開關柜梅花觸指壓緊彈簧力學性能測試裝置研制

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、數個觸指，主要對彈簧抱箍施加在觸指上的徑向力進行計算分析，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計提供理論依據。所以，非自力型梅花觸頭在電力系統中已經得到了較廣泛的應用。

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

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，進而分段評估彈簧性能，最終反映出不同梅花觸指片運行狀態的差異化。推廣途徑是小型化、低成本試驗裝置，應用于現場檢修。

一、概述

10kV～35kV 戶內交流金屬封閉開關設備（以下簡稱開關柜）是 110kV 及以上電壓等級變電站裝用量最大的開關類設備，其可靠性直接關系到變電站的安全穩定運行。

開關柜主要失效形式是放電燒毀，其中觸頭發熱燒毀是主要失效形式。觸頭發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，在不同溫度下，對高壓開關柜梅花觸指壓力進行測量，比對不同開關之間的壓力值的差異，進而測試彈簧壓緊性能狀態。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性能評價，最終反映出不同梅花觸指片運行狀態的差異化。

二、彈簧力學性能測試裝置技術原理

本文基于壓阻效應設計開發彈簧力學性能測試裝置，其核心部件為壓阻壓力傳感器，主要基于壓阻效應。壓阻效應是用來描述材料在受到機械式應力下所產生的電阻變化。

大多數金屬材料與半導體材料都具有壓阻效應，其中半導體材料中的壓阻效應遠大于金屬。由于硅是現今集成電路的主要半導體材料，以硅制作而成的壓阻性元件的應用就變得非常有意義。電阻變化不單是來自與應力有關的幾何形變，也來自材料本身與應力相關的電阻，這使得其程度因子大于金屬數百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由于其三個導帶谷對的位移所造成不同遷移率的導帶谷間的載子重新分布，進而使得電子在不同流動方向上的遷移率發生改變。其次是由于來自與導帶谷形狀改變相關的等效質量（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（稱為零位），當傳感器受壓后芯片電阻發生變化，電橋將失去平衡。若給電橋加一個恒定電流或電壓電源，電橋將輸出與壓力對應的電壓信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉換成壓力信號輸出。電橋檢測出電阻值的變化，經過放大后，再經過電壓電流的轉換，變換成相應的電流信號，該電流信號通過非線性校正環路的補償，即產生了輸入電壓成線性對應關系的4～20mA的標準輸出信號。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償措施使其零點漂移、靈敏度、線性度、穩定性等技術指標保持較高水平。

三、梅花觸指壓緊彈簧力學性能測試裝置

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

開關柜梅花觸指結構如圖1，基于壓阻效應設計開發彈簧力學性能測試裝置如圖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，傳感器上設置圓弧狀補償塊，形成測試工裝，將測試工裝插入被測開關動觸頭中。測量靜觸頭接觸點直徑，利用對稱補償塊將測點對邊尺寸補償到實測尺寸，補償后的尺寸不小于實測尺寸，使傳感器與觸指最內部位接觸，加載具備加熱和溫控的密封裝置，分別測量環境溫度、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。

四、結束語

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性能測量裝置實現模擬不同工況下梅花觸指壓緊彈簧的力學性能測試，可以在檢修過程中實現觸指彈簧整體或局部失效評價，減少發熱故障，提高開關柜可靠性。

通過在不同溫度下對開關柜梅花觸指彈簧壓力進行測量，比對不同開關之間壓力值的差異，評價彈簧壓緊性能狀態，進而進行提前性預防。通過有效評估開關柜觸指彈簧狀態，及時發現并處理各種隱患和缺陷、減少故障及其重復性發生的機會，對保障主變以及變電站的安全可靠運行具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]蔣平，李晶高壓隔離開關觸指壓力的測試[J].四川電力技術， 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，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，國網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，國網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，國網河南省電力公司開封供電公司