李爱锋

（保定和易法电气科技有限公司 河北省保定市 071051）

1 项目背景及目标

高压开关柜作为发电厂、变电站中的重要设备，长期在高电压、大电流下运行，且多为封闭式结构，结果容易造成设备损坏和用户停电的重大事故。保证高压开关柜的触头稳定是重中之重。本项目主要目标即研制开发一种具有发明专利技术的产品——高压开关柜触头压力测量仪，同时研制一种高效的高压开关柜触头拆卸工具以及编制一套高压开关柜触头压力检测标准。高压开关柜触头压力测量仪将用于开关柜梅花触头接触压力的测量。该仪器具有测量直观，科学准确，操作简便快捷等优点。用以解决实际生产中只能对单个紧固弹簧进行力学检测，而不能对装配后的触头进行检测的难点。针对运行中的弹簧也可以开展检测，该方法及设备简单易用，解决了变电检修中高压开关柜触头质量监督检测的难题。

2 国内研究水平综述

国内高压开关柜是五六十年代由国外引进来的，前期主要仿苏联，近些年主要仿制欧美的开关柜，其检测设备一直由厂家提供或仿制。对于当前国内对本项目的研究现状，国内开关柜均没有检测开关柜一次触头夹紧力。国内企业在最近两年才开始开关柜头压力测试仪的研发，但是大部分基于液压或机械式原理，操作复杂，现场测量实用性较差。

3 项目成果对电网现状和技术发展的作用

（1）高压开关柜触头压力测试仪的研制成功，将会为高压开关柜现场触头压力检测提供有效的技术手段，使定期现场触头压力检测成为保障供电可靠性的一个重要手段。

（2）本项目高压开关柜梅花触头拆装工具的成功研发，可以方便快捷地拆卸及安装梅花触头，使单个触头拆换时间大大缩短，提高拆装梅花触头的工作效率，且不损伤触指、弹簧及导电槽，大大减少停电检修时间，有效提高供电可靠性。

（3）统一高压开关柜触头检测标准，使制造、采购、检测标准一致。借此生产厂家、采购单位、使用单位将会有统一的、完整的检测体系。

（4）测量高压开关柜触头压力可作为电力部门选择梅花触头和高压开关柜供应商的一个重要指标。

4 项目原理

高压开关柜触头压力测试仪主要由压力传感头、输出放大电路、液晶显示模块、打印机模块等几部分组成（其系统结构示意图如图1 所示）。压力测量仪的关键部件是压力传感头，它由桥架、基座和超小型压力应变片等组成。

图1：高压开关柜触头压力测试仪结构示意图

图2：压力传感器探头结构图

图3

选择与触臂外径相同的传感头，把压力传感头插到被测的梅花触头中。在触头压力的作用下，其触头压力应变片就产生电信号。电信号经输出放大电路放大，滤波电路滤波后，由采样电路进行采样，然后经过A/D 转换后送给中央处理单元。中央处理单元进行分析计算后，在液晶显示模块上立即显示出压力读数，同时根据配置参数决定是否存储当前测量数据，达到了即插即显示的效果。

压力传感器探头（如图2）采用一个基于压阻式的压力传感器的基础装置，在受到外部压力作用下，由电阻应变片组成的文氏电桥压力传感电路产生电信号。压力传感器内部带有调节、输出放大信号电路，对输入的压力产生一个正比例的电流、电压标准输出信号，传递给中央处理器单元。

5 项目研究内容的实践依据

触头发热与负载电流、触头接触电阻、接触压力关系：

5.1 接触电阻的产生分析

（1）收缩电阻：接触处的表面总是凹凸不平的，如图3 所示，只有若干小的突起部分相接触。当电流通过实际接触面积时，电流只从接触点上通过，在这些接触点附近，迫使电流线发生收缩。由于有效接触面积小于视在接触面积，由此产生的附加电阻称为收缩电阻。

（2）表面膜电阻：表面膜电阻是由金属的氧化物、落在触头的接触表面上的灰尘、污物、夹在接触面间的油膜、水膜等形成的一层导电性很差的薄膜，由此而形成的附加电阻，薄膜的厚度越大，电阻也会越大。

由于膜电阻难于计算，故接触电阻可用经验公式计算，即：

其中，

Rc：触头接触电阻（Ω）；

F：接触压力（N）；

m：与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取0.5、0.7、1（也有线接触取0.75，高压力时的面接触取0.8 ～0.95），详见《低压电器设计手册》。

Kc：与接触材料、表面情况、接触形式等有关的系数，通常由实验得出，由《低压电器设计手册》查处结果见表1。

由于触头表面的氧化对K 值的影响很大，所以接触电阻的计算实际上是一个很复杂的问题。常采用测量接触压降的方法来对隔离开关实际检测中的接触电阻值进行实测。在一定电流通过时，触头电接触处的电压降为接触压降，即：

式中：

Uj——接触电压降（V）；

I——通过触头电接触处的电流（A）；

Rj——接触电阻（Ω）。

5.2 接触电阻影响因素的设计考虑

接触压力、触头材料以及温度等是设计中需要考虑的接触电阻影响因素。

（1）接触压力：一定的压力范围内接触电阻值是随外施压力F 的增大而减小的。压力增大，变形增加，有效接触面也增加收缩电阻减小。由于材料的弹性变形有一定限度，当压力达到一定值后，收缩电阻几乎不变但不可能完全消除。压力增大到一定程度后，膜电阻稳定在一个较小的数值，这个压力值就是触头终压力。

（2）触头材料：触头材料的性质直接影响接触电阻的大小。这些材料的性质包括电阻系数、材料的机械强度和硬度、材料的化学性能等。

材料的抗压强度越小，在同样接触压力下得到的实际接触面积就越大，接触电阻就越小。由于触头本身需要一定的机械强度，因此常在接触连接处，用较软的金属覆盖在硬金属上，以获得较好的性能，例如铜触头搪锡等。

（3）触头温度：与触头本身的金属电阻一样，它的接触电阻也会受温度的影响，在触头温度升高的同时接触电阻也会增加。

由试验得知，理想状态下，接触电阻与温度之间的关系式为：

式中：

Rj0——触头在0时的接触电阻（Ω）；

α0——触头材料的电阻温度系数（1/ ）；

θ——触头的温度（ ）。

材料硬度会在接触处的温度升高后有所降低，因而有效接触面积增大。以致在温度增加时，金属材料电阻的增加会超过接触电阻的增加，这种差别就用它们电阻系数的不同来表示。

表1

6 项目研究难点及解决方案

6.1 测试仪压力触头的研发

测试仪触头要求能够适用于多种型号的梅花触头，且要求高精度、高耐磨，使用方便、维护简单等特点。

拟解决方法：针对梅花触头的多规格，压力触头做成系列触头，其规格和梅花触头一致，测试时采用更换触头的方法满足不同规格梅花触头的需求。压力传感器采用压阻式压力传感器原理，满足高精度的要求。

6.2 高压开关柜触头压力标准

制定不同型号规格触头的压力检测标准是本项目研发的难点之一。

拟解决办法：通过数学建模和理论仿真，推导出不同型号规格触头的压力值，然后再通过高压开关柜触头压力测试仪进行大量现场测试，通过大数据分析技术，生成不同型号规格的触头压力值表。

6.3 梅花触头模拟测试试验

本项目的难点是如何通过模拟测试能够正确得到不同型号梅花触头的失效压力门槛值。

拟解决办法：

测试设备：购买具有代表意义的高压手车，回路电阻测试仪一台（具有资质机构的检验报告），压力测试仪一台以及全系列的梅花触头作为测试材料。

测试方法：将要测试的梅花触头安装在手车上，通过回路电阻测试仪给主回路注入额定电流，然后逐渐调整触头弹簧压力，直到回路电阻超过标准值，测试当前压力并记录。按此方法逐个测试各型号的梅花触头，并记录。

7 结束语

总而言之，随着国民经济的迅速发展，信息化、现代化的社会发展对电力系统供电可靠性的要求越来越高。高压开关柜作为电能分配调度重要的执行电气设备，增加检测其开关触头的稳定性，保证电力设备的安全运行，进而保障电力系统安全，具有重要意义。