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)

手車式高壓開關柜是10kV及35kV系統(tǒng)中的主要電氣設備.隨著絕緣材料的升級換代，手車式高壓開關柜不斷向小型化發(fā)展.但在手車實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接情況.為解決這個問題，根據(jù)斷路器手車的結(jié)構(gòu)特點，研制了斷路器手車觸頭對接深度測量裝置.該裝置能在開關柜母線帶電情況下精確測量斷路器手車觸頭的對接深度.當達到并超過規(guī)程要求的最低對接深度時，該裝置將發(fā)出指示信號.不僅確保斷路器手車工作位置的可靠對接，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，對接深度

0　引言

手車式高壓開關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，手車式開關柜不斷向小型化發(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、測量及五防閉鎖等功能[1]，逐漸成為當前10kV及35kV系統(tǒng)中電氣設備配置的主流.

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的巨大需求促進了電力工業(yè)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)設備的數(shù)量呈指數(shù)式增長.手車式開關柜已成為電氣設備中數(shù)量最多、檢修工作量最大的設備[2].

1　斷路器手車與柜體的電接觸

兩個零件通過機械連接方式相互接觸以實現(xiàn)導電的功能稱為電接觸[3].斷路器手車與柜體的電接觸對設備的可靠運行至關重要.如果接觸電阻偏大，在工作過程中就會發(fā)生嚴重損壞或因電弧而熔焊.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，材料的化學性能以及金屬化合物的機械強度與電阻率.理想材料要電阻率ρ小,硬度Hb小，高熔點，不易氧化，造價低[4].

接觸形式可分為以下3種.

(1)點接觸.一個球面與一個球面的接觸，即兩面接觸于一點.是只在一個點或很小面積上發(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)的若干點接觸.

(3)面接觸.兩平面相互接觸，接觸面是一個平面.

圖1　接觸電阻和壓力關系

斷路器手車與高壓開關柜的電接觸有專門用以完成可動電接觸導體——梅花觸頭，如圖2所示.

接觸壓力對于上述三種接觸形式中，在小接觸壓力時，點接觸的接觸電阻最低，而在大壓力時，面接觸的接觸電阻最低；在更大壓力時，三種形式的接觸電阻值大小接近相等.所以在點接觸中，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.特別是強電流觸頭，對表面接觸電阻的影響，主要表現(xiàn)在每個觸點上所受的壓力.

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.接觸形式為點接觸的方式，其接觸電阻與觸點壓力有密切關系.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，要準確計算接觸電阻是很困難的，通常采用經(jīng)驗公式(1)進行計算[7].

(1)

式中K—與接觸材料、接觸面積、表面加工情況相關系數(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)；對于點接觸m=0.5；線接觸=0.75；高壓力時的面接觸m=0.8～0.95；

在長期工作中，電流流經(jīng)電器的導電部分時，導電桿、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向觸頭本體傳熱，因此接觸點處的溫度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，要想溫升不超過一定數(shù)值，接觸電阻要求穩(wěn)定.當接觸電阻增大時，接觸點的溫度將以接觸電阻的平方增長.當接觸點處導電狀態(tài)的惡化破壞或在突然的短路電流作用下熱效應劇增，接觸處的溫度就可能達到金屬材料的軟化點或熔點，使觸頭局部軟化或熔化.如果熔化較厲害就會造成熔焊.熔焊嚴重時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，維護和操作良好的斷路器，接觸電阻不會變化太大.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)起化學作用，接觸電阻會不斷增加.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.

在實際使用和試驗過程中，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].但是如果對接深度不足，則不會形成足夠的接觸壓力，接觸電阻將直線上升.直接威脅著設備的安全.

2　當前斷路器手車檢修中存在的問題

由于開關柜獨特的結(jié)構(gòu)設計，手車在實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接痕跡的方式，不僅需要大量的人力和工時，而且存在觀測誤差，如果對接痕跡不明顯還要反復操作對位試驗，一度成為制約檢修工作效率的一大瓶緊[10].如果開關柜中母線帶電運行，這種檢修工藝就無法實施，使觸頭對接工作成為空白.如果手車插入深度不合格，在運行中將引起觸頭發(fā)熱且不易被發(fā)現(xiàn)，嚴重時將燒毀整個手車柜，從而直接影響開關柜維護的整體工作效果.為解決上述問題，特研制了斷路器手車梅花觸頭對接深度測量裝置.為確保斷路器手車與柜體的對接提供可靠依據(jù).

3　裝置的原理和實現(xiàn)思路

斷路器手車梅花觸頭對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、無線發(fā)送模塊和無線接收模塊.方形絕緣外套，固定在動觸頭臂內(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，圓盤與動觸頭接觸點持平，如圖3所示.此裝置部件均采用不飽合聚脂樹脂絕緣材料，安裝后開關手車的導電部分仍能在相間及對地間保持足夠的安全距離，具有較高的可靠性.

當手車搖入，動觸頭接觸并爬上靜觸頭時，靜觸頭推動圓盤及滑塊向內(nèi)運動.當動靜觸頭接觸符合最小距離要求時，方形滑塊會頂開方形外套內(nèi)的行程開關，發(fā)出無線信號.無線接收器接收到信號時指示燈點亮.動靜觸頭繼續(xù)向內(nèi)運動直至到位.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，即方形滑塊相對方形外套位移距離，也就是動靜觸頭的深度.然后減去靜觸頭倒角的長度，即為動靜觸頭接觸的有效深度.

1.斷路器動觸頭；2.對接深度測量裝置；3.柜體靜觸頭圖3　裝置在斷路器手車應用時的安裝示意圖

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)置于動觸頭臂的內(nèi)管中，考慮制造廠家的不同，動觸頭臂內(nèi)管孔大小有些差別.設計尺寸可略小于通用動觸頭臂管內(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，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過程中一定的阻力，保證在手車搖進搖出的震動中，方形滑塊不會輕易相對方形外套變位.而在動觸頭接觸并爬上靜觸頭時，滑塊在靜觸頭推動下又能可靠向內(nèi)運動.該方形外套底部設有方形滑塊水平推出的穿孔，起到方形滑塊滑動導向作用.

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.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)運動的長度即為動靜觸頭的插入深度.然后減去靜觸頭倒角的長度，即為動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帶螺紋的滑塊定位彈簧，給予方形滑塊滑動過程中一定的阻力，保證在手車搖進搖出的震動中，方形滑塊不會輕易變位.滑塊后部為臺階形，以容納行程開關和無線接收模塊，滑塊向內(nèi)滑動時能夠頂開行程開關.

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觸頭接觸點持平.

4.3行程開關

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，此開槽可以調(diào)節(jié)行程開關相對位置.計算確定手車動靜觸頭接觸時最小深度(即標準規(guī)定的動觸頭爬上靜觸頭倒角的有效深度+開關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)的行程開關位置，使方形滑塊此時剛好能觸發(fā)行程開關動作.然后緊固行程開關.

4.4無線發(fā)送和接收模塊

當行程開關動作，可觸發(fā)無線發(fā)送模塊發(fā)送無線信號.無線發(fā)送模塊有6路輸入端口，以備斷路器手車6個不同觸頭使用.每個測量裝置的無線發(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.無線接收模塊有對應接收的6個輸出端口B1-B6，且互不干擾.當接收信號時，對應的端口應輸出高電平并使LED亮，說明動靜觸頭已接觸到位.在無線觸發(fā)回路還串入時間繼電器，延時1分鐘后切斷無線觸發(fā)回路.

圖5　無線收發(fā)模塊

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

5　裝置的應用效果

斷路器手車觸頭對接深度測量裝置的研制，可廣泛應用于設備的安裝調(diào)試、投產(chǎn)驗收、集中檢修等工作中.由于該裝置采用全絕緣材料，安裝后開關手車的導電部分仍能在相間及對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行測量，填補了檢修工作中觸頭對位的空白.而且只要裝置調(diào)整到位，在同型號同批次高壓開關柜測量中就能即插即用，批量測量和試驗.通過無線裝置能夠更直觀地顯示對接深度情況，確保了驗收和檢查的質(zhì)量.

6　結(jié)語

綜上所述，斷路器手車觸頭對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.不僅能及時發(fā)現(xiàn)和排除變電站開關柜手車插入深度不足的缺陷，保證了開關柜的正常運行，同時大大縮小停電范圍，保證電網(wǎng)供電的可靠性，滿足實際生產(chǎn)的需要，為電網(wǎng)安全運行作出了重要貢獻.

[1]張濤.高壓開關柜安裝與檢修[M].北京:中國電力出版社,2014.

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(責任編輯王海雷)

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