一種調壓開關觸頭裝置的優化設計

李海國

(山東普益電氣有限公司,山東 濱州 256600)

0 引 言

由于傳統變壓器輸出電壓固定不變，存在近變壓器一端實際電壓偏高、遠變壓器一端實際電壓嚴重偏低等問題，反映在廣大偏遠山區、農村、廣闊林區等地區尤為普遍。為此國家“關于‘十三五’期間實施新一輪農村電網改造升級工程的意見”中明確提出：在東部沿海地區基本實現城鄉供電服務均等化的基礎上，廣大中西部地區特別是城鄉供電服務差距實現大幅縮小，綜合電壓合格率要達到97.9%。

為響應國家號召，配合農村電網改造升級工程，從2016年開始，先后開發了多種型號的電力智能調壓器。其中采用新型自耦變壓器、有載分接開關、線路自動監測與控制等技術的電力智能調壓器方案，具有多擋位調節、精細調節、用戶無斷電等特點。由于該技術優勢比較突出，因此電力智能調壓器項目入選2018年度山東省技術創新項目。

1 多擋電力智能調壓器原理簡介

圖1為某型號調壓器電氣原理圖。由圖可知，該裝置主要由一個自耦變壓器、多個電氣開關、兩個電抗器和一個電子開關組成。A為輸入端，A1為輸出端。當輸出端A1電壓正常時，KMA3旁路開關接通，調壓器在此狀態下不工作；當A1電壓低于設定標準時，升壓開關KMA2接通，根據所需升壓值，通過選擇開關中的某兩個接通實現升壓；當A1電壓系統設定高于標準時，降壓開關KMA1接通，根據所需降壓值，通過選擇開關中的某兩個接通實現降壓[1-3]。

圖1 某型號調壓器電氣原理

由于無論是升壓還是降壓，都需要事先合上升壓或者降壓開關，這是升壓或者降壓的關鍵第一步，必須穩定可靠、導流能力強且能適應自動升降壓的要求。在最初研制調壓器的時候，采用常規觸頭結構，平面接觸，用拉伸彈簧提供觸頭壓力。經過一段時間的試驗驗證，出現了一些問題，嚴重影響了產品性能。

2 常規觸頭裝置的應用

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

在研制圖1所示型號的調壓開關時，應用到升降壓開合觸頭結構，需要在升壓和降壓時轉換升降壓開關，開始使用常規的動靜觸頭面接觸，采用彈簧拉桿結構實現觸頭開合。通過一段時間的使用，時常出現觸頭接觸不良、錯位等缺陷，通過調整彈簧拉力、更換觸頭等措施，始終未能徹底解決問題。

圖2所示的是某型號調壓開關局部結構簡圖，它主要包括底盤、驅動塊、動觸頭、靜觸頭、出線端、動觸頭座、進線端、掛銷、軸承、拉伸彈簧、彈簧固定軸和驅動軸等零部件。

1-底盤 2-驅動塊 3-動觸頭 4-靜觸頭 5-出現端 6-動觸頭座 7-進線端 8-掛銷 9-軸承 10-拉伸彈簧 11-彈簧固定軸 12-驅動軸

為更進一步了解升降壓觸頭裝置結構，圖3提供了升降壓觸頭裝置局部圖。可同時參考圖2和圖3來分析觸頭的開合運動和工作情況。

圖3 升降壓觸頭裝置局部

動觸頭通過動觸頭座安裝在底盤上，動觸頭上下各有一個同心的凸出銷軸，一端通過兩個滾動軸承與底盤活動連接，另一端與動觸頭座上孔滑動配合，并作為進線端的連接接口；動觸頭的中間部位加工出一個槽狀結構，并在靠近內側部位設置一銷孔安裝掛銷，為拉伸彈簧提供空間和掛彈簧之用；動觸頭外側加工出特殊的齒形槽，它與驅動塊相互作用，驅動塊的動力來源是通過其安裝的驅動軸來提供；拉伸彈簧的一端套在固定在底盤上的彈簧固定軸上，另一端套在安裝到動觸頭的活動掛銷上；兩個靜觸頭分別為升降壓觸頭，一端連接出線端，另一端通過兩個銷軸固定在底盤上。

如圖3所示，圖示狀態是動觸頭與其中一個靜觸頭閉合的工況，可設定此時系統處于升壓狀態。驅動軸帶動驅動塊順時針旋轉，實現升壓(關于升壓方法，則不在所討論范圍之內)；當系統需要降壓時，驅動軸帶動驅動塊逆時針旋轉，當驅動塊旋轉到動觸頭齒槽時，會將動觸頭撥動到另一側與另一個靜觸頭閉合，此時系統則處于降壓狀態。無論是升壓還是降壓，其額定觸頭壓力均由拉伸彈簧提供。

產品使用過程初期并未發現問題，經過一段時間的應用，發現個別觸頭出現接觸不良、錯位，有時出現短暫拉弧。由于此開關轉換頻率非常低，只是在需要升降壓轉換時才切換，問題當時未體現出來，時間一長問題比較嚴重，特別是問題出現在升降壓換擋的時候，嚴重影響了產品使用性能。為此采取將靜觸頭兩個銷軸的配合改為間隙配合，加大拉簧拉力，改為浮動壓緊等措施，有所好轉，但始終未從根本上解決問題。

經過仔細對比分析，認為主要問題是觸頭的額定壓力不夠，壓力不夠的危害，特別體現在升降壓換擋時有振動容易出現拉弧。如圖3所示，彈簧的拉力為F，彈簧拉力方向與作用在動觸頭轉軸的力F1方向的夾角為α，則額定觸頭壓力F2(動觸頭作用在靜觸頭頭上的壓力)為

F2=Fsinα

由于系統升降壓時需轉換觸頭，動觸頭的齒槽在驅動齒的作用下必須來回均能撥動而不能干澀，故夾角α不能增大，sinα值很小，F2的值就很小。由于sinα值很小，僅增加彈簧的拉力F1作用有限，必須改變原有結構形式才有可能解決問題。

3 閉合自緊式觸頭裝置

針對調壓器升降壓開關結構性缺陷所存在的不足，解決觸頭壓力小、有振動所帶來的問題，優化設計了一種用于特定場所的閉合自緊式觸頭裝置，用于調壓開關的升降壓轉換，以期解決接觸不良、拉弧等問題，經過試驗證明，達到了預期目的。該裝置具有結構緊湊、通流能力強、運行穩定、制造成本低等優點。

如圖4所示，優化設計后的升降壓觸頭結構主要包括底盤、升降壓座、靜觸頭座、絕緣主軸、驅動盤、鋼絲卡簧、軸用彈性擋圈、靜觸頭、彈簧球頭柱塞、進線銅排、驅動撥銷和升降滑塊等零部件。

1-底盤 2-升降壓座 3-靜觸頭座 4-絕緣主軸 5-驅動盤 6-鋼絲卡簧 7-軸用彈性擋圈 8-靜觸頭 9-彈簧球頭柱塞 10-進線銅排 11-驅動撥銷 12-升降滑塊

為更進一步了解閉合自緊式觸頭裝置結構，可同時參考圖5提供的閉合自緊式觸頭裝置結構局部圖來分析觸頭的開合運動和工作情況，圖中標號14的零件是動觸頭，為圓柱體結構。調壓器輸入總電流分為75 A、100 A、150 A三檔，為使兼容性強，動觸頭直接按導通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上，作為升降壓系統模塊的一個基體；升降滑塊放置在升降壓座的T型槽中，可左右滑動，升降滑塊中間槽放置進線銅排，動觸頭為左右兩個銅柱，它們把進線銅排夾緊并固定在升降滑塊上，可隨升降滑塊左右移動。為確保動觸頭兩個位置的準確性，保證不因振動、發熱等因素而改變位置，在升降滑塊中心位置設置了定位用的彈簧球頭柱塞，在升降壓座的相應位置設置一定位孔，這樣動靜觸頭在左右兩個位置配合時就穩定可靠，有利于提高通流的穩定性和提升整體產品性能。絕緣主軸下端固定在底盤上，中間設置一個臺階用于安裝驅動盤。驅動盤是一個軸承結構的齒輪型零件，其內圈固定在絕緣芯軸上，外齒圈可自由轉動。驅動盤下端安裝一個驅動撥銷，其作用是當驅動盤轉動時能使得升降滑塊左右移動，實現升降壓開關的合分。

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完成，靜觸頭外端設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，用卡簧鉗撐開軸用彈性擋圈，再從靜觸頭座側面放入靜觸頭，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，通過座寬和底部圓凸臺定位，用一自攻螺釘擰緊固定。

靜觸頭的接觸導電部位為一彈性結構，它依靠頭部內孔與動觸頭接觸導電，為使接觸牢靠耐用，靜觸頭中部靠近接觸導電端設定為薄壁結構，并開4個方孔，接觸部分開4個開口槽，增加彈性。靜觸頭接觸孔比動觸頭銅柱直徑小0.3～0.5 mm，在加工中用與銅柱等徑的研磨棒研磨內孔，經研磨后的內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程中充分接觸，減小接觸電阻。靜觸頭內孔外端倒一斜角，以便在動靜觸頭接觸時運行順利。

靜觸頭的結構是本次優化設計的關鍵零件，其性能優劣直接影響系統可靠性。如圖 6所示，除了設置軸向定位卡槽、開4個方孔和接觸部分開4個開口槽之外，在空間結構允許的情況下，盡量增大l尺寸的數值，l長度一般應大于10 mm，并在l尺寸范圍內加工成波紋狀，以進一步增強其彈性，使得觸頭結合既方便進入又接觸牢靠。

圖6 靜觸頭結構

為進一步提高觸頭接觸導電的可靠性，適當增加觸頭的額定壓力，可在靜觸頭觸點部位外圓設有一鋼絲卡簧槽，放置一鋼絲卡簧，在卡簧的作用下，靜觸頭觸點部位彈性大大增強。使用鋼絲卡簧時需注意卡簧槽的大小適合，防止因彈簧張力過大影響觸頭的分合。

動觸頭為圓柱體結構，左右各一個與進線銅排連接定位，在升降滑塊的作用下左右移動分別與左右兩個靜觸頭分開或結合，從而實現觸頭的斷開和閉合。

在使用過程中，觸點部位可適當涂抹部分導電硅脂減小觸點的接觸電阻并起到潤滑作用。

為增強裝置的堅固耐用和絕緣性能，除去導電零部件、軸用彈性擋圈和鋼絲卡簧，其余零部件均采用高強絕緣材料增強尼龍添加40%玻璃纖維(PA66+GF40)壓模制成。

4 閉合自緊式觸頭裝置的應用對比情況

圖4、圖5中所示狀態是動觸頭與其中一個靜觸頭閉合，可設定此時系統處于升壓狀態。驅動盤的外齒圈在外力作用下順時針旋轉，實現升壓；當線路需要降壓時，驅動盤的外齒圈逆時針旋轉，安裝在外齒圈下的驅動撥銷旋轉到升降滑塊的倒U型槽左側面時，升降滑塊會在升降壓座的滑槽中向左滑動，順勢將下端的動觸頭銅柱分開，外齒盤繼續轉動，就會將動觸頭撥動到另一側與另一個靜觸頭閉合，此時系統則處于降壓狀態。無論是升壓還是降壓，其位置定位由其彈簧球頭柱塞提供，安全穩固。

優化設計的閉合自緊式觸頭裝置應用于改造升級后的調壓開關中，經過批量裝機后使用觀察，發現動靜觸頭關閉和開合平穩順利、無過熱拉弧問題出現。其中有兩臺出現過觸頭閉合時有卡頓現象，經拆機檢修發現是動靜觸頭機加工尺寸問題，修正后問題解決。傳統觸頭結構用在這里時的故障量達到60%以上，這充分說明優化后的觸頭結構在自身彈性和鋼絲卡簧的彈性力作用下，運行穩定，性能可靠，通流能力強。

5 結 論

電力智能調壓器升降壓開關在研制初期使用傳統觸頭結構形式，在使用過程中多次出現觸頭接觸不良、壓力不夠、錯位等缺陷，影響設備性能；在換裝了閉合自緊式觸頭裝置后，運行穩定性，導流能力大大增強。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電部位增加鋼絲卡簧，保證了觸頭的可靠接觸，提高了壽命。