關(guān)柜進(jìn)出車試驗(yàn)，使用扭矩扳手測(cè)量進(jìn)柜力矩；配彈簧觸指結(jié)構(gòu)的手車斷路器更換底盤(pán)車后，再次測(cè)試進(jìn)柜力矩。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。進(jìn)柜時(shí)，裝配有彈簧觸指結(jié)構(gòu)的手車斷路器進(jìn)柜力矩相比梅花觸頭結(jié)構(gòu)的斷路器明顯減少，爬坡現(xiàn)象不明顯；手車退出時(shí)均有回落現(xiàn)象，但是裝配有彈簧觸指結(jié)構(gòu)的手車斷路器回落現(xiàn)象明顯較輕。配彈簧觸指結(jié)構(gòu)的手車斷路器使用小導(dǎo)程絲杠后再試驗(yàn)，進(jìn)退手車力矩進(jìn)一步減小，但回落現(xiàn)象無(wú)明顯改善。

2.3 配合開(kāi)關(guān)柜溫升測(cè)試試驗(yàn)

GB1984《高壓交流斷路器》中明確規(guī)定，溫升試驗(yàn)是高壓交流斷路器強(qiáng)制性型式試驗(yàn)項(xiàng)目之一，目的是通過(guò)實(shí)際的模擬試驗(yàn)，長(zhǎng)期給斷路器通1.1倍額定電流，直至溫升值穩(wěn)定。分別對(duì)兩種配套彈簧觸指和梅花觸頭的斷路器進(jìn)行回路電阻測(cè)試和溫升試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

動(dòng)觸頭更換成彈簧觸指結(jié)構(gòu)后，回路電阻有所降低，單只觸指簧約減少1.5 μΩ電阻，單相（含靜觸頭接觸點(diǎn)、觸臂接觸點(diǎn)）約減少6 μΩ，整個(gè)回路電阻減少約18%。分別對(duì)裝配梅花觸頭和彈簧觸指的斷路器進(jìn)行溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

3 結(jié) 論

本研究在公司通過(guò)樣機(jī)試制進(jìn)行了大量試驗(yàn)，通過(guò)最后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：

（1）手車斷路器動(dòng)觸頭更換成彈簧觸指結(jié)構(gòu)后能有效減小與靜觸頭的配合力值，進(jìn)車力矩減小約50%，爬坡現(xiàn)象基本消失，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)；

（2）手車斷路器更換成小螺距絲杠可以進(jìn)一步減小進(jìn)車力矩，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的；試驗(yàn)顯示，螺紋絲杠與進(jìn)車力矩有明顯關(guān)聯(lián)，但與退車掉刀現(xiàn)象關(guān)系不大；

（3）相同條件下，手車斷路器采用彈簧觸指結(jié)構(gòu)，柜內(nèi)大部分位置溫升相較于梅花觸頭略低。

圖5 兩種觸頭形式配合力值對(duì)比

圖6 梅花觸頭和彈簧觸指在配柜時(shí)進(jìn)/出車力矩

圖7 梅花觸頭與彈簧觸指溫升對(duì)比