開關(guān)柜梅花觸指壓緊彈簧力學(xué)性能測試裝置研制

宋瑞卿 秦澤華 王磊

摘 要：本項目的梅花觸頭具有一個徑向彈簧抱箍、數(shù)個觸指，主要對彈簧抱箍施加在觸指上的徑向力進(jìn)行計算分析，同時考慮觸指的彈性變形影響，最終得到觸指與觸頭之間的相互作用力，從而為此類梅花觸頭及徑向彈簧抱箍設(shè)計提供理論依據(jù)。所以，非自力型梅花觸頭在電力系統(tǒng)中已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用。

利用薄膜壓力測試技術(shù)，在不同溫度下，對高壓開關(guān)柜梅花觸指壓力進(jìn)行測量，比對不同開關(guān)之間的壓力值的差異，進(jìn)而測試彈簧壓緊性能狀態(tài)。

本項目研究成果為小型試驗裝置，在檢修過程中，用于壓緊彈簧的不同溫度下的力學(xué)性能評價。不需要拆卸彈簧，試驗不同觸指壓力差異化的評估，進(jìn)而分段評估彈簧性能，最終反映出不同梅花觸指片運(yùn)行狀態(tài)的差異化。推廣途徑是小型化、低成本試驗裝置，應(yīng)用于現(xiàn)場檢修。

一、概述

10kV～35kV 戶內(nèi)交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備（以下簡稱開關(guān)柜）是 110kV 及以上電壓等級變電站裝用量最大的開關(guān)類設(shè)備，其可靠性直接關(guān)系到變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

開關(guān)柜主要失效形式是放電燒毀，其中觸頭發(fā)熱燒毀是主要失效形式。觸頭發(fā)熱主要是接觸電阻大造成的，接觸電阻受觸指壓力、接觸面積和接觸材料種類等因素影響，其中觸指壓力是主要決定因素。本文利用薄膜壓力測試技術(shù)，在不同溫度下，對高壓開關(guān)柜梅花觸指壓力進(jìn)行測量，比對不同開關(guān)之間的壓力值的差異，進(jìn)而測試彈簧壓緊性能狀態(tài)。研究成果為小型試驗裝置，在檢修過程中，用于壓緊彈簧的不同溫度下的力學(xué)性能評價，最終反映出不同梅花觸指片運(yùn)行狀態(tài)的差異化。

二、彈簧力學(xué)性能測試裝置技術(shù)原理

本文基于壓阻效應(yīng)設(shè)計開發(fā)彈簧力學(xué)性能測試裝置，其核心部件為壓阻壓力傳感器，主要基于壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是用來描述材料在受到機(jī)械式應(yīng)力下所產(chǎn)生的電阻變化。

大多數(shù)金屬材料與半導(dǎo)體材料都具有壓阻效應(yīng)，其中半導(dǎo)體材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬。由于硅是現(xiàn)今集成電路的主要半導(dǎo)體材料，以硅制作而成的壓阻性元件的應(yīng)用就變得非常有意義。電阻變化不單是來自與應(yīng)力有關(guān)的幾何形變，也來自材料本身與應(yīng)力相關(guān)的電阻，這使得其程度因子大于金屬數(shù)百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由于其三個導(dǎo)帶谷對的位移所造成不同遷移率的導(dǎo)帶谷間的載子重新分布，進(jìn)而使得電子在不同流動方向上的遷移率發(fā)生改變。其次是由于來自與導(dǎo)帶谷形狀改變相關(guān)的等效質(zhì)量（effective mass）的變化。壓阻壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。平時敏感芯體沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位），當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶狻Ｈ艚o電橋加一個恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應(yīng)的電壓信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號輸出。電橋檢測出電阻值的變化，經(jīng)過放大后，再經(jīng)過電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號，該電流信號通過非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了輸入電壓成線性對應(yīng)關(guān)系的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。為減小溫度變化對芯體電阻值的影響，提高測量精度，壓力傳感器都采用溫度補(bǔ)償措施使其零點漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持較高水平。

三、梅花觸指壓緊彈簧力學(xué)性能測試裝置

開關(guān)柜梅花觸指壓緊彈簧力學(xué)性能測試裝置為小型試驗裝置，應(yīng)用于現(xiàn)場檢修，屬于預(yù)防性評價。測試裝置利用薄膜壓力測試技術(shù)，在不同溫度下，對高壓開關(guān)柜梅花觸指壓力進(jìn)行測量，比對不同開關(guān)之間的壓力值的差異，進(jìn)而測試彈簧壓緊性能狀態(tài)，對壓緊彈簧在不同溫度下的力學(xué)性能進(jìn)行評價。不需要拆卸彈簧，試驗不同觸指壓力差異化的評估，進(jìn)而分段評估彈簧性能，最終反映出不同梅花觸指片運(yùn)行狀態(tài)的差異化。

開關(guān)柜梅花觸指結(jié)構(gòu)如圖1，基于壓阻效應(yīng)設(shè)計開發(fā)彈簧力學(xué)性能測試裝置如圖2。

利用直徑34mm、38mm、47mm、78mm、88mm、108mm銅制或鋁制管材上加工2-4個20±1mm孔，兩兩對稱分布，將微型壓力傳感器固定于孔內(nèi)，傳感器上設(shè)置圓弧狀補(bǔ)償塊，形成測試工裝，將測試工裝插入被測開關(guān)動觸頭中。測量靜觸頭接觸點直徑，利用對稱補(bǔ)償塊將測點對邊尺寸補(bǔ)償?shù)綄崪y尺寸，補(bǔ)償后的尺寸不小于實測尺寸，使傳感器與觸指最內(nèi)部位接觸，加載具備加熱和溫控的密封裝置，分別測量環(huán)境溫度、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃條件下的壓力值，確定彈簧在不同溫度下的壓緊能力，從而評估壓緊彈簧狀態(tài)。

四、結(jié)束語

本文主要解決檢修階段缺乏彈簧工作溫度下壓力評價方法和設(shè)備的問題，提供一種快速、可以廣泛使用的測量裝置。梅花觸指壓緊彈簧力學(xué)性能測量裝置實現(xiàn)模擬不同工況下梅花觸指壓緊彈簧的力學(xué)性能測試，可以在檢修過程中實現(xiàn)觸指彈簧整體或局部失效評價，減少發(fā)熱故障，提高開關(guān)柜可靠性。

通過在不同溫度下對開關(guān)柜梅花觸指彈簧壓力進(jìn)行測量，比對不同開關(guān)之間壓力值的差異，評價彈簧壓緊性能狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行提前性預(yù)防。通過有效評估開關(guān)柜觸指彈簧狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理各種隱患和缺陷、減少故障及其重復(fù)性發(fā)生的機(jī)會，對保障主變以及變電站的安全可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣平，李晶高壓隔離開關(guān)觸指壓力的測試[J].四川電力技術(shù)， 2009（6）：26-28.

[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.

作者簡介：

宋瑞卿，1986年12月，河南開封，碩士研究生，工程師，華北電力大學(xué)，國網(wǎng)河南省電力公司開封供電公司

秦澤華，1990年10月，男，河南鄭州，本科，工程師，華北水利水電大學(xué)，國網(wǎng)河南省電力公司開封供電公司

王磊，1990年10月，河南永城，本科，工程師，四川大學(xué)，國網(wǎng)河南省電力公司開封供電公司