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        高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀的研制

        2024-01-11 05:12:36黃曉波翁海濤申淑梅
        機電信息 2024年1期
        關(guān)鍵詞:觸指彈簧秤測試儀

        黃曉波 董 敏 翁海濤 楊 雨 申淑梅

        (國網(wǎng)浙江省電力有限公司瑞安市供電公司,浙江 溫州 325205)

        0 引言

        高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中應(yīng)用范圍最廣的開關(guān)設(shè)備,觸指和觸頭屬可動接觸,為觸指和觸頭接觸提供壓力的彈簧,常因銹蝕和電流發(fā)熱而退火,導(dǎo)致彈力下降或失效,進(jìn)一步導(dǎo)致接觸部分產(chǎn)生接觸不良[1-2]。但是在電力系統(tǒng)檢修中,對隔離開關(guān)觸指壓力的檢修缺乏標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)和相關(guān)檢測設(shè)備,大多是憑借以往的經(jīng)驗,比如根據(jù)工人的觀察或者基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到的一定時間對設(shè)備進(jìn)行更換等[3]。因此,研究高壓隔離開關(guān)觸指壓力檢測技術(shù)對于確保高壓隔離開關(guān)正常工作,保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行意義重大。

        為了改善高壓隔離開關(guān)觸指和觸頭性能,文獻(xiàn)[4-5]提出了多種改善觸頭材料特性的方法。高壓隔離開關(guān)觸指壓力的傳統(tǒng)檢測方法主要有人工經(jīng)驗法、彈簧秤拉伸法等。人工經(jīng)驗法最簡單也最直接,主要依靠檢修人員的經(jīng)驗來估計接觸壓力的大小。彈簧秤拉伸法是將彈簧秤的一端固定在隔離開關(guān)的觸指端,然后用力拉伸彈簧秤直到隔離開關(guān)的觸頭和觸指之間剛剛出現(xiàn)縫隙,此時彈簧秤的示數(shù)即為觸指壓力。彈簧秤是電力系統(tǒng)檢修規(guī)程中推薦的測量觸指壓力的測力工具,但在實際檢修工作中,用彈簧秤檢測觸指壓力方便性和安全性較差,并不能適應(yīng)高壓隔離開關(guān)觸指壓力檢測的需要。

        基于以上情況,文獻(xiàn)[6]針對高壓隔離開關(guān)安裝過程中觸指壓力的檢測需求,提出了一種實時連續(xù)測力的新型觸頭,推導(dǎo)了觸頭受力和觸指變形之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]提出模擬觸頭法檢測高壓隔離開關(guān)觸指壓力,即將模擬觸頭插入到隔離開關(guān)觸指觸頭實際接觸部分,觸指壓力傳遞到模擬觸頭尾端的傳感器中,以此測出觸指壓力。文獻(xiàn)[8]也采用模擬隔離觸頭法,將柔性薄膜式壓力傳感器裝于觸頭上,以此檢測出隔離開關(guān)的觸指壓力。同時文獻(xiàn)[9]采用模擬觸頭測試法研制了觸指壓力測試儀,為測量觸指壓力提供了一種簡便、有效的測量手段。另一方面,文獻(xiàn)[10]提出了基于Flexiforce薄膜壓力傳感器的高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀方案,但在實際制作和測試中發(fā)現(xiàn)Flexiforce薄膜壓力傳感器量程較小,壓力過大很容易將Flexiforce傳感器壓壞。

        本文在上述文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,提出了一種基于應(yīng)變式稱重傳感器的觸指壓力測試儀,給出了總體結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件設(shè)計方案,并完成了裝置的加工和裝配。最后對傳感器進(jìn)行了標(biāo)定實驗和實際的測量實驗,結(jié)果表明高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀測量精準(zhǔn)、使用方便、實用性強。

        1 高壓隔離開關(guān)及其觸指結(jié)構(gòu)

        如圖1所示,高壓隔離開關(guān)觸指采用外壓板簧觸頭結(jié)構(gòu),因觸指長期使用,由于疲勞和腐蝕等原因剛性降低,使得觸指壓力降低從而發(fā)生過熱熔焊的現(xiàn)象。因此對隔離開關(guān)觸指壓力進(jìn)行檢測十分必要。

        圖1 高壓隔離開關(guān)觸頭觸指接觸部分

        2 測試儀總體結(jié)構(gòu)

        基于應(yīng)變式稱重傳感器的高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括模擬觸頭測量部分、連接手柄、信號線和顯示器四部分。其中模擬觸頭測量部分包括應(yīng)變式稱重傳感器1、模擬觸頭板2、墊片3。信號線5從傳感器1中引出,外接至顯示裝置6。

        圖2 觸指壓力測試儀整體結(jié)構(gòu)

        實際測量時,將高壓隔離開關(guān)觸指壓力檢測儀模擬觸頭部分插入到隔離開關(guān)觸頭實際合閘位置,隔離開關(guān)的觸指壓力通過模擬觸頭傳遞到傳感器中,信號線將傳感器的變化傳遞到測量顯示器顯示壓力值。

        3 電路結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)

        3.1 硬件設(shè)計

        高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀的基本功能是通過應(yīng)變式稱重傳感器采集壓力信號,采集到的信號通過HX711 A/D轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號傳遞到STM32F103處理器處理,壓力值最終顯示在LCD12864型液晶顯示器。

        (1)電源設(shè)計。

        本設(shè)計采用獨立電源設(shè)計,從而減少了對輸出信號的干擾。在整個系統(tǒng)中,STM32F103系統(tǒng)是3.3 V電壓的系統(tǒng),HX711芯片、LCD液晶顯示模塊、指示燈模塊需要+5 V電源。兩種電源電路如圖3、圖4所示。

        圖3 +5 V電源電路圖

        圖4 +3 V電源電路圖

        (2)人機交互設(shè)計。

        人機交互電路:包括五部分——硬件復(fù)位電路、按鍵輸入電路、LED狀態(tài)信號電路、串口電路、并口液晶屏接口電路。

        硬件復(fù)位電路:用戶在系統(tǒng)崩潰時,可以進(jìn)行一鍵復(fù)位,使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

        按鍵輸入電路:本系統(tǒng)設(shè)置了按鍵輸入電路,電路中有三個按鍵,用戶可以通過按鍵向系統(tǒng)發(fā)送各種指令并置入一些必要的數(shù)據(jù)。通過按鍵,用戶可以選擇功能、標(biāo)定傳感器、測量觸指壓力等。

        LED狀態(tài)信號電路:本系統(tǒng)設(shè)計了5個LED輸出顯示接口電路,其中一個為電源指示燈,其余的為程序狀態(tài)燈,在軟件的開發(fā)與調(diào)試過程中可被用于判斷程序是否正常運行。

        串口電路:本系統(tǒng)采用四線接口的方式,利用USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備進(jìn)行通信。串口電路采用UART協(xié)議。該電路可以將PC機上編譯好的程序下載到本系統(tǒng)中,還可以和上位機的串口調(diào)試工具或串口程序進(jìn)行通信。

        并口液晶屏接口電路:并口液晶屏的最大優(yōu)點是響應(yīng)速度快,畫面更新及時,缺點是需要更多的接口連線。并口液晶屏的接口包含一個8位的數(shù)據(jù)總線和若干控制信號連線。

        3.2 軟件結(jié)構(gòu)

        高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀的系統(tǒng)總體流程圖如圖5所示。一般來說,應(yīng)該先進(jìn)行歸零處理,標(biāo)定模塊在系統(tǒng)做好時,已經(jīng)標(biāo)定好,只有在多次使用后,當(dāng)傳感器示數(shù)不太準(zhǔn)確時,才需進(jìn)入該部分,進(jìn)行重新標(biāo)定。系統(tǒng)大部分時間都處于測量狀態(tài)。

        圖5 高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀軟件流程圖

        4 標(biāo)定與測量實驗

        4.1 主要技術(shù)參數(shù)

        高壓隔離開關(guān)觸指壓力檢測裝置主要技術(shù)參數(shù)如下:

        工作環(huán)境:-20~40 ℃,≤80%RH;

        電源電壓:AC220×(1±10%)V,50×(1±10%)Hz;

        機內(nèi)鋰電池功率:≤20 W;

        測量范圍:≤900 N,誤差≤1%;

        適用范圍:適用于GW4、GW5型高壓隔離開關(guān);

        內(nèi)置鋰電池,電源工作時間:≥6 h。

        4.2 標(biāo)定實驗

        首先通過夾具將高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀實際測量部分裝夾在SANS萬能試驗機上,如圖6所示,然后對測量部分施加一恒定持續(xù)的力,記錄標(biāo)準(zhǔn)值和測量AD值,反復(fù)進(jìn)行10次,所得數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 標(biāo)準(zhǔn)值與測量AD值數(shù)據(jù)

        圖6 標(biāo)定實驗

        標(biāo)準(zhǔn)壓力值(weight)與測量AD值(val)之間的關(guān)系為:

        將此公式輸入到內(nèi)核系統(tǒng)的計算任務(wù)輸出程序中,完成傳感器的標(biāo)定。

        標(biāo)定程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

        圖7 標(biāo)定程序設(shè)計流程框圖

        4.3 測量實驗

        用高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀對剛出廠的GW4型高壓隔離開關(guān)觸指進(jìn)行檢測,如圖8所示,得到準(zhǔn)確的隔離開關(guān)觸指壓力。GW4型高壓隔離開關(guān)出廠要求觸指壓力為(300±30)N,此次測量得到的觸指壓力為310 N,滿足隔離開關(guān)觸指出廠要求。

        圖8 觸指壓力測試儀測量實驗

        5 結(jié)論

        本文從供電公司對隔離開關(guān)檢修遇到的實際問題出發(fā),研制了一種基于應(yīng)變式稱重傳感器的高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀。該裝置包括模擬觸頭測量部分、手持部分、數(shù)據(jù)處理顯示部分,并完成了傳感器的標(biāo)定實驗和實際的測量實驗。實際測量時只需將測量部分按照實際安裝狀況插入到隔離開關(guān)觸指中,即可得到高壓隔離開關(guān)觸指對觸頭的夾緊力。測試結(jié)果表明,高壓隔離開關(guān)觸指壓力測試儀測量精準(zhǔn)、使用方便,有較好的實用價值和應(yīng)用前景。

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