高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀的研制

黃曉波 董 敏 翁海濤 楊 雨 申淑梅

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司瑞安市供電公司，浙江 溫州 325205）

0 引言

高壓隔離開(kāi)關(guān)是電力系統(tǒng)中應(yīng)用范圍最廣的開(kāi)關(guān)設(shè)備，觸指和觸頭屬可動(dòng)接觸，為觸指和觸頭接觸提供壓力的彈簧，常因銹蝕和電流發(fā)熱而退火，導(dǎo)致彈力下降或失效，進(jìn)一步導(dǎo)致接觸部分產(chǎn)生接觸不良[1-2]。但是在電力系統(tǒng)檢修中，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力的檢修缺乏標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)和相關(guān)檢測(cè)設(shè)備，大多是憑借以往的經(jīng)驗(yàn)，比如根據(jù)工人的觀(guān)察或者基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到的一定時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行更換等[3]。因此，研究高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力檢測(cè)技術(shù)對(duì)于確保高壓隔離開(kāi)關(guān)正常工作，保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

為了改善高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指和觸頭性能，文獻(xiàn)[4-5]提出了多種改善觸頭材料特性的方法。高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力的傳統(tǒng)檢測(cè)方法主要有人工經(jīng)驗(yàn)法、彈簧秤拉伸法等。人工經(jīng)驗(yàn)法最簡(jiǎn)單也最直接，主要依靠檢修人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)估計(jì)接觸壓力的大小。彈簧秤拉伸法是將彈簧秤的一端固定在隔離開(kāi)關(guān)的觸指端，然后用力拉伸彈簧秤直到隔離開(kāi)關(guān)的觸頭和觸指之間剛剛出現(xiàn)縫隙，此時(shí)彈簧秤的示數(shù)即為觸指壓力。彈簧秤是電力系統(tǒng)檢修規(guī)程中推薦的測(cè)量觸指壓力的測(cè)力工具，但在實(shí)際檢修工作中，用彈簧秤檢測(cè)觸指壓力方便性和安全性較差，并不能適應(yīng)高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力檢測(cè)的需要。

基于以上情況，文獻(xiàn)[6]針對(duì)高壓隔離開(kāi)關(guān)安裝過(guò)程中觸指壓力的檢測(cè)需求，提出了一種實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)力的新型觸頭，推導(dǎo)了觸頭受力和觸指變形之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]提出模擬觸頭法檢測(cè)高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力，即將模擬觸頭插入到隔離開(kāi)關(guān)觸指觸頭實(shí)際接觸部分，觸指壓力傳遞到模擬觸頭尾端的傳感器中，以此測(cè)出觸指壓力。文獻(xiàn)[8]也采用模擬隔離觸頭法，將柔性薄膜式壓力傳感器裝于觸頭上，以此檢測(cè)出隔離開(kāi)關(guān)的觸指壓力。同時(shí)文獻(xiàn)[9]采用模擬觸頭測(cè)試法研制了觸指壓力測(cè)試儀，為測(cè)量觸指壓力提供了一種簡(jiǎn)便、有效的測(cè)量手段。另一方面，文獻(xiàn)[10]提出了基于Flexiforce薄膜壓力傳感器的高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀方案，但在實(shí)際制作和測(cè)試中發(fā)現(xiàn)Flexiforce薄膜壓力傳感器量程較小，壓力過(guò)大很容易將Flexiforce傳感器壓壞。

本文在上述文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，提出了一種基于應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的觸指壓力測(cè)試儀，給出了總體結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方案，并完成了裝置的加工和裝配。最后對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀測(cè)量精準(zhǔn)、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)。

1 高壓隔離開(kāi)關(guān)及其觸指結(jié)構(gòu)

如圖1所示，高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指采用外壓板簧觸頭結(jié)構(gòu)，因觸指長(zhǎng)期使用，由于疲勞和腐蝕等原因剛性降低，使得觸指壓力降低從而發(fā)生過(guò)熱熔焊的現(xiàn)象。因此對(duì)隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力進(jìn)行檢測(cè)十分必要。

圖1 高壓隔離開(kāi)關(guān)觸頭觸指接觸部分

2 測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)

基于應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括模擬觸頭測(cè)量部分、連接手柄、信號(hào)線(xiàn)和顯示器四部分。其中模擬觸頭測(cè)量部分包括應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器1、模擬觸頭板2、墊片3。信號(hào)線(xiàn)5從傳感器1中引出，外接至顯示裝置6。

圖2 觸指壓力測(cè)試儀整體結(jié)構(gòu)

實(shí)際測(cè)量時(shí)，將高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力檢測(cè)儀模擬觸頭部分插入到隔離開(kāi)關(guān)觸頭實(shí)際合閘位置，隔離開(kāi)關(guān)的觸指壓力通過(guò)模擬觸頭傳遞到傳感器中，信號(hào)線(xiàn)將傳感器的變化傳遞到測(cè)量顯示器顯示壓力值。

3 電路結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀的基本功能是通過(guò)應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器采集壓力信號(hào)，采集到的信號(hào)通過(guò)HX711 A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號(hào)傳遞到STM32F103處理器處理，壓力值最終顯示在LCD12864型液晶顯示器。

（1）電源設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立電源設(shè)計(jì)，從而減少了對(duì)輸出信號(hào)的干擾。在整個(gè)系統(tǒng)中，STM32F103系統(tǒng)是3.3 V電壓的系統(tǒng)，HX711芯片、LCD液晶顯示模塊、指示燈模塊需要+5 V電源。兩種電源電路如圖3、圖4所示。

圖3 +5 V電源電路圖

圖4 +3 V電源電路圖

（2）人機(jī)交互設(shè)計(jì)。

人機(jī)交互電路：包括五部分——硬件復(fù)位電路、按鍵輸入電路、LED狀態(tài)信號(hào)電路、串口電路、并口液晶屏接口電路。

硬件復(fù)位電路：用戶(hù)在系統(tǒng)崩潰時(shí)，可以進(jìn)行一鍵復(fù)位，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

按鍵輸入電路：本系統(tǒng)設(shè)置了按鍵輸入電路，電路中有三個(gè)按鍵，用戶(hù)可以通過(guò)按鍵向系統(tǒng)發(fā)送各種指令并置入一些必要的數(shù)據(jù)。通過(guò)按鍵，用戶(hù)可以選擇功能、標(biāo)定傳感器、測(cè)量觸指壓力等。

LED狀態(tài)信號(hào)電路：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5個(gè)LED輸出顯示接口電路，其中一個(gè)為電源指示燈，其余的為程序狀態(tài)燈，在軟件的開(kāi)發(fā)與調(diào)試過(guò)程中可被用于判斷程序是否正常運(yùn)行。

串口電路：本系統(tǒng)采用四線(xiàn)接口的方式，利用USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備進(jìn)行通信。串口電路采用UART協(xié)議。該電路可以將PC機(jī)上編譯好的程序下載到本系統(tǒng)中，還可以和上位機(jī)的串口調(diào)試工具或串口程序進(jìn)行通信。

并口液晶屏接口電路：并口液晶屏的最大優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，畫(huà)面更新及時(shí)，缺點(diǎn)是需要更多的接口連線(xiàn)。并口液晶屏的接口包含一個(gè)8位的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和若干控制信號(hào)連線(xiàn)。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀的系統(tǒng)總體流程圖如圖5所示。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該先進(jìn)行歸零處理，標(biāo)定模塊在系統(tǒng)做好時(shí)，已經(jīng)標(biāo)定好，只有在多次使用后，當(dāng)傳感器示數(shù)不太準(zhǔn)確時(shí)，才需進(jìn)入該部分，進(jìn)行重新標(biāo)定。系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于測(cè)量狀態(tài)。

圖5 高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀軟件流程圖

4 標(biāo)定與測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力檢測(cè)裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

工作環(huán)境：-20～40 ℃，≤80%RH；

電源電壓：AC220×（1±10%）V，50×（1±10%）Hz；

機(jī)內(nèi)鋰電池功率：≤20 W；

測(cè)量范圍：≤900 N，誤差≤1%；

適用范圍：適用于GW4、GW5型高壓隔離開(kāi)關(guān)；

內(nèi)置鋰電池，電源工作時(shí)間：≥6 h。

4.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

首先通過(guò)夾具將高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀實(shí)際測(cè)量部分裝夾在SANS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，如圖6所示，然后對(duì)測(cè)量部分施加一恒定持續(xù)的力，記錄標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量AD值，反復(fù)進(jìn)行10次，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量AD值數(shù)據(jù)

圖6 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)壓力值（weight）與測(cè)量AD值（val）之間的關(guān)系為：

將此公式輸入到內(nèi)核系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)輸出程序中，完成傳感器的標(biāo)定。

標(biāo)定程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 標(biāo)定程序設(shè)計(jì)流程框圖

4.3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

用高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀對(duì)剛出廠(chǎng)的GW4型高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指進(jìn)行檢測(cè)，如圖8所示，得到準(zhǔn)確的隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力。GW4型高壓隔離開(kāi)關(guān)出廠(chǎng)要求觸指壓力為（300±30）N，此次測(cè)量得到的觸指壓力為310 N，滿(mǎn)足隔離開(kāi)關(guān)觸指出廠(chǎng)要求。

圖8 觸指壓力測(cè)試儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

本文從供電公司對(duì)隔離開(kāi)關(guān)檢修遇到的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，研制了一種基于應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀。該裝置包括模擬觸頭測(cè)量部分、手持部分、數(shù)據(jù)處理顯示部分，并完成了傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)際測(cè)量時(shí)只需將測(cè)量部分按照實(shí)際安裝狀況插入到隔離開(kāi)關(guān)觸指中，即可得到高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指對(duì)觸頭的夾緊力。測(cè)試結(jié)果表明，高壓隔離開(kāi)關(guān)觸指壓力測(cè)試儀測(cè)量精準(zhǔn)、使用方便，有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。