高速動(dòng)車組電纜線壓接電阻檢測(cè)裝置的研制及分析

■ 曹戎 高存麗

為滿足高速動(dòng)車組及地鐵大電流電纜線壓接端的接觸電阻檢測(cè)，研制了高速動(dòng)車組電纜線壓接電阻檢測(cè)裝置。該裝置以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，通過(guò)直流大電流發(fā)生器提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的試驗(yàn)電流，穩(wěn)定度達(dá)0.05%。由電流比較儀對(duì)輸出電流進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)伏安法實(shí)現(xiàn)終端壓接線頭的電纜線壓接電阻測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。這套試驗(yàn)裝置節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用，縮短了工藝流程，提高了生產(chǎn)效率，填補(bǔ)了一項(xiàng)試驗(yàn)空白，在同行業(yè)具有領(lǐng)先地位。

1 電阻概念及壓接電阻測(cè)量

1.1 電阻概念

導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用就叫電阻。電阻的主要物理特征是變電能為熱能，導(dǎo)體通電后產(chǎn)生電流熱效應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)體表面溫度不斷上升，且溫度升高的快慢與達(dá)到的高低與電流平方成正比。電纜線壓接端子在與電纜線壓接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電阻，這一電阻的大小最好小于等于同長(zhǎng)導(dǎo)線的電阻，這樣電纜線壓接端子在與電纜線壓接時(shí)，沒(méi)有改變電纜線的這一物理性能。但在對(duì)電纜線進(jìn)行端子壓接時(shí)，難免會(huì)因壓線鉗、接線端子質(zhì)量（如端子壁厚薄、端子內(nèi)壁處理等）及壓接時(shí)操作人員的工藝質(zhì)量等原因，會(huì)出現(xiàn)：壓得過(guò)緊、剝線皮時(shí)不小心，使電纜有斷絲，導(dǎo)致電纜線截面積減小，壓接端電阻增大；壓得過(guò)松、端子內(nèi)壁有氧化層等雜質(zhì)，使接線端子與電纜線接觸不良，導(dǎo)致壓接端電阻增大；剝線皮不徹底，內(nèi)部透明層未剝開(kāi)，使接線端子與電纜線接觸不上或接觸不完整，導(dǎo)致壓接端電阻增大等。壓接電阻增大會(huì)將流過(guò)它的電能變?yōu)闊崮埽苟祟^發(fā)熱，出現(xiàn)故障和危險(xiǎn)。因此，電纜線壓接電阻的大小是在做完電纜線壓接端子后需要知道的結(jié)果，這一結(jié)果只能通過(guò)試驗(yàn)的方法得到。

1.2 壓接電阻測(cè)量

壓接電阻試驗(yàn)首先需要大電流提供設(shè)備，以使試驗(yàn)電流通過(guò)壓接端頭產(chǎn)生壓降，這是壓接電阻試驗(yàn)中的關(guān)鍵設(shè)備。目前，同行業(yè)一般采用電橋法和接觸壓降法。電橋法是用電橋測(cè)量電阻，無(wú)法克服測(cè)量時(shí)引入的接觸電阻對(duì)壓接電阻的影響，此外試驗(yàn)電流小（一般在10 A以下），無(wú)法模擬動(dòng)態(tài)情況，反映不出溫度升高對(duì)壓接電阻的影響；接觸壓降法是用回路電阻測(cè)試儀測(cè)量電阻，回路電阻測(cè)試儀的工作電流是固定的，一般有50 A、100 A兩檔，沒(méi)法按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同線徑的電纜線施以規(guī)定的試驗(yàn)電流，導(dǎo)致壓接電阻試驗(yàn)的誤差過(guò)大。

基于以上原因，研制了高速動(dòng)車組電纜線壓接電阻檢測(cè)裝置。

2 壓接電阻檢測(cè)裝置

高速動(dòng)車組電纜線壓接電阻檢測(cè)裝置由全自動(dòng)智能電流發(fā)生器、直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)三部分組成。以大電流發(fā)生器根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同線徑的電纜線提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的試驗(yàn)電流，經(jīng)整流、穩(wěn)流，使穩(wěn)定度達(dá)±0.1 A，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)大電流流過(guò)電纜線壓接端頭，使電纜線壓接端頭產(chǎn)生壓降，由數(shù)字表連接微型計(jì)算機(jī)通過(guò)專用軟件進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)終端壓接端頭的壓接電阻測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，測(cè)量精度高于0.5級(jí)，抗干擾能力強(qiáng)，工作效率高。

2.1 裝置組成

本裝置是由精密穩(wěn)壓器、微處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、步進(jìn)調(diào)壓器等組成的大電流輸出設(shè)備，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)于一體的新型智能化大電流發(fā)生裝置。裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2 裝置各組成部分功能

（1）精密穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的電壓；

（2）步進(jìn)調(diào)壓器系統(tǒng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)；

（3）采樣系統(tǒng)采集電流電壓信號(hào)；

（4）微處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)對(duì)由采樣系統(tǒng)采集的電流電壓信號(hào)進(jìn)行控制和處理，最后輸出給被測(cè)回路，完成大電流的穩(wěn)定輸出；

（5）直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量輸出試驗(yàn)電流；

（6）數(shù)字表連接微型計(jì)算機(jī)，通過(guò)專用軟件，對(duì)流過(guò)壓接端的電流產(chǎn)生的壓降進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)終端壓接線頭的壓接電阻測(cè)試。

2.3 工作原理

該裝置以微處理系統(tǒng)為核心，通過(guò)雙步進(jìn)調(diào)壓器串聯(lián)使用，提高調(diào)壓器的電壓調(diào)節(jié)細(xì)度，采樣系統(tǒng)、微處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)將波動(dòng)的電流控制在±0.1 A范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出。輸出的試驗(yàn)電流大小由直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量控制，該數(shù)值的試驗(yàn)電流流過(guò)電纜線，在壓接端子處產(chǎn)生壓降，此壓降由數(shù)字表連接微型計(jì)算機(jī)，通過(guò)專用軟件，進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)終端壓接端頭的壓接電阻測(cè)試。

2.3.1 全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)

全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)以微處理系統(tǒng)為核心，通過(guò)雙步進(jìn)調(diào)壓器串聯(lián)使用，提高調(diào)壓器的電壓調(diào)節(jié)細(xì)度，使輸入的交流電壓經(jīng)過(guò)整流電路濾波后，得到較高直流電壓，由“變頻轉(zhuǎn)換”，將高壓直流逆變成高頻交流，經(jīng)高頻變壓器，變換次級(jí)，再經(jīng)高頻整流濾波，得到需要的輸出電壓；再由控制電路對(duì)輸出電壓和輸出電流取樣，經(jīng)閉環(huán)反饋后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，控制“功率轉(zhuǎn)換”電路，使輸出電流準(zhǔn)確而穩(wěn)定地保持在某一固定值。

圖1 高速動(dòng)車組電纜線壓接電阻測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

2.3.2 直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)

采用基于直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)為核心的測(cè)量技術(shù)，通過(guò)磁調(diào)制器檢測(cè)磁芯磁勢(shì)，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，變成直流電壓輸出，以此電壓控制伺服電流源，使伺服電流反饋流過(guò)次級(jí)繞組，以使鐵芯的磁通為零，即通過(guò)從動(dòng)源的作用，使初、次級(jí)形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，能自動(dòng)維持初次級(jí)磁勢(shì)平衡，此時(shí)有I1W1=I2W2，即I1/I2=W2/W1。

2.3.3 測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)

由全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)輸出的電流經(jīng)直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量控制，該數(shù)值的試驗(yàn)電流流過(guò)電纜線，在壓接端子處產(chǎn)生壓降，此壓降由數(shù)字表連接微型計(jì)算機(jī)，通過(guò)專用軟件進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)終端壓接線頭的壓接電阻測(cè)試。

3 主要特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

裝置的主要特點(diǎn)：

（1）電流、電阻兩組數(shù)據(jù)同屏顯示，接觸電阻值及壓接電阻比率Kj直接讀取，讀數(shù)清晰、直觀。

（2）全中文界面，操作簡(jiǎn)單明了。

（3）輕觸式面板按鍵操作，功能均可通過(guò)按鍵設(shè)定，提高了產(chǎn)品安全性、可靠性。

（4）全數(shù)字式調(diào)校，摒棄了傳統(tǒng)電位器調(diào)整方式，調(diào)校準(zhǔn)確、直觀、方便。

（5）主機(jī)加裝進(jìn)線靜噪濾波器，隔離了電網(wǎng)諧波及各電源間的干擾。

（6）采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，消除高壓側(cè)輻射干擾。

（7）主機(jī)具有軟啟動(dòng)保護(hù)功能。

（8）主機(jī)具有操作過(guò)電壓、過(guò)電流、短路、過(guò)熱等非正常情況下的自我保護(hù)功能。

（9）采用軟硬件抗干擾技術(shù)相結(jié)合，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）電流輸出范圍：0～300 A；

（2）電流準(zhǔn)確度：0.05%；

（3）電流穩(wěn)定度：0.05%；

（4）電流波動(dòng)：±0.1 A；

（5）主機(jī)過(guò)熱保護(hù)溫度值：75 ℃。

4 電纜線壓接電阻檢測(cè)裝置測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型：

式中：Rj為電纜線壓接端子壓接電阻；RAB為電纜線AB段電阻；RBC為電纜線BC段電阻（見(jiàn)圖2）。不確定度傳播律：

4.1 RAB的測(cè)量不確定度

RAB=UAB/ I，

式中：RAB為電纜線AB段電阻；UAB為電纜線AB段的壓降；I為施加在電纜線上的試驗(yàn)電流。

4.1.1 由測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度分量

選截面積為60 mm2的試驗(yàn)導(dǎo)線，按JIS C2805：2010《銅線用壓接端子》，試驗(yàn)電流為45 A。由全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)提供45 A的電流，在重復(fù)性條件下，對(duì)45 A電流在壓接端子處產(chǎn)生的壓降用數(shù)字表連接微型計(jì)算機(jī)通過(guò)專用軟件進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，10次重復(fù)測(cè)量得到的壓接電阻值分別為：5.269、5.263、5.259、5.262、5.258、5.260、5.268、5.258、5.260、5.264 mΩ。

計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)偏差：

2組平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

則標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u1=0.005 709 mΩ。

4.1.2 由數(shù)字多用表的測(cè)量誤差引入的不確定度分量

數(shù)字多用表最大允許誤差為±（0.003 5%RD+0.000 5%FS），45 A電流在壓接端子處產(chǎn)生的壓降平均值為236.7 mV時(shí)的最大測(cè)量誤差為0.013 28 mV，該誤差服從均勻分布，取k= 3，則u2=0.013 28 mV/ 3 =0.007 67 mV。

圖2 電阻示意

4.1.3 由全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)準(zhǔn)確度引入的不確定度分量

全自動(dòng)智能電流發(fā)生器的準(zhǔn)確度為0.05級(jí)，在45 A電流時(shí)的允許最大誤差為：△=45 A×0.05%=0.025 5 A，該誤差服從均勻分布，取k= 3，則u3=0.025 5 A/ 3=0.012 99 A。

4.1.4 合成不確定度

靈敏度系數(shù)：

由于以上各量彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，因此：

4.2 RBC的測(cè)量不確定度

RBC=UBC/I，

式中：RBC為電纜線BC段電阻；UBC為電纜線BC段的壓降；I 為施加在電纜線上的試驗(yàn)電流。

4.2.1 由測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度分量

選截面積為60 mm2的試驗(yàn)導(dǎo)線，按JIS C2805：2010《銅線用壓接端子》試驗(yàn)電流為45 A。由全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)提供45 A電流，在重復(fù)性條件下，對(duì)45 A電流在壓接端子處產(chǎn)生的壓降用數(shù)字表連接微型計(jì)算機(jī)通過(guò)專用軟件進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，10次重復(fù)測(cè)量得到的壓接電阻值分別為：8.854、8.862、8.851、8.856、8.866、8.864、8.855、8.865、8.860、8.853 mΩ。

計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)偏差：

2組平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1=0.003 862 mΩ。

4.2.2 由數(shù)字多用表的測(cè)量誤差引入的不確定度分量

數(shù)字多用表最大允許誤差為±（0.003 5%RD+0.000 5%FS），45 A電流在壓接端子處產(chǎn)生的壓降平均值398.6 mV時(shí)的最大測(cè)量誤差為0.018 95 mV，該誤差服從均勻分布，取k= 3，則u2=0.018 95 mV/ 3 =0.010 94 mV。

4.2.3 由全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)準(zhǔn)確度引入的不確定度分量

與RAB由全自動(dòng)智能電流發(fā)生系統(tǒng)準(zhǔn)確度引入的不確定度分量相同，為u3=0.025 5 A/ 3 =0.012 99 A。

4.2.4 合成不確定度

靈敏度系數(shù)：

由于以上各量彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，因此：

4.3 Rj的合成不確定度

4.4 擴(kuò)展不確定度

U=kuc=2×0.007 0=0.014 mΩ（k=2）；

Urel=（U/Rj）×100%=0.27%。

5 結(jié)論

由Urel=0.27%可知，測(cè)量誤差為±0.27%，按誤差理論，屬精密測(cè)量。本試驗(yàn)裝置滿足測(cè)量要求。

[1] JIS C 2805：2010 銅線用壓接端子[S]．

[2] JB/T 2436.1—1992 導(dǎo)線用銅壓接端頭 第一部分： 0.5～6.0 mm2導(dǎo)線用銅壓接端頭[S]．

[3] JB/T 2436.2—1994 導(dǎo)線用銅壓接端頭 第二部分： 10～300 mm2導(dǎo)線用銅壓接端頭[S]．

[4] JJF1059.1—2012 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S]．

[5] GB 1094.3—2003 電力變壓器[S]．

[6] GB 50150—1991 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[7] DL/T 596—1996 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[8] GB 2900.40—1985 電工名詞術(shù)語(yǔ)[S]．