基于新型梅花高壓開關(guān)柜觸頭測量儀的研究

崔文政

（保定和易法電氣科技有限公司，河北 保定 071051）

1 電力系統(tǒng)存在的問題

1.1 觸頭接觸不良

高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要設(shè)備，分配調(diào)度電能，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行舉足輕重。梅花觸頭是高壓開關(guān)柜的核心部件之一，具有接觸點(diǎn)多、導(dǎo)電性好和接觸電阻小等特點(diǎn)[1]。但隨著金屬封閉高壓開關(guān)柜的推廣使用，在運(yùn)行中，因金屬封閉高壓開關(guān)柜的制造、安裝的缺陷，導(dǎo)致觸頭接觸不良，并引起過熱故障，甚至出現(xiàn)事故。

1.2 觸指彈簧發(fā)熱

通常觸指彈簧發(fā)熱是由于彈簧壓力不夠，當(dāng)彈簧彈力不夠時(shí)，觸指彈簧會(huì)因?yàn)橥嘶鸲霈F(xiàn)疲軟。疲軟后的彈簧使觸指和觸頭之間的接觸壓力持續(xù)降低，導(dǎo)致兩者接觸狀態(tài)變差，勁兒出現(xiàn)發(fā)熱加重，觸指彈簧進(jìn)一步退火的情況，周而復(fù)始進(jìn)入一種惡性循環(huán)。最終發(fā)熱狀態(tài)準(zhǔn)變?yōu)檫^熱狀態(tài)，造成絕緣損壞，導(dǎo)致電弧放電造成開關(guān)柜的燒毀。

1.3 觸頭壓力差別

開關(guān)觸頭的接觸壓力是主回路導(dǎo)電性能好壞的重要判定參數(shù)，是主回路隔離觸頭在運(yùn)行時(shí)能否耐受沖擊電流、滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫升是否合格的重要影響因素。觸頭接觸壓力的變化受彈簧材料及其加工工藝、運(yùn)行環(huán)境等多方面因素的影響[2]。

2 項(xiàng)目研究內(nèi)容

2.1 開關(guān)柜觸頭壓力測試儀的研發(fā)工作

首先，對(duì)開關(guān)柜觸頭壓力測試儀進(jìn)行需求分析研究；開展開關(guān)柜觸頭壓力測試儀需求調(diào)研，考慮其適用范圍、主要功能、性能指標(biāo)和輸入輸出接口等技術(shù)需求。

其次，高壓開關(guān)柜觸頭壓力傳感器的研發(fā)工作，保證測量精度。

最后，高壓開關(guān)柜觸頭壓力測試儀主機(jī)的研發(fā)工作主要是由壓力采樣放大電路、數(shù)據(jù)采集分析模塊、等部分組成的。

2.2 高壓開關(guān)柜觸頭拆卸工具的研究開發(fā)工作

研制梅花觸頭快速拆裝工具，該工具套裝可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)規(guī)格開關(guān)柜觸頭的快速拆裝功能，滿足短期內(nèi)檢修開關(guān)柜觸頭的需求。

2.3 研究適用于不同型號(hào)規(guī)格的觸頭壓力的適用標(biāo)準(zhǔn)

通過設(shè)計(jì)多種運(yùn)行工況下的模擬試驗(yàn)，確定不同型號(hào)規(guī)格觸頭的正常壓力標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)日常開關(guān)柜運(yùn)行維護(hù)。

2.4 研究觸頭發(fā)熱與負(fù)載電流、接觸電阻、接觸壓力的關(guān)系

觸頭發(fā)熱是因?yàn)榇嬖诮佑|電阻，接觸電阻越大觸頭發(fā)熱越嚴(yán)重。接觸電阻主要包括2 個(gè)部分：收縮電阻與表面膜電阻。收縮電阻是由于電流路徑收縮到小接觸面而產(chǎn)生的。當(dāng)以足夠大的力將兩觸頭壓緊時(shí)，收縮電阻減小。此外，觸頭表面與空氣及污穢物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生堅(jiān)硬的表面膜（氧化物等），電阻很大，導(dǎo)致發(fā)熱。只有保證觸頭有足夠大的壓力，才能使觸頭在分合過程中將表面膜擠破，保證接觸良好。

因此研究觸頭發(fā)熱與觸頭接觸電阻、接觸壓力的關(guān)系，并建立三者的數(shù)學(xué)模型和算法仿真，是理論研究首要解決的問題。

2.5 梅花觸頭模擬測試試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是通過搭建測試環(huán)境，模擬現(xiàn)場運(yùn)行條件，測試出不同型號(hào)梅花觸頭的失效壓力門檻。

3 項(xiàng)目研究的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 梅花觸頭壓力傳感器的研發(fā)

研發(fā)一種觸頭壓力傳感器，與梅花觸頭的規(guī)格相對(duì)應(yīng)，測量不同規(guī)格的梅花觸頭，選用對(duì)應(yīng)尺寸規(guī)格的傳感器頭。梅花觸頭壓力傳感器的研發(fā)，是該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。

接觸壓力對(duì)接觸電阻變化的影響最大，起初，當(dāng)接觸壓力值很小時(shí)，接觸壓力細(xì)微的變化都會(huì)使接觸電阻值發(fā)生劇烈的波動(dòng)。而觸頭接觸電阻與接觸壓力變化關(guān)系類近似雙曲線變化規(guī)律，當(dāng)接觸電阻值在一定的壓力范圍內(nèi)是隨外施壓力F的增大而減小的，如圖1 所示，這是因?yàn)樵趬毫ψ饔孟?，兩表面接觸處產(chǎn)生彈性變形，壓力增大，變形增加，有效接觸面也增加，收縮電阻減小。而當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，收縮電阻幾乎不變，這是因?yàn)椴牧系膹椥宰冃问怯幸欢ㄏ薅鹊?，因此，接觸面積的增加也是有限的，因此接觸電阻不可能完全消除，探究接觸電阻與接觸電壓關(guān)系圖如圖1 所示。

圖1 接觸電阻與接觸壓力的關(guān)系

式中：F—接觸壓力，R—接觸電阻阻值。K—彈簧形變系數(shù)。

最終如果試圖增大接觸壓力，及可將氧化膜壓碎，導(dǎo)致接觸膜電阻減小，但是壓力增大到一定程度后，當(dāng)接觸膜電阻穩(wěn)定在一個(gè)較小的數(shù)值，這個(gè)壓力值就是觸頭終壓力。

3.2 數(shù)學(xué)建模技術(shù)

研究觸頭發(fā)熱與負(fù)載電流、觸頭接觸電阻、接觸壓力的關(guān)系，并建立三者的數(shù)學(xué)模型，是理論研究首要解決的問題。只有建立數(shù)學(xué)模型才能進(jìn)行軟件仿真，才能從理論上計(jì)算出不同規(guī)格梅花觸頭的壓力標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)中的兩條重要途徑，第一是在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—也就是實(shí)物實(shí)驗(yàn)（物理實(shí)驗(yàn)），第二是利用數(shù)學(xué)模型完成實(shí)驗(yàn)研究—仿真模擬。該項(xiàng)目中，受條件限制，很難在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行大量直接的實(shí)驗(yàn)，因此該項(xiàng)目中首先利用模型完成仿真計(jì)算，推導(dǎo)出理論結(jié)果，然后再針對(duì)性的進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證，驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性。

在該項(xiàng)目中，觸頭發(fā)熱與負(fù)載電流、觸頭接觸電阻、接觸壓力關(guān)系要實(shí)現(xiàn)建模與仿真分析。

3.3 壓力傳感器設(shè)計(jì)方案

該公司設(shè)計(jì)的壓力傳感器探頭選用基于壓阻式的壓力傳感器的發(fā)生裝置，傳感器在受到外界作用力的情況下，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。壓力傳感器內(nèi)部自帶帶調(diào)節(jié)、輸出和放大信號(hào)的安全電路，將輸入的壓力轉(zhuǎn)化為正比例的電流、電壓，從而輸出信號(hào)，然后電信號(hào)傳遞至中央處理器后，做出判斷。

3.4 試驗(yàn)計(jì)劃

該項(xiàng)目需要研制高壓開關(guān)柜觸頭壓力測試儀裝置樣機(jī)和梅花觸頭拆卸工具。高壓開關(guān)柜觸頭壓力測試儀裝置樣機(jī)開發(fā)過程中試驗(yàn)計(jì)劃見表1，梅花觸頭拆卸工具試驗(yàn)計(jì)劃見表2。

表1 高壓開關(guān)柜觸頭壓力測試儀裝置樣機(jī)試驗(yàn)計(jì)劃

表2 梅花觸頭拆卸工具試驗(yàn)計(jì)劃

4 結(jié)論

該項(xiàng)目的成功實(shí)施可以帶來一定的社會(huì)效益，減少由于開關(guān)柜觸頭接觸不良引發(fā)的企業(yè)供電量減少，減少用電企業(yè)的損失，增加用電企業(yè)的生產(chǎn)量，保證國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展；同時(shí)還使高壓開關(guān)柜觸頭壓力數(shù)據(jù)檢測有了新的統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了電力行業(yè)開展開關(guān)柜觸頭壓力檢測業(yè)務(wù)。此外減少了由于高壓開關(guān)柜事故引發(fā)的火災(zāi)，減少了電氣設(shè)備起火以及引發(fā)房屋、設(shè)備著火排放的有害氣體。對(duì)于保護(hù)居民健康和城市的環(huán)境，保持城市清潔、構(gòu)建宜居城市、維護(hù)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義。