斷路器手車梅花觸頭對(duì)接深度測量裝置的研發(fā)

元宏峰

(國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江　紹興312000)

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斷路器手車梅花觸頭對(duì)接深度測量裝置的研發(fā)

元宏峰

(國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江紹興312000)

手車式高壓開關(guān)柜是10kV及35kV系統(tǒng)中的主要電氣設(shè)備.隨著絕緣材料的升級(jí)換代，手車式高壓開關(guān)柜不斷向小型化發(fā)展.但在手車實(shí)際操作和檢修過程中，檢修人員無法正面觀察和測量手車與柜體觸頭的對(duì)接情況.為解決這個(gè)問題，根據(jù)斷路器手車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制了斷路器手車觸頭對(duì)接深度測量裝置.該裝置能在開關(guān)柜母線帶電情況下精確測量斷路器手車觸頭的對(duì)接深度.當(dāng)達(dá)到并超過規(guī)程要求的最低對(duì)接深度時(shí)，該裝置將發(fā)出指示信號(hào).不僅確保斷路器手車工作位置的可靠對(duì)接，并且可大大提高檢修效率和供電的可靠性.

斷路器手車，梅花觸頭，對(duì)接深度

0　引言

手車式高壓開關(guān)柜是由封閉式鋼板外殼和手車組成的高壓成套裝置.隨著絕緣材料的升級(jí)，手車式開關(guān)柜不斷向小型化發(fā)展，柜體外觀整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，且具備可靠的電能接收、分配、保護(hù)、測量及五防閉鎖等功能[1]，逐漸成為當(dāng)前10kV及35kV系統(tǒng)中電氣設(shè)備配置的主流.

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的巨大需求促進(jìn)了電力工業(yè)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量呈指數(shù)式增長.手車式開關(guān)柜已成為電氣設(shè)備中數(shù)量最多、檢修工作量最大的設(shè)備[2].

1　斷路器手車與柜體的電接觸

兩個(gè)零件通過機(jī)械連接方式相互接觸以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的功能稱為電接觸[3].斷路器手車與柜體的電接觸對(duì)設(shè)備的可靠運(yùn)行至關(guān)重要.如果接觸電阻偏大，在工作過程中就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞或因電弧而熔焊.影響接觸電阻因素有金屬材料性質(zhì)，接觸壓力，還有接觸形式.

構(gòu)成電接觸的金屬材料的性質(zhì)直接影響接觸電阻的大小.這些性質(zhì)有材料的電阻率ρ,材料的布氏硬度Hb，材料的化學(xué)性能以及金屬化合物的機(jī)械強(qiáng)度與電阻率.理想材料要電阻率ρ小,硬度Hb小，高熔點(diǎn)，不易氧化，造價(jià)低[4].

接觸形式可分為以下3種.

(1)點(diǎn)接觸.一個(gè)球面與一個(gè)球面的接觸，即兩面接觸于一點(diǎn).是只在一個(gè)點(diǎn)或很小面積上發(fā)生接觸形式.

(2)線接觸.柱面與平面相接觸，即兩面接觸于一線，是分布在狹長區(qū)域內(nèi)的若干點(diǎn)接觸.

(3)面接觸.兩平面相互接觸，接觸面是一個(gè)平面.

圖1　接觸電阻和壓力關(guān)系

斷路器手車與高壓開關(guān)柜的電接觸有專門用以完成可動(dòng)電接觸導(dǎo)體——梅花觸頭，如圖2所示.

接觸壓力對(duì)于上述三種接觸形式中，在小接觸壓力時(shí)，點(diǎn)接觸的接觸電阻最低，而在大壓力時(shí)，面接觸的接觸電阻最低；在更大壓力時(shí)，三種形式的接觸電阻值大小接近相等.所以在點(diǎn)接觸中，采用小壓力作用下，接觸電阻受壓力變化影響較大.但壓力達(dá)到一定值后，接觸電阻受壓力的變化影響甚微[5].如圖1所示.特別是強(qiáng)電流觸頭，對(duì)表面接觸電阻的影響，主要表現(xiàn)在每個(gè)觸點(diǎn)上所受的壓力.

圖2　斷路器手車梅花觸頭

梅花觸頭采用銅鍍銀材料，其電阻率ρ與硬度Hb都小;低溫下不易氧化，高溫下銀的氧化物很容易還原成金屬銀;銀的氧化物的電阻率也很低.具有較小的接觸電阻.接觸形式為點(diǎn)接觸的方式，其接觸電阻與觸點(diǎn)壓力有密切關(guān)系.它采用圓柱形螺旋彈簧首尾相連繞成圈，然后套在觸指外側(cè)，靠彈簧抱箍的變形來提供接觸壓力[6].

從上面的分析中我們可以看到，影響接觸電阻的因素很多，要準(zhǔn)確計(jì)算接觸電阻是很困難的，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式(1)進(jìn)行計(jì)算[7].

(1)

式中K—與接觸材料、接觸面積、表面加工情況相關(guān)系數(shù)，一般銀與銀接觸為60；銅與銅接觸為80～140；

F-接觸壓力；

m-取決于接觸形式的指數(shù)；對(duì)于點(diǎn)接觸m=0.5；線接觸=0.75；高壓力時(shí)的面接觸m=0.8～0.95；

在長期工作中，電流流經(jīng)電器的導(dǎo)電部分時(shí)，導(dǎo)電桿、觸頭等的溫度都要升高.斷路器手車的觸頭大多是用截面很大的紫銅鍍銀制成，導(dǎo)熱性很好，因此觸頭部分的溫度幾乎相同，稱為觸頭的本體溫度Tb

在接觸處由接觸電阻產(chǎn)生的熱損耗集中在很小范圍內(nèi).這些熱量只能通過傳導(dǎo)向觸頭本體傳熱，因此接觸點(diǎn)處的溫度Tm要比觸頭本體溫度Tb高[8].Tb與Tm之差稱為接觸點(diǎn)溫升τj可由公式(2)所示：

(2)

式中L為洛侖茲常數(shù)，可由公式(3)所示：

(3)

T為本體的絕對(duì)溫度，可由公式(4)所示：

T=Tb+273

(4)

從式中我們可以看出電接觸在長期通過額定電流時(shí)，要想溫升不超過一定數(shù)值，接觸電阻要求穩(wěn)定.當(dāng)接觸電阻增大時(shí)，接觸點(diǎn)的溫度將以接觸電阻的平方增長.當(dāng)接觸點(diǎn)處導(dǎo)電狀態(tài)的惡化破壞或在突然的短路電流作用下熱效應(yīng)劇增，接觸處的溫度就可能達(dá)到金屬材料的軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)，使觸頭局部軟化或熔化.如果熔化較厲害就會(huì)造成熔焊.熔焊嚴(yán)重時(shí)就有可能將觸頭焊在一起而無法自行分開.

因此，接觸電阻的大小直接影響觸頭溫度及工作可靠性，維護(hù)和操作良好的斷路器，接觸電阻不會(huì)變化太大.新加工的觸頭，表面氧化膜很薄，觸頭接觸電阻較小.但經(jīng)過長期工作后，觸頭表面與周圍介質(zhì)起化學(xué)作用，接觸電阻會(huì)不斷增加.為了保證觸頭工作可靠，在長期工作過程中，必須保證觸頭接觸電阻長期穩(wěn)定.為此，必須分析造成接觸電阻不穩(wěn)定的原因.

在實(shí)際使用和試驗(yàn)過程中，斷路器手車梅花觸頭需要插入柜體靜觸頭足夠深度后，由于靜觸頭徑向尺寸比梅花動(dòng)觸頭大，彈簧抱箍將變形而產(chǎn)生壓力作用.確保手車和柜體的可靠接觸[9].但是如果對(duì)接深度不足，則不會(huì)形成足夠的接觸壓力，接觸電阻將直線上升.直接威脅著設(shè)備的安全.

2　當(dāng)前斷路器手車檢修中存在的問題

由于開關(guān)柜獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，手車在實(shí)際操作和檢修過程中，檢修人員無法正面觀察和測量手車與柜體觸頭的對(duì)接情況.在傳統(tǒng)工藝中，在柜體靜觸頭上涂凡士林來觀察手車對(duì)接痕跡的方式，不僅需要大量的人力和工時(shí)，而且存在觀測誤差，如果對(duì)接痕跡不明顯還要反復(fù)操作對(duì)位試驗(yàn)，一度成為制約檢修工作效率的一大瓶緊[10].如果開關(guān)柜中母線帶電運(yùn)行，這種檢修工藝就無法實(shí)施，使觸頭對(duì)接工作成為空白.如果手車插入深度不合格，在運(yùn)行中將引起觸頭發(fā)熱且不易被發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)將燒毀整個(gè)手車柜，從而直接影響開關(guān)柜維護(hù)的整體工作效果.為解決上述問題，特研制了斷路器手車梅花觸頭對(duì)接深度測量裝置.為確保斷路器手車與柜體的對(duì)接提供可靠依據(jù).

3　裝置的原理和實(shí)現(xiàn)思路

斷路器手車梅花觸頭對(duì)接深度測量裝置包含：方形外套、方形滑塊、長度可調(diào)節(jié)撐桿、絕緣圓盤、行程開關(guān)、無線發(fā)送模塊和無線接收模塊.方形絕緣外套，固定在動(dòng)觸頭臂內(nèi)管中，外套內(nèi)壁上有長度刻度；方形滑塊，裝于方形外套中，與方形外套口持平，滑塊頭部裝有長度可調(diào)節(jié)撐桿，撐桿上裝有絕緣圓盤，圓盤與動(dòng)觸頭接觸點(diǎn)持平，如圖3所示.此裝置部件均采用不飽合聚脂樹脂絕緣材料，安裝后開關(guān)手車的導(dǎo)電部分仍能在相間及對(duì)地間保持足夠的安全距離，具有較高的可靠性.

當(dāng)手車搖入，動(dòng)觸頭接觸并爬上靜觸頭時(shí)，靜觸頭推動(dòng)圓盤及滑塊向內(nèi)運(yùn)動(dòng).當(dāng)動(dòng)靜觸頭接觸符合最小距離要求時(shí)，方形滑塊會(huì)頂開方形外套內(nèi)的行程開關(guān)，發(fā)出無線信號(hào).無線接收器接收到信號(hào)時(shí)指示燈點(diǎn)亮.動(dòng)靜觸頭繼續(xù)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)直至到位.然后將手車搖出.拆除圓盤即可看到方形外套內(nèi)側(cè)的刻度，即方形滑塊相對(duì)方形外套位移距離，也就是動(dòng)靜觸頭的深度.然后減去靜觸頭倒角的長度，即為動(dòng)靜觸頭接觸的有效深度.

1.斷路器動(dòng)觸頭；2.對(duì)接深度測量裝置；3.柜體靜觸頭圖3　裝置在斷路器手車應(yīng)用時(shí)的安裝示意圖

4　裝置的安裝及結(jié)構(gòu)

4.1方形外套

該方形外套可內(nèi)置于動(dòng)觸頭臂的內(nèi)管中，考慮制造廠家的不同，動(dòng)觸頭臂內(nèi)管孔大小有些差別.設(shè)計(jì)尺寸可略小于通用動(dòng)觸頭臂管內(nèi)切正方形大小.方形外套前后端側(cè)面都有四個(gè)方向的帶螺紋的孔洞，由內(nèi)向外擰入頂部帶有彈簧球頭的螺紋柱塞，頂住動(dòng)觸頭臂內(nèi)管內(nèi)壁.由于頂部帶有彈簧壓力，只要彈力調(diào)整適當(dāng)，即可以固定方形外套的位置，又方便拆卸，確保測量的效率.

該方形外套前端有一個(gè)帶螺紋的滑塊定位孔洞如圖4，由外向內(nèi)擰入頂部帶有彈簧球頭的螺紋柱塞，給予方形滑塊在方形外套滑動(dòng)過程中一定的阻力，保證在手車搖進(jìn)搖出的震動(dòng)中，方形滑塊不會(huì)輕易相對(duì)方形外套變位.而在動(dòng)觸頭接觸并爬上靜觸頭時(shí)，滑塊在靜觸頭推動(dòng)下又能可靠向內(nèi)運(yùn)動(dòng).該方形外套底部設(shè)有方形滑塊水平推出的穿孔，起到方形滑塊滑動(dòng)導(dǎo)向作用.

1.方形外套；　2.方形滑塊；　3.帶有彈簧球頭的螺紋柱塞；　4.帶螺紋的滑塊定位；　5.可調(diào)節(jié)撐桿；　6.絕緣圓盤；　7.行程開關(guān).圖4　裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖

方形外套一側(cè)內(nèi)壁有長度刻度尺，滑塊在外套內(nèi)運(yùn)動(dòng)的長度即為動(dòng)靜觸頭的插入深度.然后減去靜觸頭倒角的長度，即為動(dòng)靜觸頭接觸的有效深度.

4.2方形滑塊

方形滑塊裝于方形外套內(nèi)，并與方形外套口子持平，即在方形外套的零刻度上.在方形外套的前端有一個(gè)帶螺紋的滑塊定位彈簧，給予方形滑塊滑動(dòng)過程中一定的阻力，保證在手車搖進(jìn)搖出的震動(dòng)中，方形滑塊不會(huì)輕易變位.滑塊后部為臺(tái)階形，以容納行程開關(guān)和無線接收模塊，滑塊向內(nèi)滑動(dòng)時(shí)能夠頂開行程開關(guān).

方形滑塊頭部可擰入長度可調(diào)節(jié)撐桿和絕緣圓盤，通過調(diào)節(jié)撐桿長度使圓盤與動(dòng)觸頭接觸點(diǎn)持平.

4.3行程開關(guān)

方形外套后端一側(cè)面，順長外套方向有一狹長的開槽，用于固定行程開關(guān)，此開槽可以調(diào)節(jié)行程開關(guān)相對(duì)位置.計(jì)算確定手車動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)最小深度(即標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)觸頭爬上靜觸頭倒角的有效深度+開關(guān)柜靜觸頭倒角水平長度)，在裝置安裝前，將方形滑塊向絕緣方形外套推入相同的深度.調(diào)整方形外套內(nèi)的行程開關(guān)位置，使方形滑塊此時(shí)剛好能觸發(fā)行程開關(guān)動(dòng)作.然后緊固行程開關(guān).

4.4無線發(fā)送和接收模塊

當(dāng)行程開關(guān)動(dòng)作，可觸發(fā)無線發(fā)送模塊發(fā)送無線信號(hào).無線發(fā)送模塊有6路輸入端口，以備斷路器手車6個(gè)不同觸頭使用.每個(gè)測量裝置的無線發(fā)送模塊可分別選用A1-A6端口，如圖5，發(fā)送各自的無線信號(hào).無線接收模塊有對(duì)應(yīng)接收的6個(gè)輸出端口B1-B6，且互不干擾.當(dāng)接收信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的端口應(yīng)輸出高電平并使LED亮，說明動(dòng)靜觸頭已接觸到位.在無線觸發(fā)回路還串入時(shí)間繼電器，延時(shí)1分鐘后切斷無線觸發(fā)回路.

圖5　無線收發(fā)模塊

將手車推入開關(guān)柜并搖入，當(dāng)動(dòng)靜觸頭達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)最小有效接觸深度時(shí)，無線接收模塊的6個(gè)指示燈亮.繼續(xù)搖動(dòng)至到位后搖出，拆除絕緣圓盤后即可看到方形外套內(nèi)側(cè)的刻度，取方形滑塊相對(duì)方形外套位移距離，也就是動(dòng)靜觸頭的深度.然后減去靜觸頭倒角的長度，即為動(dòng)靜觸頭接觸的有效深度.

5　裝置的應(yīng)用效果

斷路器手車觸頭對(duì)接深度測量裝置的研制，可廣泛應(yīng)用于設(shè)備的安裝調(diào)試、投產(chǎn)驗(yàn)收、集中檢修等工作中.由于該裝置采用全絕緣材料，安裝后開關(guān)手車的導(dǎo)電部分仍能在相間及對(duì)地間保持足夠的安全距離，具有較高的可靠性.即使母線帶電的情況下仍能進(jìn)行測量，填補(bǔ)了檢修工作中觸頭對(duì)位的空白.而且只要裝置調(diào)整到位，在同型號(hào)同批次高壓開關(guān)柜測量中就能即插即用，批量測量和試驗(yàn).通過無線裝置能夠更直觀地顯示對(duì)接深度情況，確保了驗(yàn)收和檢查的質(zhì)量.

6　結(jié)語

綜上所述，斷路器手車觸頭對(duì)接深度測量裝置的研制顯著提高測量的正確性和工作效率.不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除變電站開關(guān)柜手車插入深度不足的缺陷，保證了開關(guān)柜的正常運(yùn)行，同時(shí)大大縮小停電范圍，保證電網(wǎng)供電的可靠性，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，為電網(wǎng)安全運(yùn)行作出了重要貢獻(xiàn).

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(責(zé)任編輯王海雷)

Research and Development of Measuring Device for Contact Depth of Plum Blossom Contact of Circuit Breaker

Yuan Hongfeng

(Shaoxing Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Corporation, State Grid, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Hand-cart high-voltage switch cabinets are a main electrical facility in 10kV and 35kV system. With the upgrading of the insulation materials, hand-cart high-pressure switch cabinets are developing to be miniaturized. But in the real operation and maintenance process of the handcarts, maintenance personnel cannot positively observe and measure the contact docking of the handcart and the cabinet. In order to solve this problem, and based on the structural characteristics of circuit breakers, the paper attempts to develop the measuring device of the contact depth of the circuit breaker. The device can accurately measure the butt joint depth of the contact of the circuit breaker in the case of the switch cabinet bus line. When it reaches and exceeds the minimum depth of the procedures required, the device will send an indication signal, thus not only ensuring the reliable connection of the working position of the circuit breaker, but also greatly improving the efficiency of the maintenance and the reliability of the power supply.

circuit breaker; plum blossom contact; butt joint depth

2016-05-25

元宏峰(1981-),男,浙江紹興人，工程師，主要從事變電檢修工作.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.08.06

TM561

A

1008-293X(2016)08-0031-04