基于沖擊大電流測量斷路器回路電阻的方法研究

夏小飛

（廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023）

回路電阻是斷路器性能的重要特性參數(shù)。若回路電阻增大，會導(dǎo)致斷路器觸頭電損耗增大，溫度升高。斷路器的觸頭設(shè)計都有其熱容量的限制，一旦超過觸頭所能承受的熱容量的范圍，斷路器就會處于非常危險的狀態(tài)，造成開關(guān)故障，影響系統(tǒng)安全。因此，定時檢測斷路器回路電阻是十分重要的[1-4]。

目前，普遍采用直流電流進行斷路器回路電阻檢測。斷路器回路電阻阻值很小，一般為幾十到幾百微歐。若測量電流較小，則在斷路器上產(chǎn)生的電壓降就很小，這樣對測量壓降儀器的靈敏度要求就會很高，而且小電流不能消除觸頭上的氧化膜，所以不僅使測量難度增大，也很難做到精確測量。這就要求使用大電流進行斷路器回路電阻檢測。一般直流大電流檢測裝置的體積，會隨著輸出電流的提高而顯著增大，對裝置元件的散熱能力也提出很高的要求[5-7]。

為了解決這一問題，本文提出了一種采用沖擊大電流檢測回路電阻的方法。該方法測量電流峰值達1000A以上，可以有效提高測量回路電阻的精度，并結(jié)合實驗和仿真對這一方法進行研究。

1 基于超級電容器的沖擊大電流測量方法

本文采用電壓比法進行斷路器回路電阻測量。測量原理如圖1所示，測量回路電阻電壓UR和標準電阻上的電壓Ur。由歐姆定律可得回路電阻值為R =，其中r是阻值已知的標準電阻[5-7]。

圖1 電壓比法測量原理

為了實現(xiàn)沖擊大電流檢測方法，本文提出采用超級電容器作為沖擊電流檢測電路電源。

超級電容器顧名思義就是超大容量電容器，也稱為雙電層電容器，為被動式靜電雙層儲能器件。超大容量電容器由表面多孔活性炭和有機電解液組成，外部通過氬弧焊方法焊接外殼密封，并通過電極與外部環(huán)境聯(lián)接。超級電容器容量最大可達1000F，使用壽命長達500000次，且充電速度快，大電流放電能力強，是理想的沖擊電流發(fā)生電源[8-9]。

2 測量方法實驗研究

為了研究超級電容器作為沖擊電流發(fā)生電源、電壓比法作為測量原理的測量模型的可行性，利用兩個分流器分別作為標準電阻和斷路器回路電阻進行試驗研究，模擬實驗電路如圖2所示。其中BN-CDJ33V25A作為超級電容器的充電器，最大充電電壓為33V，最大充電電流為25A；SCPM321546超級電容器模塊作為電源，該模塊內(nèi)阻為10mΩ，電容器容量為54F，最大額定電壓為32V（電壓可在范圍內(nèi)任意調(diào)整）；繼電器SSR-10DD控制超級電容器充電；晶閘管MTC200控制超級電容器放電；分流器1（75mV/750A）作為標準電阻；分流器2（75mV/1000A）用作模擬斷路器回路電阻。

圖2 實驗電路圖

1）沖擊大電流檢測方法的實現(xiàn)

圖3為實驗測得兩分流器電壓波形圖，由圖可知其呈現(xiàn)為沖擊波形，由于分流器為純電阻，由歐姆定律可知電壓波形與電流波形一致，故回路電流波形亦為沖擊波形。

圖3 分流器電壓波形圖

表1為當電容器沖擊電壓變化時，回路電流峰值。由表可知，當充電電壓達到12V時，主回路電流就已經(jīng)達到了千安級，試驗證明利用超級電容器作為電源，可以實現(xiàn)沖擊大電流檢測的目的。

表1 電容器充電電壓與回路電流峰值關(guān)系

2）采用沖擊大電流測量回路電阻的測量精度驗證

利用分流器1作為標準電阻，分流器2模擬斷路器回路電阻。充電電壓用V0表示，分流器1測量電壓峰值用V1表示，分流器2測量電壓用V2表示，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 沖擊大電流測量回路電阻方法的精度

由表中數(shù)據(jù)可知，分流器2的測量相對誤差非常小，可見采用沖擊大電流測量μΩ級的小電阻，其測量精度非常高。

然而，實際測量電路中并不僅僅只有電阻。多斷口斷路器為了使斷口的電壓分布均勻，以充分發(fā)揮每個滅弧室的作用，每個滅弧室均并聯(lián)一個均壓電容。由于均壓電容與斷路器回路電阻為并聯(lián)關(guān)系，若電容上電流過大，會導(dǎo)致標準電阻與回路電阻間電流不相等，導(dǎo)致測量不準確[10-12]。

由于斷路器一般都比較高，實際檢測裝置的電流引線都較長，電壓檢測線與回路電流引線上都會存在電感，而實際采集時電壓檢測線與回路電流引線一般都是掛在斷路器兩端，呈平行布置，這樣回路電流引線于電壓測試線間會存在互感，使實際采集到的電壓為回路電阻電壓與互感電壓之和，這將使測量值偏大。

這些測量回路參數(shù)都可能對回路電阻的精確測量產(chǎn)生影響，本文將利用EMTP-ATP仿真軟件對這些回路參數(shù)的影響進行仿真研究。

3 沖擊大電流測量方法仿真模型

超級電容器等效電路如圖4所示[13]。

圖4 超級電容器等效模型

ESR是等效串聯(lián)電阻，C是理想電容，EPR表征超級電容器的漏電流效應(yīng)，EPR是影響超級電容器長期儲能的參數(shù)。EPR通常很大，可以達到幾10kΩ，漏電流很小，只有幾10～100μA，EPR可以忽略不計，視為開路，故在仿真研究時超級電容器采用圖5所示模型。

圖5 超級電容器仿真模型

GB/T 787—1996《斷路器電容器》中規(guī)定斷路器并聯(lián)電容器的電容在下列數(shù)值中選取：1000pF，1500pF，1800pF，2000pF，2500pF，3000pF，4000pF，5000pF。

圓直導(dǎo)線電感計算公式為[14]

式中，lw為導(dǎo)線長度；rw為導(dǎo)線截面半徑；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7（H/m）。

斷路器測量裝置引線采用規(guī)格為50mm2，長度取為20m，根據(jù)公式可計算得引線電感為24.6μH。

根據(jù)電壓比法，標準電阻與回路電阻呈串聯(lián)關(guān)系，超級電容器在電路中作為電源，標準電阻與回路電阻串聯(lián)，均壓電容與回路電阻并聯(lián)，引線電感與回路電阻串聯(lián)。

如圖6所示，為單斷口斷路器回路電阻檢測仿真電路，其中1為超級電容器等效電容C=54F，2為超級電容器等效內(nèi)阻R=10mΩ，3為時控開關(guān)，t=0.008ms時閉合，4為標準電阻r=100μΩ，5為檢測裝置引線電感，取為24.6μH，6為斷路器回路電阻，取為100 μΩ。

圖6 單斷口斷路器回路電阻檢測仿真電路

目前，多斷口斷路器主要為雙斷口斷路器，雙斷口斷路器回路電阻檢測仿真電路如圖7所示，其中1、2、3、4、5與圖6所示仿真電路元件相同，7、8為斷路器各斷口回路電阻，均取為50μΩ，9、10為斷路器均壓電容。

圖7 雙斷口斷路器回路電阻檢測仿真電路

4 均壓電容對沖擊大電流測量斷路器回路電阻的影響

電壓比法的前提是標準電阻與回路電阻上電流相等，由于均壓電容與回路電阻并聯(lián)后再與標準電阻串聯(lián)，標準電阻上的電流實際為均壓電容電流與回路電阻電流之和，若均壓電容電流過大，則會使回路電阻檢測不準確。因此有必要對均壓電流的影響進行仿真分析。

當超級電容器充電電壓設(shè)為15V時，均壓電容上波形如圖8所示，均壓電容峰值為30nA，而由3中得仿真結(jié)果可知回路峰值高達1442A，可見均壓電容上電流可忽略不計。表3為當均壓電容變化時標準電阻、回路電阻和均壓電容上的電流，可見由于均壓電容上電流非常小為納安級，標準電阻與回路電阻上的電流可視為相等，故當電路中有均壓電容時，均壓電容對于回路電阻的檢測沒有影響。

圖8 電容器充電電壓設(shè)為15V時，均壓電容上波形

分別對圖6和圖7兩種斷路器回路電阻檢測電路進行仿真，發(fā)現(xiàn)當均壓電容取0～5000pF之間的值時回路電流波形相同。又由表3可知，均壓電容值與測量回路電流峰值沒有關(guān)系。仿真也表明有無均壓電容并不改變測量電流波形。

表3 均壓電容與回路元件電流峰值關(guān)系

5 引線電感對沖擊大電流測量斷路器回路電流及回路電阻的影響

由4的分析可知，不論是無均壓電容的單斷口斷路器回路電阻測量電路還是有均壓電容的多斷口斷路器回路電阻測量電路，均可用圖7所示的仿真模型進行仿真計算，故研究引線電感時采用該仿真模型。

1）引線電感對回路電流的影響

改變仿真電路中的串聯(lián)電感，可得到放電電流波形數(shù)據(jù)如表4所示。由表中可以看出當引線電感L達1000μH時，檢測回路放電電流峰值可達到千安級。當L=200μH時，回路電流波形如圖9所示，可見回路電流波形亦為沖擊大電流波形。而當引線長度達100m時，引線電感才155μH，可見引線電感不影響沖擊大電流的產(chǎn)生。

表4 放電電流峰值與引線電感關(guān)系

圖9 當L=200μH時，回路電流波形

2）引線電感對于斷路器回路電阻檢測的影響

斷路器回路電阻檢測，普遍采用四端子法進行檢測，接線如圖10所示，其中電流線為主放電回路接線，電壓線是檢測斷路器電壓的信號線。這樣接線是為了消除接線處接觸電阻的影響。由于斷路器一般都很高，所以電流線和電壓線都懸掛在斷路器斷口兩端，電流線與電壓線基本呈平行緊貼狀態(tài)。電流線與電壓線之間存在互感。

由于電壓檢測線為信號線，電流可視為零，所以電壓檢測線對電流線的互感對于回路電流的檢測沒有影響。而電流線中流過千安級的電流，且該電流為沖擊電流，電流時刻在變化，故電流線對電壓線的互感將使電壓檢測線測得的電壓值改變。

圖10 回路電阻檢測現(xiàn)場接線圖

電流線對電壓線的互感，可以通過計算互感系數(shù)的方法得到。設(shè)電流回路編號為1，電流為I，磁通為Φ11，電感為 L，電壓檢測回路編號為 2，電流回路1的電流 I，其所產(chǎn)生并與回路 2所交磁通為Φ21。由于電流線與電壓線呈平行緊挨狀態(tài)，故Φ11=Φ21，故互感M ==L，則電壓檢測線檢測到的電壓值為回路電阻電壓和電感電壓之和。

仿真時采用常用的引線尺寸，即長 20m，截面積50mm2。則通過公式1的計算可知引線電感L=24.6μH。

圖11是斷路器電壓測試線實際測得電壓波形，也就是斷路器回路電阻與引線電感電壓之和。圖12為回路電阻上電壓波形。對比兩個圖發(fā)現(xiàn)因為引線電感的影響，實際檢測得電壓波形將嚴重失真，若不消除引線電感的影響，測得的回路電阻值將不準確。因此，有必要研究消除引線電感影響的措施。

圖11 斷路器電壓測試線實際測得電壓波形

圖12 回路電阻的電壓波形

消除引線電感影響的措施：

1）圖13為檢測回路的電流波形，當t=21.2ms時電流達到峰值，此時電流變化率di/dt=0。由于電感電壓滿足u=L ×，其中 L為電感值，u為電感電壓，i為回路電流。則電感的壓降在電流達到峰值處為0。則該時刻測得斷路器兩端的電壓就是斷路器接觸電阻r上的電壓。仿真計算亦表明，當t=21.2ms時，電感上電壓為0，測試電壓線測得電壓值為回路電阻電壓值，此時回路電阻電壓Ug=0.1442V，標準電阻電壓Ur=0.1442V，而標準電阻阻值r=100μΩ，則根據(jù)電壓比法R =，得回路電阻R=100 μΩ與預(yù)設(shè)值相同，回路電阻阻值得到精確測量。可見若要得到準確測量斷路器回路電阻，只需要采集檢測回路電流達到峰值時電壓線測得的電壓值即可，而標準電阻上電壓波形達到峰值時刻即為檢測回路電流達到峰值時刻。

圖13 檢測回路的電流波形

2）在實際測量時，由于現(xiàn)場強電磁干擾，以及其他未知因素的影響，單個采集點可能存在較大誤差，應(yīng)多采集若干點進行計算再取平均值[15]。觀察圖11波形，發(fā)現(xiàn)電壓信號線實際檢測得到的電壓波形變化范圍非常大，最大達電源充電電壓15V，若采用電壓傳感器進行數(shù)據(jù)采集，要求電壓傳感器輸入范圍很大，而電壓傳感器的測量精度為測量范圍乘以一個系數(shù)，這樣就會使電壓傳感器測量精度較低，影響測量結(jié)果。若要徹底消除引線電感的影響，可采用屏蔽線消除互感的影響，以及消除現(xiàn)場的電磁干擾，避免干擾信號進入測量線。

6 結(jié)論

為了精確測量斷路器回路電阻，本文提出了一種沖擊大電流檢測方法，并通過模擬實驗和仿真計算，驗證了該測量方法的可行性與測量的精確性，分析了實際測量時回路參數(shù)對于該測量方法的影響，得到如下結(jié)論：

1）本文提出了基于超級電容器產(chǎn)生千安級沖擊大電流，用于測量斷路器回路電阻的方法。該方法測量精度非常高。

2）多斷口斷路器均壓電容上的電流值非常小為納安級，而檢測回路電流為千安級，因此均壓電容對于檢測回路的影響可忽略不計。均壓電容并不影響測量電路電流波形與電流峰值。

3）引線電感不會影響測量電路沖擊大電流的產(chǎn)生，但會使實際檢測得到的斷路器電壓為引線電感電壓與回路電阻電壓值和，導(dǎo)致測量結(jié)果偏大。當回路電流達到峰值時，此時的測量值為真實回路電阻電壓值，可通過這樣的方法進行回路電阻測量，也可以通過采用屏蔽導(dǎo)線的方法消除引線電感的影響。

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