1 項(xiàng)目背景及目標(biāo)
高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要設(shè)備，長期在高電壓、大電流下運(yùn)行，且多為封閉式結(jié)構(gòu)，結(jié)果容易造成設(shè)備損壞和用戶停電的重大事故。保證高壓開關(guān)柜的觸頭穩(wěn)定是重中之重。本項(xiàng)目主要目標(biāo)即研制開發(fā)一種具有發(fā)明**技術(shù)的產(chǎn)品——高壓開關(guān)柜觸頭壓力測(cè)量儀，同時(shí)研制一種高效的高壓開關(guān)柜觸頭拆卸工具以及編制一套高壓開關(guān)柜觸頭壓力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。高壓開關(guān)柜觸頭壓力測(cè)量儀將用于開關(guān)柜梅花觸頭接觸壓力的測(cè)量。該儀器具有測(cè)量直觀，科學(xué)準(zhǔn)確，操作簡便快捷等優(yōu)點(diǎn)。用以解決實(shí)際生產(chǎn)中只能對(duì)單個(gè)緊固彈簧進(jìn)行力學(xué)檢測(cè)，而不能對(duì)裝配后的觸頭進(jìn)行檢測(cè)的難點(diǎn)。
針對(duì)運(yùn)行中的彈簧也可以開展檢測(cè)，該方法及設(shè)備簡單易用，解決了變電檢修中高壓開關(guān)柜觸頭質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)的難題。
2 國內(nèi)研究水平綜述
國內(nèi)高壓開關(guān)柜是五六十年代由國外引進(jìn)來的，前期主要仿蘇聯(lián)，近些年主要仿制歐美的開關(guān)柜，其檢測(cè)設(shè)備一直由廠家提供或仿制。對(duì)于當(dāng)前國內(nèi)對(duì)本項(xiàng)目的研究現(xiàn)狀，國內(nèi)開關(guān)柜均沒有檢測(cè)開關(guān)柜一次觸頭夾緊力。國內(nèi)企業(yè)在*近兩年才開始開關(guān)柜頭壓力測(cè)試儀的研發(fā)，但是大部分基于液壓或機(jī)械式原理，操作復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)用性較差。
3 項(xiàng)目成果對(duì)電網(wǎng)現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展的作用
（1）高壓開關(guān)柜觸頭壓力測(cè)試儀的研制成功，將會(huì)為高壓開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)觸頭壓力檢測(cè)提供有效的技術(shù)手段，使定期現(xiàn)場(chǎng)觸頭壓力檢測(cè)成為保障供電可靠性的一個(gè)重要手段。
（2）本項(xiàng)目高壓開關(guān)柜梅花觸頭拆裝工具的成功研發(fā)，可以方便快捷地拆卸及安裝梅花觸頭，使單個(gè)觸頭拆換時(shí)間大大縮短，提高拆裝梅花觸頭的工作效率，且不損傷觸指、彈簧及導(dǎo)電槽，大大減少停電檢修時(shí)間，有效提高供電可靠性。
（3）統(tǒng)一高壓開關(guān)柜觸頭檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，使制造、采購、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一致。借此生產(chǎn)廠家、采購單位、使用單位將會(huì)有統(tǒng)一的、完整的檢測(cè)體系。
（4）測(cè)量高壓開關(guān)柜觸頭壓力可作為電力部門選擇梅花觸頭和高壓開關(guān)柜供應(yīng)商的一個(gè)重要指標(biāo)。
4 項(xiàng)目原理
高壓開關(guān)柜觸頭壓力測(cè)試儀主要由壓力傳感頭、輸出放大電路、液晶顯示模塊、打印機(jī)模塊等幾部分組成（其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示）。壓力測(cè)量儀的關(guān)鍵部件是壓力傳感頭，它由橋架、基座和超小型壓力應(yīng)變片等組成。
選擇與觸臂外徑相同的傳感頭，把壓力傳感頭插到被測(cè)的梅花觸頭中。在觸頭壓力的作用下，其觸頭壓力應(yīng)變片就產(chǎn)生電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)輸出放大電路放大，濾波電路濾波后，由采樣電路進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后送給中央處理單元。中央處理單元進(jìn)行分析計(jì)算后，在液晶顯示模塊上立即顯示出壓力讀數(shù)，同時(shí)根據(jù)配置參數(shù)決定是否存儲(chǔ)當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)，達(dá)到了即插即顯示的效果。
壓力傳感器探頭（如圖 2）采用一個(gè)基于壓阻式的壓力傳感器的基礎(chǔ)裝置，在受到外部壓力作用下，由電阻應(yīng)變片組成的文氏電橋壓力傳感電路產(chǎn)生電信號(hào)。壓力傳感器內(nèi)部帶有調(diào)節(jié)、輸出放大信號(hào)電路，對(duì)輸入的壓力產(chǎn)生一個(gè)正比例的電流、電壓標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，傳遞給中央處理器單元。
5 項(xiàng)目研究內(nèi)容的實(shí)踐依據(jù)
觸頭發(fā)熱與負(fù)載電流、觸頭接觸電阻、接觸壓力關(guān)系：
5.1 接觸電阻的產(chǎn)生分析
（1）收縮電阻：接觸處的表面總是凹凸不平的，如圖 3 所示，只有若干小的突起部分相接觸。當(dāng)電流通過實(shí)際接觸面積時(shí)，電流只從接觸點(diǎn)上通過，在這些接觸點(diǎn)附近，迫使電流線發(fā)生收縮。由于有效接觸面積小于視在接觸面積，由此產(chǎn)生的附加電阻稱為收縮電阻。
（2）表面膜電阻：表面膜電阻是由金屬的氧化物、落在觸頭的接觸表面上的灰塵、污物、夾在接觸面間的油膜、水膜等形成的一層導(dǎo)電性很差的薄膜，由此而形成的附加電阻，薄膜的厚度越大，電阻也會(huì)越大。
由于膜電阻難于計(jì)算，故接觸電阻可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即：
Rc=Kc÷(0.102F)m[μΩ]
其中，
Rc：觸頭接觸電阻（Ω）；
F：接觸壓力（N）；
m：與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，對(duì)點(diǎn)、線、面接觸，分別取 0.5、0.7、
1（也有線接觸取 0.75，高壓力時(shí)的面接觸取 0.8 ～ 0.95），詳見《低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè)》。
Kc：與接觸材料、表面情況、接觸形式等有關(guān)的系數(shù)，通常由實(shí)驗(yàn)得出，由《低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè)》查處結(jié)果見表 1。
由于觸頭表面的氧化對(duì) K 值的影響很大，所以接觸電阻的計(jì)算實(shí)際上是一個(gè)很復(fù)雜的問題。常采用測(cè)量接觸壓降的方法來對(duì)隔離開關(guān)實(shí)際檢測(cè)中的接觸電阻值進(jìn)行實(shí)測(cè)。在一定電流通過時(shí)，觸頭電接觸處的電壓降為接觸壓降，即：
Uj=IRj式中：
Uj——接觸電壓降（V）；I ——通過觸頭電接觸處的電流（A）；Rj——接觸電阻（Ω）。
5.2 接觸電阻影響因素的設(shè)計(jì)考慮
接觸壓力、觸頭材料以及溫度等是設(shè)計(jì)中需要考慮的接觸電阻影響因素。
（1）接觸壓力：一定的壓力范圍內(nèi)接觸電阻值是隨外施壓力F 的增大而減小的。壓力增大，變形增加，有效接觸面也增加收縮電阻減小。由于材料的彈性變形有一定限度，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，收縮電阻幾乎不變但不可能完全消除。壓力增大到一定程度后，膜電阻穩(wěn)定在一個(gè)較小的數(shù)值，這個(gè)壓力值就是觸頭終壓力。
（2）觸頭材料：觸頭材料的性質(zhì)直接影響接觸電阻的大小。
這些材料的性質(zhì)包括電阻系數(shù)、材料的機(jī)械強(qiáng)度和硬度、材料的化學(xué)性能等。
材料的抗壓強(qiáng)度越小，在同樣接觸壓力下得到的實(shí)際接觸面積就越大，接觸電阻就越小。由于觸頭本身需要一定的機(jī)械強(qiáng)度，因此常在接觸連接處，用較軟的金屬覆蓋在硬金屬上，以獲得較好的性能，例如銅觸頭搪錫等。
（3）觸頭溫度：與觸頭本身的金屬電阻一樣，它的接觸電阻也會(huì)受溫度的影響，在觸頭溫度升高的同時(shí)接觸電阻也會(huì)增加。
由試驗(yàn)得知，理想狀態(tài)下，接觸電阻與溫度之間的關(guān)系式為：式中：
Rj0——觸頭在 0?時(shí)的接觸電阻（Ω）；
α0 ——觸頭材料的電阻溫度系數(shù)（1/?）；
θ ——觸頭的溫度（?）。
材料硬度會(huì)在接觸處的溫度升高后有所降低，因而有效接觸面積增大。以致在溫度增加時(shí)，金屬材料電阻的增加會(huì)超過接觸電阻的增加，這種差別就用它們電阻系數(shù)的不同來表示。
6 項(xiàng)目研究難點(diǎn)及解決方案
6.1 測(cè)試儀壓力觸頭的研發(fā)
測(cè)試儀觸頭要求能夠適用于多種型號(hào)的梅花觸頭，且要求高精度、高耐磨，使用方便、維護(hù)簡單等特點(diǎn)。
擬解決方法：針對(duì)梅花觸頭的多規(guī)格，壓力觸頭做成系列觸頭，其規(guī)格和梅花觸頭一致，測(cè)試時(shí)采用更換觸頭的方法滿足不同規(guī)格梅花觸頭的需求。壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器原理，滿足高精度的要求。
6.2 高壓開關(guān)柜觸頭壓力標(biāo)準(zhǔn)
制定不同型號(hào)規(guī)格觸頭的壓力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是本項(xiàng)目研發(fā)的難點(diǎn)之一。
擬解決辦法：通過數(shù)學(xué)建模和理論仿真，推導(dǎo)出不同型號(hào)規(guī)格觸頭的壓力值，然后再通過高壓開關(guān)柜觸頭壓力測(cè)試儀進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，生成不同型號(hào)規(guī)格的觸頭壓力值表。
6.3 梅花觸頭模擬測(cè)試試驗(yàn)
本項(xiàng)目的難點(diǎn)是如何通過模擬測(cè)試能夠正確得到不同型號(hào)梅花觸頭的失效壓力門檻值。
擬解決辦法：
測(cè)試設(shè)備：購買具有代表意義的高壓手車，回路電阻測(cè)試儀一臺(tái)（具有資質(zhì)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)報(bào)告），壓力測(cè)試儀一臺(tái)以及全系列的梅花觸頭作為測(cè)試材料。
測(cè)試方法：將要測(cè)試的梅花觸頭安裝在手車上，通過回路電阻測(cè)試儀給主回路注入額定電流，然后逐漸調(diào)整觸頭彈簧壓力，直到回路電阻超過標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)試當(dāng)前壓力并記錄。按此方法逐個(gè)測(cè)試各型號(hào)的梅花觸頭，并記錄。
7 結(jié)束語
總而言之，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，信息化、現(xiàn)代化的社會(huì)發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性的要求越來越高。高壓開關(guān)柜作為電能分配調(diào)度重要的執(zhí)行電氣設(shè)備，增加檢測(cè)其開關(guān)觸頭的穩(wěn)定性，保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行，進(jìn)而保障電力系統(tǒng)安全，具有重要意義。
