高壓隔離開關觸指壓力測試儀的研制

黃曉波 董 敏 翁海濤 楊 雨 申淑梅

（國網浙江省電力有限公司瑞安市供電公司，浙江 溫州 325205）

0 引言

高壓隔離開關是電力系統中應用范圍最廣的開關設備，觸指和觸頭屬可動接觸，為觸指和觸頭接觸提供壓力的彈簧，常因銹蝕和電流發熱而退火，導致彈力下降或失效，進一步導致接觸部分產生接觸不良[1-2]。但是在電力系統檢修中，對隔離開關觸指壓力的檢修缺乏標準的依據和相關檢測設備，大多是憑借以往的經驗，比如根據工人的觀察或者基于統計數據得到的一定時間對設備進行更換等[3]。因此，研究高壓隔離開關觸指壓力檢測技術對于確保高壓隔離開關正常工作，保證電力系統安全、穩定運行意義重大。

為了改善高壓隔離開關觸指和觸頭性能，文獻[4-5]提出了多種改善觸頭材料特性的方法。高壓隔離開關觸指壓力的傳統檢測方法主要有人工經驗法、彈簧秤拉伸法等。人工經驗法最簡單也最直接，主要依靠檢修人員的經驗來估計接觸壓力的大小。彈簧秤拉伸法是將彈簧秤的一端固定在隔離開關的觸指端，然后用力拉伸彈簧秤直到隔離開關的觸頭和觸指之間剛剛出現縫隙，此時彈簧秤的示數即為觸指壓力。彈簧秤是電力系統檢修規程中推薦的測量觸指壓力的測力工具，但在實際檢修工作中，用彈簧秤檢測觸指壓力方便性和安全性較差，并不能適應高壓隔離開關觸指壓力檢測的需要。

基于以上情況，文獻[6]針對高壓隔離開關安裝過程中觸指壓力的檢測需求，提出了一種實時連續測力的新型觸頭，推導了觸頭受力和觸指變形之間的關系。文獻[7]提出模擬觸頭法檢測高壓隔離開關觸指壓力，即將模擬觸頭插入到隔離開關觸指觸頭實際接觸部分，觸指壓力傳遞到模擬觸頭尾端的傳感器中，以此測出觸指壓力。文獻[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，以此檢測出隔離開關的觸指壓力。同時文獻[9]采用模擬觸頭測試法研制了觸指壓力測試儀，為測量觸指壓力提供了一種簡便、有效的測量手段。另一方面，文獻[10]提出了基于Flexiforce薄膜壓力傳感器的高壓隔離開關觸指壓力測試儀方案，但在實際制作和測試中發現Flexiforce薄膜壓力傳感器量程較小，壓力過大很容易將Flexiforce傳感器壓壞。

本文在上述文獻基礎上，提出了一種基于應變式稱重傳感器的觸指壓力測試儀，給出了總體結構、硬件電路和軟件設計方案，并完成了裝置的加工和裝配。最后對傳感器進行了標定實驗和實際的測量實驗，結果表明高壓隔離開關觸指壓力測試儀測量精準、使用方便、實用性強。

1 高壓隔離開關及其觸指結構

如圖1所示，高壓隔離開關觸指采用外壓板簧觸頭結構，因觸指長期使用，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生過熱熔焊的現象。因此對隔離開關觸指壓力進行檢測十分必要。

圖1 高壓隔離開關觸頭觸指接觸部分

2 測試儀總體結構

基于應變式稱重傳感器的高壓隔離開關觸指壓力測試儀整體結構如圖2所示，包括模擬觸頭測量部分、連接手柄、信號線和顯示器四部分。其中模擬觸頭測量部分包括應變式稱重傳感器1、模擬觸頭板2、墊片3。信號線5從傳感器1中引出，外接至顯示裝置6。

圖2 觸指壓力測試儀整體結構

實際測量時，將高壓隔離開關觸指壓力檢測儀模擬觸頭部分插入到隔離開關觸頭實際合閘位置，隔離開關的觸指壓力通過模擬觸頭傳遞到傳感器中，信號線將傳感器的變化傳遞到測量顯示器顯示壓力值。

3 電路結構及軟件結構

3.1 硬件設計

高壓隔離開關觸指壓力測試儀的基本功能是通過應變式稱重傳感器采集壓力信號，采集到的信號通過HX711 A/D轉換芯片將數字信號傳遞到STM32F103處理器處理，壓力值最終顯示在LCD12864型液晶顯示器。

（1）電源設計。

本設計采用獨立電源設計，從而減少了對輸出信號的干擾。在整個系統中，STM32F103系統是3.3 V電壓的系統，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）人機交互設計。

人機交互電路：包括五部分——硬件復位電路、按鍵輸入電路、LED狀態信號電路、串口電路、并口液晶屏接口電路。

硬件復位電路：用戶在系統崩潰時，可以進行一鍵復位，使系統恢復正常運行。

按鍵輸入電路：本系統設置了按鍵輸入電路，電路中有三個按鍵，用戶可以通過按鍵向系統發送各種指令并置入一些必要的數據。通過按鍵，用戶可以選擇功能、標定傳感器、測量觸指壓力等。

LED狀態信號電路：本系統設計了5個LED輸出顯示接口電路，其中一個為電源指示燈，其余的為程序狀態燈，在軟件的開發與調試過程中可被用于判斷程序是否正常運行。

串口電路：本系統采用四線接口的方式，利用USB轉串口設備進行通信。串口電路采用UART協議。該電路可以將PC機上編譯好的程序下載到本系統中，還可以和上位機的串口調試工具或串口程序進行通信。

并口液晶屏接口電路：并口液晶屏的最大優點是響應速度快，畫面更新及時，缺點是需要更多的接口連線。并口液晶屏的接口包含一個8位的數據總線和若干控制信號連線。

3.2 軟件結構

高壓隔離開關觸指壓力測試儀的系統總體流程圖如圖5所示。一般來說，應該先進行歸零處理，標定模塊在系統做好時，已經標定好，只有在多次使用后，當傳感器示數不太準確時，才需進入該部分，進行重新標定。系統大部分時間都處于測量狀態。

圖5 高壓隔離開關觸指壓力測試儀軟件流程圖

4 標定與測量實驗

4.1 主要技術參數

高壓隔離開關觸指壓力檢測裝置主要技術參數如下：

工作環境：-20～40 ℃，≤80%RH；

電源電壓：AC220×（1±10%）V，50×（1±10%）Hz；

機內鋰電池功率：≤20 W；

測量范圍：≤900 N，誤差≤1%；

適用范圍：適用于GW4、GW5型高壓隔離開關；

內置鋰電池，電源工作時間：≥6 h。

4.2 標定實驗

首先通過夾具將高壓隔離開關觸指壓力測試儀實際測量部分裝夾在SANS萬能試驗機上，如圖6所示，然后對測量部分施加一恒定持續的力，記錄標準值和測量AD值，反復進行10次，所得數據如表1所示。

表1 標準值與測量AD值數據

圖6 標定實驗

標準壓力值（weight）與測量AD值（val）之間的關系為：

將此公式輸入到內核系統的計算任務輸出程序中，完成傳感器的標定。

標定程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 標定程序設計流程框圖

4.3 測量實驗

用高壓隔離開關觸指壓力測試儀對剛出廠的GW4型高壓隔離開關觸指進行檢測，如圖8所示，得到準確的隔離開關觸指壓力。GW4型高壓隔離開關出廠要求觸指壓力為（300±30）N，此次測量得到的觸指壓力為310 N，滿足隔離開關觸指出廠要求。

圖8 觸指壓力測試儀測量實驗

5 結論

本文從供電公司對隔離開關檢修遇到的實際問題出發，研制了一種基于應變式稱重傳感器的高壓隔離開關觸指壓力測試儀。該裝置包括模擬觸頭測量部分、手持部分、數據處理顯示部分，并完成了傳感器的標定實驗和實際的測量實驗。實際測量時只需將測量部分按照實際安裝狀況插入到隔離開關觸指中，即可得到高壓隔離開關觸指對觸頭的夾緊力。測試結果表明，高壓隔離開關觸指壓力測試儀測量精準、使用方便，有較好的實用價值和應用前景。