李海國

(山東普益電氣有限公司,山東 濱州 256600)

0 引 言

由于傳統(tǒng)變壓器輸出電壓固定不變，存在近變壓器一端實際電壓偏高、遠(yuǎn)變壓器一端實際電壓嚴(yán)重偏低等問題，反映在廣大偏遠(yuǎn)山區(qū)、農(nóng)村、廣闊林區(qū)等地區(qū)尤為普遍。為此國家“關(guān)于‘十三五’期間實施新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級工程的意見”中明確提出：在東部沿海地區(qū)基本實現(xiàn)城鄉(xiāng)供電服務(wù)均等化的基礎(chǔ)上，廣大中西部地區(qū)特別是城鄉(xiāng)供電服務(wù)差距實現(xiàn)大幅縮小，綜合電壓合格率要達(dá)到97.9%。

為響應(yīng)國家號召，配合農(nóng)村電網(wǎng)改造升級工程，從2016年開始，先后開發(fā)了多種型號的電力智能調(diào)壓器。其中采用新型自耦變壓器、有載分接開關(guān)、線路自動監(jiān)測與控制等技術(shù)的電力智能調(diào)壓器方案，具有多擋位調(diào)節(jié)、精細(xì)調(diào)節(jié)、用戶無斷電等特點。由于該技術(shù)優(yōu)勢比較突出，因此電力智能調(diào)壓器項目入選2018年度山東省技術(shù)創(chuàng)新項目。

1 多擋電力智能調(diào)壓器原理簡介

圖1為某型號調(diào)壓器電氣原理圖。由圖可知，該裝置主要由一個自耦變壓器、多個電氣開關(guān)、兩個電抗器和一個電子開關(guān)組成。A為輸入端，A1為輸出端。當(dāng)輸出端A1電壓正常時，KMA3旁路開關(guān)接通，調(diào)壓器在此狀態(tài)下不工作；當(dāng)A1電壓低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時，升壓開關(guān)KMA2接通，根據(jù)所需升壓值，通過選擇開關(guān)中的某兩個接通實現(xiàn)升壓；當(dāng)A1電壓系統(tǒng)設(shè)定高于標(biāo)準(zhǔn)時，降壓開關(guān)KMA1接通，根據(jù)所需降壓值，通過選擇開關(guān)中的某兩個接通實現(xiàn)降壓[1-3]。

圖1 某型號調(diào)壓器電氣原理

由于無論是升壓還是降壓，都需要事先合上升壓或者降壓開關(guān)，這是升壓或者降壓的關(guān)鍵第一步，必須穩(wěn)定可靠、導(dǎo)流能力強且能適應(yīng)自動升降壓的要求。在最初研制調(diào)壓器的時候，采用常規(guī)觸頭結(jié)構(gòu)，平面接觸，用拉伸彈簧提供觸頭壓力。經(jīng)過一段時間的試驗驗證，出現(xiàn)了一些問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品性能。

2 常規(guī)觸頭裝置的應(yīng)用

目前應(yīng)用于電器產(chǎn)品中的觸頭裝置，一般由動觸頭、靜觸頭、彈簧、撥桿等零部件組成。這種觸頭裝置的接觸類型一般為面接觸或線接觸，對接觸表面要求較高，而且也需要較大的額定觸頭壓力，接觸面加工難度大，裝配過程中也難以調(diào)整，單靠彈簧的作用力使觸頭接觸導(dǎo)電，遇到振動、發(fā)熱也容易拉弧，對觸頭造成燒蝕損壞。在一些觸頭導(dǎo)流大且有振動的特定場所中，它要求觸頭接觸面積大，有較大的接觸壓力，不能因振動和接觸壓力等問題而造成拉弧燒蝕[4-5]。

在研制圖1所示型號的調(diào)壓開關(guān)時，應(yīng)用到升降壓開合觸頭結(jié)構(gòu)，需要在升壓和降壓時轉(zhuǎn)換升降壓開關(guān)，開始使用常規(guī)的動靜觸頭面接觸，采用彈簧拉桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)觸頭開合。通過一段時間的使用，時常出現(xiàn)觸頭接觸不良、錯位等缺陷，通過調(diào)整彈簧拉力、更換觸頭等措施，始終未能徹底解決問題。

圖2所示的是某型號調(diào)壓開關(guān)局部結(jié)構(gòu)簡圖，它主要包括底盤、驅(qū)動塊、動觸頭、靜觸頭、出線端、動觸頭座、進線端、掛銷、軸承、拉伸彈簧、彈簧固定軸和驅(qū)動軸等零部件。

1-底盤 2-驅(qū)動塊 3-動觸頭 4-靜觸頭 5-出現(xiàn)端 6-動觸頭座 7-進線端 8-掛銷 9-軸承 10-拉伸彈簧 11-彈簧固定軸 12-驅(qū)動軸

為更進一步了解升降壓觸頭裝置結(jié)構(gòu)，圖3提供了升降壓觸頭裝置局部圖?？赏瑫r參考圖2和圖3來分析觸頭的開合運動和工作情況。

圖3 升降壓觸頭裝置局部

動觸頭通過動觸頭座安裝在底盤上，動觸頭上下各有一個同心的凸出銷軸，一端通過兩個滾動軸承與底盤活動連接，另一端與動觸頭座上孔滑動配合，并作為進線端的連接接口；動觸頭的中間部位加工出一個槽狀結(jié)構(gòu)，并在靠近內(nèi)側(cè)部位設(shè)置一銷孔安裝掛銷，為拉伸彈簧提供空間和掛彈簧之用；動觸頭外側(cè)加工出特殊的齒形槽，它與驅(qū)動塊相互作用，驅(qū)動塊的動力來源是通過其安裝的驅(qū)動軸來提供；拉伸彈簧的一端套在固定在底盤上的彈簧固定軸上，另一端套在安裝到動觸頭的活動掛銷上；兩個靜觸頭分別為升降壓觸頭，一端連接出線端，另一端通過兩個銷軸固定在底盤上。

如圖3所示，圖示狀態(tài)是動觸頭與其中一個靜觸頭閉合的工況，可設(shè)定此時系統(tǒng)處于升壓狀態(tài)。驅(qū)動軸帶動驅(qū)動塊順時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)升壓(關(guān)于升壓方法，則不在所討論范圍之內(nèi))；當(dāng)系統(tǒng)需要降壓時，驅(qū)動軸帶動驅(qū)動塊逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)驅(qū)動塊旋轉(zhuǎn)到動觸頭齒槽時，會將動觸頭撥動到另一側(cè)與另一個靜觸頭閉合，此時系統(tǒng)則處于降壓狀態(tài)。無論是升壓還是降壓，其額定觸頭壓力均由拉伸彈簧提供。

產(chǎn)品使用過程初期并未發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)過一段時間的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)個別觸頭出現(xiàn)接觸不良、錯位，有時出現(xiàn)短暫拉弧。由于此開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率非常低，只是在需要升降壓轉(zhuǎn)換時才切換，問題當(dāng)時未體現(xiàn)出來，時間一長問題比較嚴(yán)重，特別是問題出現(xiàn)在升降壓換擋的時候，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品使用性能。為此采取將靜觸頭兩個銷軸的配合改為間隙配合，加大拉簧拉力，改為浮動壓緊等措施，有所好轉(zhuǎn)，但始終未從根本上解決問題。

經(jīng)過仔細(xì)對比分析，認(rèn)為主要問題是觸頭的額定壓力不夠，壓力不夠的危害，特別體現(xiàn)在升降壓換擋時有振動容易出現(xiàn)拉弧。如圖3所示，彈簧的拉力為F，彈簧拉力方向與作用在動觸頭轉(zhuǎn)軸的力F1方向的夾角為α，則額定觸頭壓力F2(動觸頭作用在靜觸頭頭上的壓力)為

F2=Fsinα

由于系統(tǒng)升降壓時需轉(zhuǎn)換觸頭，動觸頭的齒槽在驅(qū)動齒的作用下必須來回均能撥動而不能干澀，故夾角α不能增大，sinα值很小，F(xiàn)2的值就很小。由于sinα值很小，僅增加彈簧的拉力F1作用有限，必須改變原有結(jié)構(gòu)形式才有可能解決問題。

3 閉合自緊式觸頭裝置

針對調(diào)壓器升降壓開關(guān)結(jié)構(gòu)性缺陷所存在的不足，解決觸頭壓力小、有振動所帶來的問題，優(yōu)化設(shè)計了一種用于特定場所的閉合自緊式觸頭裝置，用于調(diào)壓開關(guān)的升降壓轉(zhuǎn)換，以期解決接觸不良、拉弧等問題，經(jīng)過試驗證明，達(dá)到了預(yù)期目的。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、通流能力強、運行穩(wěn)定、制造成本低等優(yōu)點。

如圖4所示，優(yōu)化設(shè)計后的升降壓觸頭結(jié)構(gòu)主要包括底盤、升降壓座、靜觸頭座、絕緣主軸、驅(qū)動盤、鋼絲卡簧、軸用彈性擋圈、靜觸頭、彈簧球頭柱塞、進線銅排、驅(qū)動撥銷和升降滑塊等零部件。

1-底盤 2-升降壓座 3-靜觸頭座 4-絕緣主軸 5-驅(qū)動盤 6-鋼絲卡簧 7-軸用彈性擋圈 8-靜觸頭 9-彈簧球頭柱塞 10-進線銅排 11-驅(qū)動撥銷 12-升降滑塊

為更進一步了解閉合自緊式觸頭裝置結(jié)構(gòu)，可同時參考圖5提供的閉合自緊式觸頭裝置結(jié)構(gòu)局部圖來分析觸頭的開合運動和工作情況，圖中標(biāo)號14的零件是動觸頭，為圓柱體結(jié)構(gòu)。調(diào)壓器輸入總電流分為75 A、100 A、150 A三檔，為使兼容性強，動觸頭直接按導(dǎo)通150 A電流確定直徑尺寸為10 mm。

1-靜觸頭 2-軸用彈性擋圈 3-靜觸頭座 4-升降壓座 5-動觸頭 6-鋼絲卡簧 7-升降滑塊 8-彈簧球頭柱塞

升降壓座安裝固定在底盤上，作為升降壓系統(tǒng)模塊的一個基體；升降滑塊放置在升降壓座的T型槽中，可左右滑動，升降滑塊中間槽放置進線銅排，動觸頭為左右兩個銅柱，它們把進線銅排夾緊并固定在升降滑塊上，可隨升降滑塊左右移動。為確保動觸頭兩個位置的準(zhǔn)確性，保證不因振動、發(fā)熱等因素而改變位置，在升降滑塊中心位置設(shè)置了定位用的彈簧球頭柱塞，在升降壓座的相應(yīng)位置設(shè)置一定位孔，這樣動靜觸頭在左右兩個位置配合時就穩(wěn)定可靠，有利于提高通流的穩(wěn)定性和提升整體產(chǎn)品性能。絕緣主軸下端固定在底盤上，中間設(shè)置一個臺階用于安裝驅(qū)動盤。驅(qū)動盤是一個軸承結(jié)構(gòu)的齒輪型零件，其內(nèi)圈固定在絕緣芯軸上，外齒圈可自由轉(zhuǎn)動。驅(qū)動盤下端安裝一個驅(qū)動撥銷，其作用是當(dāng)驅(qū)動盤轉(zhuǎn)動時能使得升降滑塊左右移動，實現(xiàn)升降壓開關(guān)的合分。

如圖5所示，靜觸頭安裝在靜觸頭座上，用外圓定位，軸向定位用一軸用彈性擋圈放置到靜觸頭上的卡槽中來完成，靜觸頭外端設(shè)置螺紋孔外接接銅線軟連接作為出線，具體安裝步驟為：先將軸用彈性擋圈放置到靜觸頭座的卡槽里，用卡簧鉗撐開軸用彈性擋圈，再從靜觸頭座側(cè)面放入靜觸頭，直至軸用彈性擋圈落入靜觸頭的卡槽中即可完成。靜觸頭座安裝在升降壓座上，通過座寬和底部圓凸臺定位，用一自攻螺釘擰緊固定。

靜觸頭的接觸導(dǎo)電部位為一彈性結(jié)構(gòu)，它依靠頭部內(nèi)孔與動觸頭接觸導(dǎo)電，為使接觸牢靠耐用，靜觸頭中部靠近接觸導(dǎo)電端設(shè)定為薄壁結(jié)構(gòu)，并開4個方孔，接觸部分開4個開口槽，增加彈性。靜觸頭接觸孔比動觸頭銅柱直徑小0.3～0.5 mm，在加工中用與銅柱等徑的研磨棒研磨內(nèi)孔，經(jīng)研磨后的內(nèi)孔要保證彈性伸縮量在0.20～0.25 mm之間，以保證在觸頭使用過程中充分接觸，減小接觸電阻。靜觸頭內(nèi)孔外端倒一斜角，以便在動靜觸頭接觸時運行順利。

靜觸頭的結(jié)構(gòu)是本次優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵零件，其性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)可靠性。如圖 6所示，除了設(shè)置軸向定位卡槽、開4個方孔和接觸部分開4個開口槽之外，在空間結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量增大l尺寸的數(shù)值，l長度一般應(yīng)大于10 mm，并在l尺寸范圍內(nèi)加工成波紋狀，以進一步增強其彈性，使得觸頭結(jié)合既方便進入又接觸牢靠。

圖6 靜觸頭結(jié)構(gòu)

為進一步提高觸頭接觸導(dǎo)電的可靠性，適當(dāng)增加觸頭的額定壓力，可在靜觸頭觸點部位外圓設(shè)有一鋼絲卡簧槽，放置一鋼絲卡簧，在卡簧的作用下，靜觸頭觸點部位彈性大大增強。使用鋼絲卡簧時需注意卡簧槽的大小適合，防止因彈簧張力過大影響觸頭的分合。

動觸頭為圓柱體結(jié)構(gòu)，左右各一個與進線銅排連接定位，在升降滑塊的作用下左右移動分別與左右兩個靜觸頭分開或結(jié)合，從而實現(xiàn)觸頭的斷開和閉合。

在使用過程中，觸點部位可適當(dāng)涂抹部分導(dǎo)電硅脂減小觸點的接觸電阻并起到潤滑作用。

為增強裝置的堅固耐用和絕緣性能，除去導(dǎo)電零部件、軸用彈性擋圈和鋼絲卡簧，其余零部件均采用高強絕緣材料增強尼龍?zhí)砑?0%玻璃纖維(PA66+GF40)壓模制成。

4 閉合自緊式觸頭裝置的應(yīng)用對比情況

圖4、圖5中所示狀態(tài)是動觸頭與其中一個靜觸頭閉合，可設(shè)定此時系統(tǒng)處于升壓狀態(tài)。驅(qū)動盤的外齒圈在外力作用下順時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)升壓；當(dāng)線路需要降壓時，驅(qū)動盤的外齒圈逆時針旋轉(zhuǎn)，安裝在外齒圈下的驅(qū)動撥銷旋轉(zhuǎn)到升降滑塊的倒U型槽左側(cè)面時，升降滑塊會在升降壓座的滑槽中向左滑動，順勢將下端的動觸頭銅柱分開，外齒盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動，就會將動觸頭撥動到另一側(cè)與另一個靜觸頭閉合，此時系統(tǒng)則處于降壓狀態(tài)。無論是升壓還是降壓，其位置定位由其彈簧球頭柱塞提供，安全穩(wěn)固。

優(yōu)化設(shè)計的閉合自緊式觸頭裝置應(yīng)用于改造升級后的調(diào)壓開關(guān)中，經(jīng)過批量裝機后使用觀察，發(fā)現(xiàn)動靜觸頭關(guān)閉和開合平穩(wěn)順利、無過熱拉弧問題出現(xiàn)。其中有兩臺出現(xiàn)過觸頭閉合時有卡頓現(xiàn)象，經(jīng)拆機檢修發(fā)現(xiàn)是動靜觸頭機加工尺寸問題，修正后問題解決。傳統(tǒng)觸頭結(jié)構(gòu)用在這里時的故障量達(dá)到60%以上，這充分說明優(yōu)化后的觸頭結(jié)構(gòu)在自身彈性和鋼絲卡簧的彈性力作用下，運行穩(wěn)定，性能可靠，通流能力強。

5 結(jié) 論

電力智能調(diào)壓器升降壓開關(guān)在研制初期使用傳統(tǒng)觸頭結(jié)構(gòu)形式，在使用過程中多次出現(xiàn)觸頭接觸不良、壓力不夠、錯位等缺陷，影響設(shè)備性能；在換裝了閉合自緊式觸頭裝置后，運行穩(wěn)定性，導(dǎo)流能力大大增強。為使觸頭充分可靠的接觸，閉合自緊式觸頭裝置還在接觸導(dǎo)電部位增加鋼絲卡簧，保證了觸頭的可靠接觸，提高了壽命。