梅花触指压力测试仪的研制

吕晨生，孙堂彬，李洪涛，王利萍，王斌，曲芳

（1.新乡供电公司；2.河南科技学院，河南 新乡 453000）

高压开关柜被广泛应用于电力系统,作为接受和分配电能之用，其安全、可靠运行对电力系统具有十分重要的意义。梅花触头作为高压开关柜手车断路器与柜体的连接，具有接触点多、导电性好、接触电阻小等特点。手车断路器在长期运行过程中,因梅花触头的弹簧老化、氧化等因素造成的触指压力降低,导致主回路的接触电阻增大,从而引发触头发热,发热引起的接触面氧化会进一步增大接触电阻,由此形成的恶性循环在严重时会发生触头熔焊,引发事故。随着柜内小车断路器触头发热而导致的故障、事故增多的问题,研制一种简单、方便操作的触指咬合力检测装置实为必要。

1 压力测试仪的原理

1.1 压力测试对象

KYN系列开关柜是变电站装载数量最多的高压开关柜，可配置VD4、VS1型多种断路器，断路器的动触头采用梅花触头的结构，梅花触头的直径和断路器的额定电流有关，对应关系如表1所示，由于VD4、VS1型手车断路器的触指结构相同，区别仅在于对应触指开口的直径不同。根据这一特点，为此研制开发了直径可调式梅花触指压力测试仪。

表1 对应关系表

1.2 测试原理

梅花触指压力测试仪分为模拟静触头、数据处理和显示的两大模块组成，触头模型根据测试触指类型要求，设计成直径可调节的形式。数据处理和显示模块嵌在压力测试仪手柄内，对触头模型采集的数据加以处理并显示。

测试仪的测试原理如图1所示。1为手车断路器梅花触指，2为测试仪模拟触头模具，模具内置了接触式压力传感器。压力测试时，将模拟触头2插入到梅花触指1中，梅花触指1的压力值将由传感器采集并通过AD转换模块将模拟信号转换成数字信号，经过控制器完成压力折算，通过数据显示模块将压力值进行显示。

图1 测试仪的测试原理

2 压力测试仪的结构设计

2.1 硬件结构

利用solidworks平台构建压力测试仪3D模型，如图2所示。

图2 压力测试仪3D模型

压力测试仪的模拟静触头采用伞型瓣状结构，通过调节内部锥状支撑件5控制伞结构2的张开角度，同时调节反方向螺栓7控制瓣状静触头1保持圆柱形。调节螺栓3、7与锥状支撑件5，采用凸圆球和球型凹槽连接，静触头1与伞状结构2采用活动连接，静触头1与伞状连接件6同样采用活动连接，测试梅花触指压力时将前端瓣状静触头1的直径调节至断路器静触头的直径大小，插入梅花触指中，压力传感器将检测到的压力传输到数据处理和显示模块中。

压力传感器采用压阻效应型柔性薄膜式传感器嵌入静触头中，如图 所示，传感器3黏贴在模拟静触头l的凹槽中，凹槽采用活动凸台2填充，在进行压力测试时，凸台将受到的压力传递到柔性薄膜式压力传感器3上，由数据转换模块提取压力数值。

图3 压力传感器模块示意图

此压力测试仪主要有以下几个技术特点和优势：

（1）压力测试仪采用柔性薄膜式压阻效应型传感器，传感器的电阻变化与被测压力具有高度的线性关系，测量精度高。该传感器属于薄片式感测元件，且具有可挠性，对静触头的机械设计提供了方便，此外柔性薄膜式传感器具有功耗低和驱动电压低的特点，方便压力测试仪的小型化设计。

（2）压力测量部分设计成与实际静触头形状相同的圆柱形，并且能够实现可调节直径的功能，以满足不同规格梅花触头的压力测试。将测试仪压力测量部分设计为圆柱形结构，可以有效还原断路器静触头与梅花触头接触的效果，避免因模拟触指与触头的接触面积而对触指压力测量造成影响。

（3）在断路器的实际工作中，梅花触指与静触头的接触压力为正向压力，若压力测试时需经过拐臂或其它方向测量，必然存在一定的非线性误差，此外压力传递材质的形变和结构也会造成测量的误差。该测试仪的压力传递部分采用刚性材料，且各元件紧密配合、无预压间隙，压力传递过程中，各元件均无变形且正向传递压力，最大程度解决了测量误差的问题。

2.2 电路结构

该压力测试仪采用C8051单片机提供数据处理和运算功能，数据输出部分采用HSL2864图形点阵液晶显示器，传感器信号经过运算放大器放大后，通过A/D转换模块将模拟信号转换成为数字信号，并通过C8051单片机将数字值转换成为能在液晶显示器上显示的数据，进行显示。

3 结语

针对高压开关柜手车断路器检修的需要，采用梅花触指压力测试仪进行研究设计。提出了一种梅花触指压力测试仪的研制方案，该测试仪采用模拟静触头直径的可调节式结构，能够满足不同规格梅花触头的压力测试，完善了梅花触指的压力测试项目，填补了现有断路器状态监测方法的不完整性。

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