梅花壓力觸頭對高壓開關柜控制原理

李愛鋒

（保定和易法電氣科技有限公司 河北省保定市 071051）

1 項目背景及目標

高壓開關柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要設備，長期在高電壓、大電流下運行，且多為封閉式結構，結果容易造成設備損壞和用戶停電的重大事故。保證高壓開關柜的觸頭穩(wěn)定是重中之重。本項目主要目標即研制開發(fā)一種具有發(fā)明專利技術的產品——高壓開關柜觸頭壓力測量儀，同時研制一種高效的高壓開關柜觸頭拆卸工具以及編制一套高壓開關柜觸頭壓力檢測標準。高壓開關柜觸頭壓力測量儀將用于開關柜梅花觸頭接觸壓力的測量。該儀器具有測量直觀，科學準確，操作簡便快捷等優(yōu)點。用以解決實際生產中只能對單個緊固彈簧進行力學檢測，而不能對裝配后的觸頭進行檢測的難點。針對運行中的彈簧也可以開展檢測，該方法及設備簡單易用，解決了變電檢修中高壓開關柜觸頭質量監(jiān)督檢測的難題。

2 國內研究水平綜述

國內高壓開關柜是五六十年代由國外引進來的，前期主要仿蘇聯，近些年主要仿制歐美的開關柜，其檢測設備一直由廠家提供或仿制。對于當前國內對本項目的研究現狀，國內開關柜均沒有檢測開關柜一次觸頭夾緊力。國內企業(yè)在最近兩年才開始開關柜頭壓力測試儀的研發(fā)，但是大部分基于液壓或機械式原理，操作復雜，現場測量實用性較差。

3 項目成果對電網現狀和技術發(fā)展的作用

（1）高壓開關柜觸頭壓力測試儀的研制成功，將會為高壓開關柜現場觸頭壓力檢測提供有效的技術手段，使定期現場觸頭壓力檢測成為保障供電可靠性的一個重要手段。

（2）本項目高壓開關柜梅花觸頭拆裝工具的成功研發(fā)，可以方便快捷地拆卸及安裝梅花觸頭，使單個觸頭拆換時間大大縮短，提高拆裝梅花觸頭的工作效率，且不損傷觸指、彈簧及導電槽，大大減少停電檢修時間，有效提高供電可靠性。

（3）統一高壓開關柜觸頭檢測標準，使制造、采購、檢測標準一致。借此生產廠家、采購單位、使用單位將會有統一的、完整的檢測體系。

（4）測量高壓開關柜觸頭壓力可作為電力部門選擇梅花觸頭和高壓開關柜供應商的一個重要指標。

4 項目原理

高壓開關柜觸頭壓力測試儀主要由壓力傳感頭、輸出放大電路、液晶顯示模塊、打印機模塊等幾部分組成（其系統結構示意圖如圖1 所示）。壓力測量儀的關鍵部件是壓力傳感頭，它由橋架、基座和超小型壓力應變片等組成。

圖1：高壓開關柜觸頭壓力測試儀結構示意圖

圖2：壓力傳感器探頭結構圖

圖3

選擇與觸臂外徑相同的傳感頭，把壓力傳感頭插到被測的梅花觸頭中。在觸頭壓力的作用下，其觸頭壓力應變片就產生電信號。電信號經輸出放大電路放大，濾波電路濾波后，由采樣電路進行采樣，然后經過A/D 轉換后送給中央處理單元。中央處理單元進行分析計算后，在液晶顯示模塊上立即顯示出壓力讀數，同時根據配置參數決定是否存儲當前測量數據，達到了即插即顯示的效果。

壓力傳感器探頭（如圖2）采用一個基于壓阻式的壓力傳感器的基礎裝置，在受到外部壓力作用下，由電阻應變片組成的文氏電橋壓力傳感電路產生電信號。壓力傳感器內部帶有調節(jié)、輸出放大信號電路，對輸入的壓力產生一個正比例的電流、電壓標準輸出信號，傳遞給中央處理器單元。

5 項目研究內容的實踐依據

觸頭發(fā)熱與負載電流、觸頭接觸電阻、接觸壓力關系：

5.1 接觸電阻的產生分析

（1）收縮電阻：接觸處的表面總是凹凸不平的，如圖3 所示，只有若干小的突起部分相接觸。當電流通過實際接觸面積時，電流只從接觸點上通過，在這些接觸點附近，迫使電流線發(fā)生收縮。由于有效接觸面積小于視在接觸面積，由此產生的附加電阻稱為收縮電阻。

（2）表面膜電阻：表面膜電阻是由金屬的氧化物、落在觸頭的接觸表面上的灰塵、污物、夾在接觸面間的油膜、水膜等形成的一層導電性很差的薄膜，由此而形成的附加電阻，薄膜的厚度越大，電阻也會越大。

由于膜電阻難于計算，故接觸電阻可用經驗公式計算，即：

其中，

Rc：觸頭接觸電阻（Ω）；

F：接觸壓力（N）；

m：與接觸形式有關的系數，對點、線、面接觸，分別取0.5、0.7、1（也有線接觸取0.75，高壓力時的面接觸取0.8 ～0.95），詳見《低壓電器設計手冊》。

Kc：與接觸材料、表面情況、接觸形式等有關的系數，通常由實驗得出，由《低壓電器設計手冊》查處結果見表1。

由于觸頭表面的氧化對K 值的影響很大，所以接觸電阻的計算實際上是一個很復雜的問題。常采用測量接觸壓降的方法來對隔離開關實際檢測中的接觸電阻值進行實測。在一定電流通過時，觸頭電接觸處的電壓降為接觸壓降，即：

式中：

Uj——接觸電壓降（V）；

I——通過觸頭電接觸處的電流（A）；

Rj——接觸電阻（Ω）。

5.2 接觸電阻影響因素的設計考慮

接觸壓力、觸頭材料以及溫度等是設計中需要考慮的接觸電阻影響因素。

（1）接觸壓力：一定的壓力范圍內接觸電阻值是隨外施壓力F 的增大而減小的。壓力增大，變形增加，有效接觸面也增加收縮電阻減小。由于材料的彈性變形有一定限度，當壓力達到一定值后，收縮電阻幾乎不變但不可能完全消除。壓力增大到一定程度后，膜電阻穩(wěn)定在一個較小的數值，這個壓力值就是觸頭終壓力。

（2）觸頭材料：觸頭材料的性質直接影響接觸電阻的大小。這些材料的性質包括電阻系數、材料的機械強度和硬度、材料的化學性能等。

材料的抗壓強度越小，在同樣接觸壓力下得到的實際接觸面積就越大，接觸電阻就越小。由于觸頭本身需要一定的機械強度，因此常在接觸連接處，用較軟的金屬覆蓋在硬金屬上，以獲得較好的性能，例如銅觸頭搪錫等。

（3）觸頭溫度：與觸頭本身的金屬電阻一樣，它的接觸電阻也會受溫度的影響，在觸頭溫度升高的同時接觸電阻也會增加。

由試驗得知，理想狀態(tài)下，接觸電阻與溫度之間的關系式為：

式中：

Rj0——觸頭在0時的接觸電阻（Ω）；

α0——觸頭材料的電阻溫度系數（1/ ）；

θ——觸頭的溫度（ ）。

材料硬度會在接觸處的溫度升高后有所降低，因而有效接觸面積增大。以致在溫度增加時，金屬材料電阻的增加會超過接觸電阻的增加，這種差別就用它們電阻系數的不同來表示。

表1

6 項目研究難點及解決方案

6.1 測試儀壓力觸頭的研發(fā)

測試儀觸頭要求能夠適用于多種型號的梅花觸頭，且要求高精度、高耐磨，使用方便、維護簡單等特點。

擬解決方法：針對梅花觸頭的多規(guī)格，壓力觸頭做成系列觸頭，其規(guī)格和梅花觸頭一致，測試時采用更換觸頭的方法滿足不同規(guī)格梅花觸頭的需求。壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器原理，滿足高精度的要求。

6.2 高壓開關柜觸頭壓力標準

制定不同型號規(guī)格觸頭的壓力檢測標準是本項目研發(fā)的難點之一。

擬解決辦法：通過數學建模和理論仿真，推導出不同型號規(guī)格觸頭的壓力值，然后再通過高壓開關柜觸頭壓力測試儀進行大量現場測試，通過大數據分析技術，生成不同型號規(guī)格的觸頭壓力值表。

6.3 梅花觸頭模擬測試試驗

本項目的難點是如何通過模擬測試能夠正確得到不同型號梅花觸頭的失效壓力門檻值。

擬解決辦法：

測試設備：購買具有代表意義的高壓手車，回路電阻測試儀一臺（具有資質機構的檢驗報告），壓力測試儀一臺以及全系列的梅花觸頭作為測試材料。

測試方法：將要測試的梅花觸頭安裝在手車上，通過回路電阻測試儀給主回路注入額定電流，然后逐漸調整觸頭彈簧壓力，直到回路電阻超過標準值，測試當前壓力并記錄。按此方法逐個測試各型號的梅花觸頭，并記錄。

7 結束語

總而言之，隨著國民經濟的迅速發(fā)展，信息化、現代化的社會發(fā)展對電力系統供電可靠性的要求越來越高。高壓開關柜作為電能分配調度重要的執(zhí)行電氣設備，增加檢測其開關觸頭的穩(wěn)定性，保證電力設備的安全運行，進而保障電力系統安全，具有重要意義。