一種調(diào)壓開(kāi)關(guān)觸頭裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李海國(guó)

(山東普益電氣有限公司,山東 濱州 256600)

0 引 言

由于傳統(tǒng)變壓器輸出電壓固定不變，存在近變壓器一端實(shí)際電壓偏高、遠(yuǎn)變壓器一端實(shí)際電壓嚴(yán)重偏低等問(wèn)題，反映在廣大偏遠(yuǎn)山區(qū)、農(nóng)村、廣闊林區(qū)等地區(qū)尤為普遍。為此國(guó)家“關(guān)于‘十三五’期間實(shí)施新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級(jí)工程的意見(jiàn)”中明確提出：在東部沿海地區(qū)基本實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)供電服務(wù)均等化的基礎(chǔ)上，廣大中西部地區(qū)特別是城鄉(xiāng)供電服務(wù)差距實(shí)現(xiàn)大幅縮小，綜合電壓合格率要達(dá)到97.9%。

為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，配合農(nóng)村電網(wǎng)改造升級(jí)工程，從2016年開(kāi)始，先后開(kāi)發(fā)了多種型號(hào)的電力智能調(diào)壓器。其中采用新型自耦變壓器、有載分接開(kāi)關(guān)、線路自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制等技術(shù)的電力智能調(diào)壓器方案，具有多擋位調(diào)節(jié)、精細(xì)調(diào)節(jié)、用戶(hù)無(wú)斷電等特點(diǎn)。由于該技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較突出，因此電力智能調(diào)壓器項(xiàng)目入選2018年度山東省技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目。

1 多擋電力智能調(diào)壓器原理簡(jiǎn)介

圖1為某型號(hào)調(diào)壓器電氣原理圖。由圖可知，該裝置主要由一個(gè)自耦變壓器、多個(gè)電氣開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電抗器和一個(gè)電子開(kāi)關(guān)組成。A為輸入端，A1為輸出端。當(dāng)輸出端A1電壓正常時(shí)，KMA3旁路開(kāi)關(guān)接通，調(diào)壓器在此狀態(tài)下不工作；當(dāng)A1電壓低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，升壓開(kāi)關(guān)KMA2接通，根據(jù)所需升壓值，通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)中的某兩個(gè)接通實(shí)現(xiàn)升壓；當(dāng)A1電壓系統(tǒng)設(shè)定高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，降壓開(kāi)關(guān)KMA1接通，根據(jù)所需降壓值，通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)中的某兩個(gè)接通實(shí)現(xiàn)降壓[1-3]。

圖1 某型號(hào)調(diào)壓器電氣原理

由于無(wú)論是升壓還是降壓，都需要事先合上升壓或者降壓開(kāi)關(guān)，這是升壓或者降壓的關(guān)鍵第一步，必須穩(wěn)定可靠、導(dǎo)流能力強(qiáng)且能適應(yīng)自動(dòng)升降壓的要求。在最初研制調(diào)壓器的時(shí)候，采用常規(guī)觸頭結(jié)構(gòu)，平面接觸，用拉伸彈簧提供觸頭壓力。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證，出現(xiàn)了一些問(wèn)題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品性能。

2 常規(guī)觸頭裝置的應(yīng)用

目前應(yīng)用于電器產(chǎn)品中的觸頭裝置，一般由動(dòng)觸頭、靜觸頭、彈簧、撥桿等零部件組成。這種觸頭裝置的接觸類(lèi)型一般為面接觸或線接觸，對(duì)接觸表面要求較高，而且也需要較大的額定觸頭壓力，接觸面加工難度大，裝配過(guò)程中也難以調(diào)整，單靠彈簧的作用力使觸頭接觸導(dǎo)電，遇到振動(dòng)、發(fā)熱也容易拉弧，對(duì)觸頭造成燒蝕損壞。在一些觸頭導(dǎo)流大且有振動(dòng)的特定場(chǎng)所中，它要求觸頭接觸面積大，有較大的接觸壓力，不能因振動(dòng)和接觸壓力等問(wèn)題而造成拉弧燒蝕[4-5]。

在研制圖1所示型號(hào)的調(diào)壓開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)用到升降壓開(kāi)合觸頭結(jié)構(gòu)，需要在升壓和降壓時(shí)轉(zhuǎn)換升降壓開(kāi)關(guān)，開(kāi)始使用常規(guī)的動(dòng)靜觸頭面接觸，采用彈簧拉桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)觸頭開(kāi)合。通過(guò)一段時(shí)間的使用，時(shí)常出現(xiàn)觸頭接觸不良、錯(cuò)位等缺陷，通過(guò)調(diào)整彈簧拉力、更換觸頭等措施，始終未能徹底解決問(wèn)題。

圖2所示的是某型號(hào)調(diào)壓開(kāi)關(guān)局部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它主要包括底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)塊、動(dòng)觸頭、靜觸頭、出線端、動(dòng)觸頭座、進(jìn)線端、掛銷(xiāo)、軸承、拉伸彈簧、彈簧固定軸和驅(qū)動(dòng)軸等零部件。

1-底盤(pán) 2-驅(qū)動(dòng)塊 3-動(dòng)觸頭 4-靜觸頭 5-出現(xiàn)端 6-動(dòng)觸頭座 7-進(jìn)線端 8-掛銷(xiāo) 9-軸承 10-拉伸彈簧 11-彈簧固定軸 12-驅(qū)動(dòng)軸

為更進(jìn)一步了解升降壓觸頭裝置結(jié)構(gòu)，圖3提供了升降壓觸頭裝置局部圖。可同時(shí)參考圖2和圖3來(lái)分析觸頭的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)和工作情況。

圖3 升降壓觸頭裝置局部

動(dòng)觸頭通過(guò)動(dòng)觸頭座安裝在底盤(pán)上，動(dòng)觸頭上下各有一個(gè)同心的凸出銷(xiāo)軸，一端通過(guò)兩個(gè)滾動(dòng)軸承與底盤(pán)活動(dòng)連接，另一端與動(dòng)觸頭座上孔滑動(dòng)配合，并作為進(jìn)線端的連接接口；動(dòng)觸頭的中間部位加工出一個(gè)槽狀結(jié)構(gòu)，并在靠近內(nèi)側(cè)部位設(shè)置一銷(xiāo)孔安裝掛銷(xiāo)，為拉伸彈簧提供空間和掛彈簧之用；動(dòng)觸頭外側(cè)加工出特殊的齒形槽，它與驅(qū)動(dòng)塊相互作用，驅(qū)動(dòng)塊的動(dòng)力來(lái)源是通過(guò)其安裝的驅(qū)動(dòng)軸來(lái)提供；拉伸彈簧的一端套在固定在底盤(pán)上的彈簧固定軸上，另一端套在安裝到動(dòng)觸頭的活動(dòng)掛銷(xiāo)上；兩個(gè)靜觸頭分別為升降壓觸頭，一端連接出線端，另一端通過(guò)兩個(gè)銷(xiāo)軸固定在底盤(pán)上。

如圖3所示，圖示狀態(tài)是動(dòng)觸頭與其中一個(gè)靜觸頭閉合的工況，可設(shè)定此時(shí)系統(tǒng)處于升壓狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)升壓(關(guān)于升壓方法，則不在所討論范圍之內(nèi))；當(dāng)系統(tǒng)需要降壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)塊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)塊旋轉(zhuǎn)到動(dòng)觸頭齒槽時(shí)，會(huì)將動(dòng)觸頭撥動(dòng)到另一側(cè)與另一個(gè)靜觸頭閉合，此時(shí)系統(tǒng)則處于降壓狀態(tài)。無(wú)論是升壓還是降壓，其額定觸頭壓力均由拉伸彈簧提供。

產(chǎn)品使用過(guò)程初期并未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)個(gè)別觸頭出現(xiàn)接觸不良、錯(cuò)位，有時(shí)出現(xiàn)短暫拉弧。由于此開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率非常低，只是在需要升降壓轉(zhuǎn)換時(shí)才切換，問(wèn)題當(dāng)時(shí)未體現(xiàn)出來(lái)，時(shí)間一長(zhǎng)問(wèn)題比較嚴(yán)重，特別是問(wèn)題出現(xiàn)在升降壓換擋的時(shí)候，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品使用性能。為此采取將靜觸頭兩個(gè)銷(xiāo)軸的配合改為間隙配合，加大拉簧拉力，改為浮動(dòng)壓緊等措施，有所好轉(zhuǎn)，但始終未從根本上解決問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)對(duì)比分析，認(rèn)為主要問(wèn)題是觸頭的額定壓力不夠，壓力不夠的危害，特別體現(xiàn)在升降壓換擋時(shí)有振動(dòng)容易出現(xiàn)拉弧。如圖3所示，彈簧的拉力為F，彈簧拉力方向與作用在動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)軸的力F1方向的夾角為α，則額定觸頭壓力F2(動(dòng)觸頭作用在靜觸頭頭上的壓力)為

F2=Fsinα

由于系統(tǒng)升降壓時(shí)需轉(zhuǎn)換觸頭，動(dòng)觸頭的齒槽在驅(qū)動(dòng)齒的作用下必須來(lái)回均能撥動(dòng)而不能干澀，故夾角α不能增大，sinα值很小，F(xiàn)2的值就很小。由于sinα值很小，僅增加彈簧的拉力F1作用有限，必須改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)形式才有可能解決問(wèn)題。

3 閉合自緊式觸頭裝置

針對(duì)調(diào)壓器升降壓開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)性缺陷所存在的不足，解決觸頭壓力小、有振動(dòng)所帶來(lái)的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種用于特定場(chǎng)所的閉合自緊式觸頭裝置，用于調(diào)壓開(kāi)關(guān)的升降壓轉(zhuǎn)換，以期解決接觸不良、拉弧等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，達(dá)到了預(yù)期目的。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、通流能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

如圖4所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的升降壓觸頭結(jié)構(gòu)主要包括底盤(pán)、升降壓座、靜觸頭座、絕緣主軸、驅(qū)動(dòng)盤(pán)、鋼絲卡簧、軸用彈性擋圈、靜觸頭、彈簧球頭柱塞、進(jìn)線銅排、驅(qū)動(dòng)撥銷(xiāo)和升降滑塊等零部件。

1-底盤(pán) 2-升降壓座 3-靜觸頭座 4-絕緣主軸 5-驅(qū)動(dòng)盤(pán) 6-鋼絲卡簧 7-軸用彈性擋圈 8-靜觸頭 9-彈簧球頭柱塞 10-進(jìn)線銅排 11-驅(qū)動(dòng)撥銷(xiāo) 12-升降滑塊

為更進(jìn)一步了解閉合自緊式觸頭裝置結(jié)構(gòu)，可同時(shí)參考圖5提供的閉合自緊式觸頭裝置結(jié)構(gòu)局部圖來(lái)分析觸頭的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)和工作情況，圖中標(biāo)號(hào)14的零件是動(dòng)觸頭，為圓柱體結(jié)構(gòu)。調(diào)壓器輸入總電流分為75 A、100 A、150 A三檔，為使兼容性強(qiáng)，動(dòng)觸頭直接按導(dǎo)通150 A電流確定直徑尺寸為10 mm。

1-靜觸頭 2-軸用彈性擋圈 3-靜觸頭座 4-升降壓座 5-動(dòng)觸頭 6-鋼絲卡簧 7-升降滑塊 8-彈簧球頭柱塞

升降壓座安裝固定在底盤(pán)上，作為升降壓系統(tǒng)模塊的一個(gè)基體；升降滑塊放置在升降壓座的T型槽中，可左右滑動(dòng)，升降滑塊中間槽放置進(jìn)線銅排，動(dòng)觸頭為左右兩個(gè)銅柱，它們把進(jìn)線銅排夾緊并固定在升降滑塊上，可隨升降滑塊左右移動(dòng)。為確保動(dòng)觸頭兩個(gè)位置的準(zhǔn)確性，保證不因振動(dòng)、發(fā)熱等因素而改變位置，在升降滑塊中心位置設(shè)置了定位用的彈簧球頭柱塞，在升降壓座的相應(yīng)位置設(shè)置一定位孔，這樣動(dòng)靜觸頭在左右兩個(gè)位置配合時(shí)就穩(wěn)定可靠，有利于提高通流的穩(wěn)定性和提升整體產(chǎn)品性能。絕緣主軸下端固定在底盤(pán)上，中間設(shè)置一個(gè)臺(tái)階用于安裝驅(qū)動(dòng)盤(pán)。驅(qū)動(dòng)盤(pán)是一個(gè)軸承結(jié)構(gòu)的齒輪型零件，其內(nèi)圈固定在絕緣芯軸上，外齒圈可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)盤(pán)下端安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)撥銷(xiāo)，其作用是當(dāng)驅(qū)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能使得升降滑塊左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降壓開(kāi)關(guān)的合分。

如圖5所示，靜觸頭安裝在靜觸頭座上，用外圓定位，軸向定位用一軸用彈性擋圈放置到靜觸頭上的卡槽中來(lái)完成，靜觸頭外端設(shè)置螺紋孔外接接銅線軟連接作為出線，具體安裝步驟為：先將軸用彈性擋圈放置到靜觸頭座的卡槽里，用卡簧鉗撐開(kāi)軸用彈性擋圈，再?gòu)撵o觸頭座側(cè)面放入靜觸頭，直至軸用彈性擋圈落入靜觸頭的卡槽中即可完成。靜觸頭座安裝在升降壓座上，通過(guò)座寬和底部圓凸臺(tái)定位，用一自攻螺釘擰緊固定。

靜觸頭的接觸導(dǎo)電部位為一彈性結(jié)構(gòu)，它依靠頭部?jī)?nèi)孔與動(dòng)觸頭接觸導(dǎo)電，為使接觸牢靠耐用，靜觸頭中部靠近接觸導(dǎo)電端設(shè)定為薄壁結(jié)構(gòu)，并開(kāi)4個(gè)方孔，接觸部分開(kāi)4個(gè)開(kāi)口槽，增加彈性。靜觸頭接觸孔比動(dòng)觸頭銅柱直徑小0.3～0.5 mm，在加工中用與銅柱等徑的研磨棒研磨內(nèi)孔，經(jīng)研磨后的內(nèi)孔要保證彈性伸縮量在0.20～0.25 mm之間，以保證在觸頭使用過(guò)程中充分接觸，減小接觸電阻。靜觸頭內(nèi)孔外端倒一斜角，以便在動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)運(yùn)行順利。

靜觸頭的結(jié)構(gòu)是本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零件，其性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)可靠性。如圖 6所示，除了設(shè)置軸向定位卡槽、開(kāi)4個(gè)方孔和接觸部分開(kāi)4個(gè)開(kāi)口槽之外，在空間結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量增大l尺寸的數(shù)值，l長(zhǎng)度一般應(yīng)大于10 mm，并在l尺寸范圍內(nèi)加工成波紋狀，以進(jìn)一步增強(qiáng)其彈性，使得觸頭結(jié)合既方便進(jìn)入又接觸牢靠。

圖6 靜觸頭結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高觸頭接觸導(dǎo)電的可靠性，適當(dāng)增加觸頭的額定壓力，可在靜觸頭觸點(diǎn)部位外圓設(shè)有一鋼絲卡簧槽，放置一鋼絲卡簧，在卡簧的作用下，靜觸頭觸點(diǎn)部位彈性大大增強(qiáng)。使用鋼絲卡簧時(shí)需注意卡簧槽的大小適合，防止因彈簧張力過(guò)大影響觸頭的分合。

動(dòng)觸頭為圓柱體結(jié)構(gòu)，左右各一個(gè)與進(jìn)線銅排連接定位，在升降滑塊的作用下左右移動(dòng)分別與左右兩個(gè)靜觸頭分開(kāi)或結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)觸頭的斷開(kāi)和閉合。

在使用過(guò)程中，觸點(diǎn)部位可適當(dāng)涂抹部分導(dǎo)電硅脂減小觸點(diǎn)的接觸電阻并起到潤(rùn)滑作用。

為增強(qiáng)裝置的堅(jiān)固耐用和絕緣性能，除去導(dǎo)電零部件、軸用彈性擋圈和鋼絲卡簧，其余零部件均采用高強(qiáng)絕緣材料增強(qiáng)尼龍?zhí)砑?0%玻璃纖維(PA66+GF40)壓模制成。

4 閉合自緊式觸頭裝置的應(yīng)用對(duì)比情況

圖4、圖5中所示狀態(tài)是動(dòng)觸頭與其中一個(gè)靜觸頭閉合，可設(shè)定此時(shí)系統(tǒng)處于升壓狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)盤(pán)的外齒圈在外力作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)升壓；當(dāng)線路需要降壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)盤(pán)的外齒圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，安裝在外齒圈下的驅(qū)動(dòng)撥銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)到升降滑塊的倒U型槽左側(cè)面時(shí)，升降滑塊會(huì)在升降壓座的滑槽中向左滑動(dòng)，順勢(shì)將下端的動(dòng)觸頭銅柱分開(kāi)，外齒盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)將動(dòng)觸頭撥動(dòng)到另一側(cè)與另一個(gè)靜觸頭閉合，此時(shí)系統(tǒng)則處于降壓狀態(tài)。無(wú)論是升壓還是降壓，其位置定位由其彈簧球頭柱塞提供，安全穩(wěn)固。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的閉合自緊式觸頭裝置應(yīng)用于改造升級(jí)后的調(diào)壓開(kāi)關(guān)中，經(jīng)過(guò)批量裝機(jī)后使用觀察，發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜觸頭關(guān)閉和開(kāi)合平穩(wěn)順利、無(wú)過(guò)熱拉弧問(wèn)題出現(xiàn)。其中有兩臺(tái)出現(xiàn)過(guò)觸頭閉合時(shí)有卡頓現(xiàn)象，經(jīng)拆機(jī)檢修發(fā)現(xiàn)是動(dòng)靜觸頭機(jī)加工尺寸問(wèn)題，修正后問(wèn)題解決。傳統(tǒng)觸頭結(jié)構(gòu)用在這里時(shí)的故障量達(dá)到60%以上，這充分說(shuō)明優(yōu)化后的觸頭結(jié)構(gòu)在自身彈性和鋼絲卡簧的彈性力作用下，運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，通流能力強(qiáng)。

5 結(jié) 論

電力智能調(diào)壓器升降壓開(kāi)關(guān)在研制初期使用傳統(tǒng)觸頭結(jié)構(gòu)形式，在使用過(guò)程中多次出現(xiàn)觸頭接觸不良、壓力不夠、錯(cuò)位等缺陷，影響設(shè)備性能；在換裝了閉合自緊式觸頭裝置后，運(yùn)行穩(wěn)定性，導(dǎo)流能力大大增強(qiáng)。為使觸頭充分可靠的接觸，閉合自緊式觸頭裝置還在接觸導(dǎo)電部位增加鋼絲卡簧，保證了觸頭的可靠接觸，提高了壽命。