断路器手车梅花触头对接深度测量装置的研发

元宏峰

(国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江　绍兴312000)



断路器手车梅花触头对接深度测量装置的研发

元宏峰

(国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江绍兴312000)

手车式高压开关柜是10kV及35kV系统中的主要电气设备.随着绝缘材料的升级换代，手车式高压开关柜不断向小型化发展.但在手车实际操作和检修过程中，检修人员无法正面观察和测量手车与柜体触头的对接情况.为解决这个问题，根据断路器手车的结构特点，研制了断路器手车触头对接深度测量装置.该装置能在开关柜母线带电情况下精确测量断路器手车触头的对接深度.当达到并超过规程要求的最低对接深度时，该装置将发出指示信号.不仅确保断路器手车工作位置的可靠对接，并且可大大提高检修效率和供电的可靠性.

断路器手车，梅花触头，对接深度

0　引言

手车式高压开关柜是由封闭式钢板外壳和手车组成的高压成套装置.随着绝缘材料的升级，手车式开关柜不断向小型化发展，柜体外观整齐美观，结构紧凑，且具备可靠的电能接收、分配、保护、测量及五防闭锁等功能[1]，逐渐成为当前10kV及35kV系统中电气设备配置的主流.

随着现代社会经济的发展，对能源的巨大需求促进了电力工业的飞速发展，电网设备的数量呈指数式增长.手车式开关柜已成为电气设备中数量最多、检修工作量最大的设备[2].

1　断路器手车与柜体的电接触

两个零件通过机械连接方式相互接触以实现导电的功能称为电接触[3].断路器手车与柜体的电接触对设备的可靠运行至关重要.如果接触电阻偏大，在工作过程中就会发生严重损坏或因电弧而熔焊.影响接触电阻因素有金属材料性质，接触压力，还有接触形式.

构成电接触的金属材料的性质直接影响接触电阻的大小.这些性质有材料的电阻率ρ,材料的布氏硬度Hb，材料的化学性能以及金属化合物的机械强度与电阻率.理想材料要电阻率ρ小,硬度Hb小，高熔点，不易氧化，造价低[4].

接触形式可分为以下3种.

(1)点接触.一个球面与一个球面的接触，即两面接触于一点.是只在一个点或很小面积上发生接触形式.

(2)线接触.柱面与平面相接触，即两面接触于一线，是分布在狭长区域内的若干点接触.

(3)面接触.两平面相互接触，接触面是一个平面.

图1　接触电阻和压力关系

断路器手车与高压开关柜的电接触有专门用以完成可动电接触导体——梅花触头，如图2所示.

接触压力对于上述三种接触形式中，在小接触压力时，点接触的接触电阻最低，而在大压力时，面接触的接触电阻最低；在更大压力时，三种形式的接触电阻值大小接近相等.所以在点接触中，采用小压力作用下，接触电阻受压力变化影响较大.但压力达到一定值后，接触电阻受压力的变化影响甚微[5].如图1所示.特别是强电流触头，对表面接触电阻的影响，主要表现在每个触点上所受的压力.

图2　断路器手车梅花触头

梅花触头采用铜镀银材料，其电阻率ρ与硬度Hb都小;低温下不易氧化，高温下银的氧化物很容易还原成金属银;银的氧化物的电阻率也很低.具有较小的接触电阻.接触形式为点接触的方式，其接触电阻与触点压力有密切关系.它采用圆柱形螺旋弹簧首尾相连绕成圈，然后套在触指外侧，靠弹簧抱箍的变形来提供接触压力[6].

从上面的分析中我们可以看到，影响接触电阻的因素很多，要准确计算接触电阻是很困难的，通常采用经验公式(1)进行计算[7].

(1)

式中K—与接触材料、接触面积、表面加工情况相关系数，一般银与银接触为60；铜与铜接触为80～140；

F-接触压力；

m-取决于接触形式的指数；对于点接触m=0.5；线接触=0.75；高压力时的面接触m=0.8～0.95；

在长期工作中，电流流经电器的导电部分时，导电杆、触头等的温度都要升高.断路器手车的触头大多是用截面很大的紫铜镀银制成，导热性很好，因此触头部分的温度几乎相同，称为触头的本体温度Tb

在接触处由接触电阻产生的热损耗集中在很小范围内.这些热量只能通过传导向触头本体传热，因此接触点处的温度Tm要比触头本体温度Tb高[8].Tb与Tm之差称为接触点温升τj可由公式(2)所示：

(2)

式中L为洛仑兹常数，可由公式(3)所示：

(3)

T为本体的绝对温度，可由公式(4)所示：

T=Tb+273

(4)

从式中我们可以看出电接触在长期通过额定电流时，要想温升不超过一定数值，接触电阻要求稳定.当接触电阻增大时，接触点的温度将以接触电阻的平方增长.当接触点处导电状态的恶化破坏或在突然的短路电流作用下热效应剧增，接触处的温度就可能达到金属材料的软化点或熔点，使触头局部软化或熔化.如果熔化较厉害就会造成熔焊.熔焊严重时就有可能将触头焊在一起而无法自行分开.

因此，接触电阻的大小直接影响触头温度及工作可靠性，维护和操作良好的断路器，接触电阻不会变化太大.新加工的触头，表面氧化膜很薄，触头接触电阻较小.但经过长期工作后，触头表面与周围介质起化学作用，接触电阻会不断增加.为了保证触头工作可靠，在长期工作过程中，必须保证触头接触电阻长期稳定.为此，必须分析造成接触电阻不稳定的原因.

在实际使用和试验过程中，断路器手车梅花触头需要插入柜体静触头足够深度后，由于静触头径向尺寸比梅花动触头大，弹簧抱箍将变形而产生压力作用.确保手车和柜体的可靠接触[9].但是如果对接深度不足，则不会形成足够的接触压力，接触电阻将直线上升.直接威胁着设备的安全.

2　当前断路器手车检修中存在的问题

由于开关柜独特的结构设计，手车在实际操作和检修过程中，检修人员无法正面观察和测量手车与柜体触头的对接情况.在传统工艺中，在柜体静触头上涂凡士林来观察手车对接痕迹的方式，不仅需要大量的人力和工时，而且存在观测误差，如果对接痕迹不明显还要反复操作对位试验，一度成为制约检修工作效率的一大瓶紧[10].如果开关柜中母线带电运行，这种检修工艺就无法实施，使触头对接工作成为空白.如果手车插入深度不合格，在运行中将引起触头发热且不易被发现，严重时将烧毁整个手车柜，从而直接影响开关柜维护的整体工作效果.为解决上述问题，特研制了断路器手车梅花触头对接深度测量装置.为确保断路器手车与柜体的对接提供可靠依据.

3　装置的原理和实现思路

断路器手车梅花触头对接深度测量装置包含：方形外套、方形滑块、长度可调节撑杆、绝缘圆盘、行程开关、无线发送模块和无线接收模块.方形绝缘外套，固定在动触头臂内管中，外套内壁上有长度刻度；方形滑块，装于方形外套中，与方形外套口持平，滑块头部装有长度可调节撑杆，撑杆上装有绝缘圆盘，圆盘与动触头接触点持平，如图3所示.此装置部件均采用不饱合聚脂树脂绝缘材料，安装后开关手车的导电部分仍能在相间及对地间保持足够的安全距离，具有较高的可靠性.

当手车摇入，动触头接触并爬上静触头时，静触头推动圆盘及滑块向内运动.当动静触头接触符合最小距离要求时，方形滑块会顶开方形外套内的行程开关，发出无线信号.无线接收器接收到信号时指示灯点亮.动静触头继续向内运动直至到位.然后将手车摇出.拆除圆盘即可看到方形外套内侧的刻度，即方形滑块相对方形外套位移距离，也就是动静触头的深度.然后减去静触头倒角的长度，即为动静触头接触的有效深度.

1.断路器动触头；2.对接深度测量装置；3.柜体静触头图3　装置在断路器手车应用时的安装示意图

4　装置的安装及结构

4.1方形外套

该方形外套可内置于动触头臂的内管中，考虑制造厂家的不同，动触头臂内管孔大小有些差别.设计尺寸可略小于通用动触头臂管内切正方形大小.方形外套前后端侧面都有四个方向的带螺纹的孔洞，由内向外拧入顶部带有弹簧球头的螺纹柱塞，顶住动触头臂内管内壁.由于顶部带有弹簧压力，只要弹力调整适当，即可以固定方形外套的位置，又方便拆卸，确保测量的效率.

该方形外套前端有一个带螺纹的滑块定位孔洞如图4，由外向内拧入顶部带有弹簧球头的螺纹柱塞，给予方形滑块在方形外套滑动过程中一定的阻力，保证在手车摇进摇出的震动中，方形滑块不会轻易相对方形外套变位.而在动触头接触并爬上静触头时，滑块在静触头推动下又能可靠向内运动.该方形外套底部设有方形滑块水平推出的穿孔，起到方形滑块滑动导向作用.

1.方形外套；　2.方形滑块；　3.带有弹簧球头的螺纹柱塞；　4.带螺纹的滑块定位；　5.可调节撑杆；　6.绝缘圆盘；　7.行程开关.图4　装置结构组成示意图

方形外套一侧内壁有长度刻度尺，滑块在外套内运动的长度即为动静触头的插入深度.然后减去静触头倒角的长度，即为动静触头接触的有效深度.

4.2方形滑块

方形滑块装于方形外套内，并与方形外套口子持平，即在方形外套的零刻度上.在方形外套的前端有一个带螺纹的滑块定位弹簧，给予方形滑块滑动过程中一定的阻力，保证在手车摇进摇出的震动中，方形滑块不会轻易变位.滑块后部为台阶形，以容纳行程开关和无线接收模块，滑块向内滑动时能够顶开行程开关.

方形滑块头部可拧入长度可调节撑杆和绝缘圆盘，通过调节撑杆长度使圆盘与动触头接触点持平.

4.3行程开关

方形外套后端一侧面，顺长外套方向有一狭长的开槽，用于固定行程开关，此开槽可以调节行程开关相对位置.计算确定手车动静触头接触时最小深度(即标准规定的动触头爬上静触头倒角的有效深度+开关柜静触头倒角水平长度)，在装置安装前，将方形滑块向绝缘方形外套推入相同的深度.调整方形外套内的行程开关位置，使方形滑块此时刚好能触发行程开关动作.然后紧固行程开关.

4.4无线发送和接收模块

当行程开关动作，可触发无线发送模块发送无线信号.无线发送模块有6路输入端口，以备断路器手车6个不同触头使用.每个测量装置的无线发送模块可分别选用A1-A6端口，如图5，发送各自的无线信号.无线接收模块有对应接收的6个输出端口B1-B6，且互不干扰.当接收信号时，对应的端口应输出高电平并使LED亮，说明动静触头已接触到位.在无线触发回路还串入时间继电器，延时1分钟后切断无线触发回路.

图5　无线收发模块

将手车推入开关柜并摇入，当动静触头达到标准最小有效接触深度时，无线接收模块的6个指示灯亮.继续摇动至到位后摇出，拆除绝缘圆盘后即可看到方形外套内侧的刻度，取方形滑块相对方形外套位移距离，也就是动静触头的深度.然后减去静触头倒角的长度，即为动静触头接触的有效深度.

5　装置的应用效果

断路器手车触头对接深度测量装置的研制，可广泛应用于设备的安装调试、投产验收、集中检修等工作中.由于该装置采用全绝缘材料，安装后开关手车的导电部分仍能在相间及对地间保持足够的安全距离，具有较高的可靠性.即使母线带电的情况下仍能进行测量，填补了检修工作中触头对位的空白.而且只要装置调整到位，在同型号同批次高压开关柜测量中就能即插即用，批量测量和试验.通过无线装置能够更直观地显示对接深度情况，确保了验收和检查的质量.

6　结语

综上所述，断路器手车触头对接深度测量装置的研制显著提高测量的正确性和工作效率.不仅能及时发现和排除变电站开关柜手车插入深度不足的缺陷，保证了开关柜的正常运行，同时大大缩小停电范围，保证电网供电的可靠性，满足实际生产的需要，为电网安全运行作出了重要贡献.

[1]张涛.高压开关柜安装与检修[M].北京:中国电力出版社,2014.

[2]陈家斌.电气设备检修及试验[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[3]艾新法.10～35kV高压开关柜隐患和故障分析及预防[M].北京:中国电力出版社，2015.

[4]李建基.高压真空断路器及其应用[M].北京:中国电力出版社,2014.

[5]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社,2011.

[6]曹斌.断路器自力型主触头设计方法及应用[J].机电信息,2011(15):148.

[7]何百娜,徐建源.自力型触头的设计与计算[J].高电压技术,2008,34(4):828-830.

[8]陈国栋.10kV小车式封闭开关柜内接头发热原因分析及预防[J].科技创新报,2008(28):69-70.

[9]方煜英.关于梅花触头的设计要领[J].华通技术,2005,24(2):38-40.

[10]刘英.高压电器产品中各类触头形式的优劣对比[J].高压电器,2004,40(4):298-299.

(责任编辑王海雷)

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,浙江绍兴人，工程师，主要从事变电检修工作.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.08.06

TM561

A

1008-293X(2016)08-0031-04