高压隔离开关触指压力测试仪的研制

黄晓波 董 敏 翁海涛 杨 雨 申淑梅

（国网浙江省电力有限公司瑞安市供电公司，浙江 温州 325205）

0 引言

高压隔离开关是电力系统中应用范围最广的开关设备，触指和触头属可动接触，为触指和触头接触提供压力的弹簧，常因锈蚀和电流发热而退火，导致弹力下降或失效，进一步导致接触部分产生接触不良[1-2]。但是在电力系统检修中，对隔离开关触指压力的检修缺乏标准的依据和相关检测设备，大多是凭借以往的经验，比如根据工人的观察或者基于统计数据得到的一定时间对设备进行更换等[3]。因此，研究高压隔离开关触指压力检测技术对于确保高压隔离开关正常工作，保证电力系统安全、稳定运行意义重大。

为了改善高压隔离开关触指和触头性能，文献[4-5]提出了多种改善触头材料特性的方法。高压隔离开关触指压力的传统检测方法主要有人工经验法、弹簧秤拉伸法等。人工经验法最简单也最直接，主要依靠检修人员的经验来估计接触压力的大小。弹簧秤拉伸法是将弹簧秤的一端固定在隔离开关的触指端，然后用力拉伸弹簧秤直到隔离开关的触头和触指之间刚刚出现缝隙，此时弹簧秤的示数即为触指压力。弹簧秤是电力系统检修规程中推荐的测量触指压力的测力工具，但在实际检修工作中，用弹簧秤检测触指压力方便性和安全性较差，并不能适应高压隔离开关触指压力检测的需要。

基于以上情况，文献[6]针对高压隔离开关安装过程中触指压力的检测需求，提出了一种实时连续测力的新型触头，推导了触头受力和触指变形之间的关系。文献[7]提出模拟触头法检测高压隔离开关触指压力，即将模拟触头插入到隔离开关触指触头实际接触部分，触指压力传递到模拟触头尾端的传感器中，以此测出触指压力。文献[8]也采用模拟隔离触头法，将柔性薄膜式压力传感器装于触头上，以此检测出隔离开关的触指压力。同时文献[9]采用模拟触头测试法研制了触指压力测试仪，为测量触指压力提供了一种简便、有效的测量手段。另一方面，文献[10]提出了基于Flexiforce薄膜压力传感器的高压隔离开关触指压力测试仪方案，但在实际制作和测试中发现Flexiforce薄膜压力传感器量程较小，压力过大很容易将Flexiforce传感器压坏。

本文在上述文献基础上，提出了一种基于应变式称重传感器的触指压力测试仪，给出了总体结构、硬件电路和软件设计方案，并完成了装置的加工和装配。最后对传感器进行了标定实验和实际的测量实验，结果表明高压隔离开关触指压力测试仪测量精准、使用方便、实用性强。

1 高压隔离开关及其触指结构

如图1所示，高压隔离开关触指采用外压板簧触头结构，因触指长期使用，由于疲劳和腐蚀等原因刚性降低，使得触指压力降低从而发生过热熔焊的现象。因此对隔离开关触指压力进行检测十分必要。

图1 高压隔离开关触头触指接触部分

2 测试仪总体结构

基于应变式称重传感器的高压隔离开关触指压力测试仪整体结构如图2所示，包括模拟触头测量部分、连接手柄、信号线和显示器四部分。其中模拟触头测量部分包括应变式称重传感器1、模拟触头板2、垫片3。信号线5从传感器1中引出，外接至显示装置6。

图2 触指压力测试仪整体结构

实际测量时，将高压隔离开关触指压力检测仪模拟触头部分插入到隔离开关触头实际合闸位置，隔离开关的触指压力通过模拟触头传递到传感器中，信号线将传感器的变化传递到测量显示器显示压力值。

3 电路结构及软件结构

3.1 硬件设计

高压隔离开关触指压力测试仪的基本功能是通过应变式称重传感器采集压力信号，采集到的信号通过HX711 A/D转换芯片将数字信号传递到STM32F103处理器处理，压力值最终显示在LCD12864型液晶显示器。

（1）电源设计。

本设计采用独立电源设计，从而减少了对输出信号的干扰。在整个系统中，STM32F103系统是3.3 V电压的系统，HX711芯片、LCD液晶显示模块、指示灯模块需要+5 V电源。两种电源电路如图3、图4所示。

图3 +5 V电源电路图

图4 +3 V电源电路图

（2）人机交互设计。

人机交互电路：包括五部分——硬件复位电路、按键输入电路、LED状态信号电路、串口电路、并口液晶屏接口电路。

硬件复位电路：用户在系统崩溃时，可以进行一键复位，使系统恢复正常运行。

按键输入电路：本系统设置了按键输入电路，电路中有三个按键，用户可以通过按键向系统发送各种指令并置入一些必要的数据。通过按键，用户可以选择功能、标定传感器、测量触指压力等。

LED状态信号电路：本系统设计了5个LED输出显示接口电路，其中一个为电源指示灯，其余的为程序状态灯，在软件的开发与调试过程中可被用于判断程序是否正常运行。

串口电路：本系统采用四线接口的方式，利用USB转串口设备进行通信。串口电路采用UART协议。该电路可以将PC机上编译好的程序下载到本系统中，还可以和上位机的串口调试工具或串口程序进行通信。

并口液晶屏接口电路：并口液晶屏的最大优点是响应速度快，画面更新及时，缺点是需要更多的接口连线。并口液晶屏的接口包含一个8位的数据总线和若干控制信号连线。

3.2 软件结构

高压隔离开关触指压力测试仪的系统总体流程图如图5所示。一般来说，应该先进行归零处理，标定模块在系统做好时，已经标定好，只有在多次使用后，当传感器示数不太准确时，才需进入该部分，进行重新标定。系统大部分时间都处于测量状态。

图5 高压隔离开关触指压力测试仪软件流程图

4 标定与测量实验

4.1 主要技术参数

高压隔离开关触指压力检测装置主要技术参数如下：

工作环境：-20～40 ℃，≤80%RH；

电源电压：AC220×（1±10%）V，50×（1±10%）Hz；

机内锂电池功率：≤20 W；

测量范围：≤900 N，误差≤1%；

适用范围：适用于GW4、GW5型高压隔离开关；

内置锂电池，电源工作时间：≥6 h。

4.2 标定实验

首先通过夹具将高压隔离开关触指压力测试仪实际测量部分装夹在SANS万能试验机上，如图6所示，然后对测量部分施加一恒定持续的力，记录标准值和测量AD值，反复进行10次，所得数据如表1所示。

表1 标准值与测量AD值数据

图6 标定实验

标准压力值（weight）与测量AD值（val）之间的关系为：

将此公式输入到内核系统的计算任务输出程序中，完成传感器的标定。

标定程序设计流程图如图7所示。

图7 标定程序设计流程框图

4.3 测量实验

用高压隔离开关触指压力测试仪对刚出厂的GW4型高压隔离开关触指进行检测，如图8所示，得到准确的隔离开关触指压力。GW4型高压隔离开关出厂要求触指压力为（300±30）N，此次测量得到的触指压力为310 N，满足隔离开关触指出厂要求。

图8 触指压力测试仪测量实验

5 结论

本文从供电公司对隔离开关检修遇到的实际问题出发，研制了一种基于应变式称重传感器的高压隔离开关触指压力测试仪。该装置包括模拟触头测量部分、手持部分、数据处理显示部分，并完成了传感器的标定实验和实际的测量实验。实际测量时只需将测量部分按照实际安装状况插入到隔离开关触指中，即可得到高压隔离开关触指对触头的夹紧力。测试结果表明，高压隔离开关触指压力测试仪测量精准、使用方便，有较好的实用价值和应用前景。