梅花觸指壓力測試儀的研制

呂晨生，孫堂彬，李洪濤，王利萍，王斌，曲芳

（1.新鄉(xiāng)供電公司；2.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

高壓開關(guān)柜被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng),作為接受和分配電能之用，其安全、可靠運行對電力系統(tǒng)具有十分重要的意義。梅花觸頭作為高壓開關(guān)柜手車斷路器與柜體的連接，具有接觸點多、導(dǎo)電性好、接觸電阻小等特點。手車斷路器在長期運行過程中,因梅花觸頭的彈簧老化、氧化等因素造成的觸指壓力降低,導(dǎo)致主回路的接觸電阻增大,從而引發(fā)觸頭發(fā)熱,發(fā)熱引起的接觸面氧化會進一步增大接觸電阻,由此形成的惡性循環(huán)在嚴重時會發(fā)生觸頭熔焊,引發(fā)事故。隨著柜內(nèi)小車斷路器觸頭發(fā)熱而導(dǎo)致的故障、事故增多的問題,研制一種簡單、方便操作的觸指咬合力檢測裝置實為必要。

1 壓力測試儀的原理

1.1 壓力測試對象

KYN系列開關(guān)柜是變電站裝載數(shù)量最多的高壓開關(guān)柜，可配置VD4、VS1型多種斷路器，斷路器的動觸頭采用梅花觸頭的結(jié)構(gòu)，梅花觸頭的直徑和斷路器的額定電流有關(guān)，對應(yīng)關(guān)系如表1所示，由于VD4、VS1型手車斷路器的觸指結(jié)構(gòu)相同，區(qū)別僅在于對應(yīng)觸指開口的直徑不同。根據(jù)這一特點，為此研制開發(fā)了直徑可調(diào)式梅花觸指壓力測試儀。

表1 對應(yīng)關(guān)系表

1.2 測試原理

梅花觸指壓力測試儀分為模擬靜觸頭、數(shù)據(jù)處理和顯示的兩大模塊組成，觸頭模型根據(jù)測試觸指類型要求，設(shè)計成直徑可調(diào)節(jié)的形式。數(shù)據(jù)處理和顯示模塊嵌在壓力測試儀手柄內(nèi)，對觸頭模型采集的數(shù)據(jù)加以處理并顯示。

測試儀的測試原理如圖1所示。1為手車斷路器梅花觸指，2為測試儀模擬觸頭模具，模具內(nèi)置了接觸式壓力傳感器。壓力測試時，將模擬觸頭2插入到梅花觸指1中，梅花觸指1的壓力值將由傳感器采集并通過AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過控制器完成壓力折算，通過數(shù)據(jù)顯示模塊將壓力值進行顯示。

圖1 測試儀的測試原理

2 壓力測試儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

利用solidworks平臺構(gòu)建壓力測試儀3D模型，如圖2所示。

圖2 壓力測試儀3D模型

壓力測試儀的模擬靜觸頭采用傘型瓣狀結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部錐狀支撐件5控制傘結(jié)構(gòu)2的張開角度，同時調(diào)節(jié)反方向螺栓7控制瓣狀靜觸頭1保持圓柱形。調(diào)節(jié)螺栓3、7與錐狀支撐件5，采用凸圓球和球型凹槽連接，靜觸頭1與傘狀結(jié)構(gòu)2采用活動連接，靜觸頭1與傘狀連接件6同樣采用活動連接，測試梅花觸指壓力時將前端瓣狀靜觸頭1的直徑調(diào)節(jié)至斷路器靜觸頭的直徑大小，插入梅花觸指中，壓力傳感器將檢測到的壓力傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理和顯示模塊中。

壓力傳感器采用壓阻效應(yīng)型柔性薄膜式傳感器嵌入靜觸頭中，如圖 所示，傳感器3黏貼在模擬靜觸頭l的凹槽中，凹槽采用活動凸臺2填充，在進行壓力測試時，凸臺將受到的壓力傳遞到柔性薄膜式壓力傳感器3上，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊提取壓力數(shù)值。

圖3 壓力傳感器模塊示意圖

此壓力測試儀主要有以下幾個技術(shù)特點和優(yōu)勢：

（1）壓力測試儀采用柔性薄膜式壓阻效應(yīng)型傳感器，傳感器的電阻變化與被測壓力具有高度的線性關(guān)系，測量精度高。該傳感器屬于薄片式感測元件，且具有可撓性，對靜觸頭的機械設(shè)計提供了方便，此外柔性薄膜式傳感器具有功耗低和驅(qū)動電壓低的特點，方便壓力測試儀的小型化設(shè)計。

（2）壓力測量部分設(shè)計成與實際靜觸頭形狀相同的圓柱形，并且能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)節(jié)直徑的功能，以滿足不同規(guī)格梅花觸頭的壓力測試。將測試儀壓力測量部分設(shè)計為圓柱形結(jié)構(gòu)，可以有效還原斷路器靜觸頭與梅花觸頭接觸的效果，避免因模擬觸指與觸頭的接觸面積而對觸指壓力測量造成影響。

（3）在斷路器的實際工作中，梅花觸指與靜觸頭的接觸壓力為正向壓力，若壓力測試時需經(jīng)過拐臂或其它方向測量，必然存在一定的非線性誤差，此外壓力傳遞材質(zhì)的形變和結(jié)構(gòu)也會造成測量的誤差。該測試儀的壓力傳遞部分采用剛性材料，且各元件緊密配合、無預(yù)壓間隙，壓力傳遞過程中，各元件均無變形且正向傳遞壓力，最大程度解決了測量誤差的問題。

2.2 電路結(jié)構(gòu)

該壓力測試儀采用C8051單片機提供數(shù)據(jù)處理和運算功能，數(shù)據(jù)輸出部分采用HSL2864圖形點陣液晶顯示器，傳感器信號經(jīng)過運算放大器放大后，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，并通過C8051單片機將數(shù)字值轉(zhuǎn)換成為能在液晶顯示器上顯示的數(shù)據(jù)，進行顯示。

3 結(jié)語

針對高壓開關(guān)柜手車斷路器檢修的需要，采用梅花觸指壓力測試儀進行研究設(shè)計。提出了一種梅花觸指壓力測試儀的研制方案，該測試儀采用模擬靜觸頭直徑的可調(diào)節(jié)式結(jié)構(gòu)，能夠滿足不同規(guī)格梅花觸頭的壓力測試，完善了梅花觸指的壓力測試項目，填補了現(xiàn)有斷路器狀態(tài)監(jiān)測方法的不完整性。

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[2] 陳磊，張志超，崔猛.電子式觸指壓力測試儀的研制[J].河北電力技術(shù)，2013(4)：6—8.

[3] 付克勤，陳亞東,萬書亭.高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀研究與設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2016（10）：187-190.