弹簧触指在手车断路器中的应用

王军委，杨孟超，杨锌军，李松夏

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

梅花触头是多触点、小压力的电气连接装置，其通流能力与触点压力有密切关系[1]。通常情况下，梅花触头常用圆柱形螺旋拉簧头尾相接绕成圆形，套在触片外侧。这种弹簧体积较大，不利于开关设备的小型化[2]。因此，研制一种具有结构紧凑、接触可靠、通流能力强等优点[3-4]的触头装置，是高压电器小型化[5]趋势的需求。

目前，KYN28A-12和KYN61-40.5开关柜的断路器都是采用梅花触头的形式，主要包括簇拥在一起的多个触片以及套设在触片外侧的弹簧。由于触片与触头接触时啮合力较大，2 500 A及以上规格断路器爬坡问题严重，严重影响客户操作感受。相对于梅花触头的此类问题，由铬锆铜丝绕制的弹簧触指有其独特优点[6-7]：①结构简单，易操作，成本低；②接触点多，导电性能好、电动及热稳定性高；③每个接触点的接触压力不高，动静触头啮合力小，使用寿命长；④压缩变形量大，对机械加工精度要求不高。基于弹簧触指的优点来改变手车断路器的触头结构，采用弹簧触指技术来改善爬坡现象。

1 手车断路器爬坡原因及解决措施

1.1 原因分析

在工程应用中，断路器与静触头啮合或分离过程中发生手车爬坡和退坡现象（额定电流≥2 500 A时现象比较明显），如图1所示，主要是由于在啮合和退出瞬间因受到断路器梅花触头与静触头之间啮合力的力矩和反向推力作用造成的。

图1 进车全过程动静触头受力示意图

啮合力的大小对手车断路器爬坡问题的影响如图2所示。由于触片上装箍紧弹簧的沟槽与触片和触头接触线的中心不一致，造成箍紧弹簧与动/静触头表面的相对距离δ随着触片的转动而变化。箍紧弹簧对每个触片的压紧力Fj由式（1）决定[8]：

其中，K为箍紧弹簧的刚度；A为与箍紧弹簧的自由长度和沟槽中心圆直径有关的参数；n为触片的总数。

电接触部位的接触表面电阻Ej，由式（2）决定：

其中，Kc为与材料和接触表面状况有关的系数；m为与接触形式有关的系数，点接触为0.5，线接触为0.7，面接触为1。

从式（1）和式（2）可以得出：当接触形式一定时，增加接触点的压力Fj可以减小接触电阻。但是，触点压力大，手车断路器在推进过程中不仅会产生较大的摩擦阻力使机构出现爬坡现象，还会在运动过程中对静触头表面刮擦出划痕，影响触片表面的导电性能。

图2 梅花触头受力示意图

1.2 解决措施

（1）更改动触头结构，在满足载流量要求的情况下减小啮合力值，即动触头由梅花触头改为弹簧触指；

（2）减小底盘车丝杠螺距，降低摇进摇出速度，即将丝杠螺纹圈数由22圈改为31圈；

（3）提高断路器与柜体的配合精度，即断路器导轨采用不锈钢导轨，提高导轨强度，减少导轨变形量。

1.3 方案实施过程

基于上述因素的分析，对手车断路器的触头装置结合触指簧的性能进行改进，使其满足工程实际需要。如图3和图4所示，包括静触头（1）、新型触头（2）、触臂（3）、散热架（4）、操作机构（5）、固封极柱（6）、活门推板（7）、底盘手车（8）；所述固封极柱（6）的下端通过活门推板（7）安装在底盘手车（8）上；所述触臂（3）安装在固封极柱（6）上，且远离操作面一侧；触臂（3）端部安装有新型触头（2），新型触头（2）与触臂（3）之间通过弹簧触指连接，且触臂与触头之间还装有均匀分布的定位销；静触头（1）与新型触头（2）对应设置，也通过弹簧触指连接；触臂分为上下两排分别与固封极柱上下导电端子连接，其中新型触头（2）与触臂（3）之间的连接如图4所示。在新型触头（2）上安装3个均匀分布的定位螺钉（9），定位螺钉沿着触臂（3）的半圆型沟槽做圆周运动以及在一定角度范围内的上下左右摆动；弹簧触指（13）安装在新型触头（2）的沟槽内，触臂（3）上安装有2个限位螺钉（10），限制新型触头（2）的旋转角度，3个半圆头导杆（11）和压簧（12）用来调节新型触头（2）与触臂（3）之间的同心度；同时，更改底盘手车（8）的螺纹丝杠的螺距及断路器的导轨材质，提高柜体加工精度。

静触头（1）与本文着重介绍的新型触头（2）插接配合时，静触头（1）只需要克服弹簧触指（13）的弹力进入到插接腔中。弹簧触指（13）为现有技术中常用的导电连接件，其啮合力较小，约为梅花触头啮合力的1/2。手车断路器（5）在合闸时会受到更小的阻力，能够有效改善“爬坡”现象。

图3 改善后手车断路器结构示意图

图4 改善后触头装置结构示意图

2 试验验证

2.1 动静触头配合力量测试

单只梅花触头和装有弹簧触指的触头分别与静触头配合，测量手车在推进过程中所受的峰值力和滑动摩擦力。测试结果如图5所示，使用弹簧触指后配合的峰值力有明显减小，滑动摩擦力也有所减小。

2.2 配合开关柜进出车力矩测试试验

手车断路器动触头分别采用梅花触头和弹簧触指结构进行配合开关柜进出车试验，使用扭矩扳手测量进柜力矩；配弹簧触指结构的手车断路器更换底盘车后，再次测试进柜力矩。试验结果如图6所示。进柜时，装配有弹簧触指结构的手车断路器进柜力矩相比梅花触头结构的断路器明显减少，爬坡现象不明显；手车退出时均有回落现象，但是装配有弹簧触指结构的手车断路器回落现象明显较轻。配弹簧触指结构的手车断路器使用小导程丝杠后再试验，进退手车力矩进一步减小，但回落现象无明显改善。

2.3 配合开关柜温升测试试验

GB1984《高压交流断路器》中明确规定，温升试验是高压交流断路器强制性型式试验项目之一，目的是通过实际的模拟试验，长期给断路器通1.1倍额定电流，直至温升值稳定。分别对两种配套弹簧触指和梅花触头的断路器进行回路电阻测试和温升试验，以验证设计方案的可行性。

动触头更换成弹簧触指结构后，回路电阻有所降低，单只触指簧约减少1.5 μΩ电阻，单相（含静触头接触点、触臂接触点）约减少6 μΩ，整个回路电阻减少约18%。分别对装配梅花触头和弹簧触指的断路器进行温升试验，试验结果如图7所示。

3 结 论

本研究在公司通过样机试制进行了大量试验，通过最后的试验数据分析得出如下结论：

（1）手车断路器动触头更换成弹簧触指结构后能有效减小与静触头的配合力值，进车力矩减小约50%，爬坡现象基本消失，达到了预期目标；

（2）手车断路器更换成小螺距丝杠可以进一步减小进车力矩，达到了设计目的；试验显示，螺纹丝杠与进车力矩有明显关联，但与退车掉刀现象关系不大；

（3）相同条件下，手车断路器采用弹簧触指结构，柜内大部分位置温升相较于梅花触头略低。

图5 两种触头形式配合力值对比

图6 梅花触头和弹簧触指在配柜时进/出车力矩

图7 梅花触头与弹簧触指温升对比