35kV及其以下電力電纜導(dǎo)體連接金具電阻測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

華穎，鮑振宇

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京，214200）

35kV及其以下電力電纜導(dǎo)體連接金具電阻測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

華穎，鮑振宇

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京，214200）

GB/T 9327-2008規(guī)定了國(guó)內(nèi)用于35kV電力電纜導(dǎo)體的壓接式、機(jī)械式連接金具相關(guān)試驗(yàn)方法和要求，其中關(guān)于連接金具電阻測(cè)量給出了很高的要求。本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所提出的間接測(cè)量的方式，使用“歐姆定律”原理，利用stm32作為嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)制作了全自動(dòng)連接金具電阻測(cè)量裝置，并與傳統(tǒng)QJ36電橋進(jìn)行了測(cè)量比對(duì)。

連接金具；電阻測(cè)量；嵌入式開發(fā)

0 引言

GB/T 9327-2008規(guī)定了國(guó)內(nèi)用于35kV及其以下電力電纜導(dǎo)體的壓接式、機(jī)械式連接金具相關(guān)試驗(yàn)方法和要求，其中關(guān)于連接金具電阻測(cè)量可以選擇使用間接式或直接式測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)其他的各類要求，計(jì)劃設(shè)計(jì)制造一款全自動(dòng)間接式電阻測(cè)量裝置，用于完成該項(xiàng)測(cè)量。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求的電阻試驗(yàn)方法及要求

GB/T 9327-2008的6.2章節(jié)“測(cè)量”對(duì)電阻試驗(yàn)方法做出了明確的要求，包括了：

1）電阻測(cè)量需要在穩(wěn)定無(wú)風(fēng)環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境及試驗(yàn)回路溫度都需要穩(wěn)定，環(huán)境溫度應(yīng)為15℃～30℃。

2）進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)，應(yīng)記錄連接金具和基準(zhǔn)導(dǎo)體的溫度，并將電阻值修正至20℃。

3）電阻測(cè)量時(shí)，需要正反各測(cè)一次求平均，已消除熱電勢(shì)帶來(lái)的影響。

4）電阻間接讀取時(shí)，電壓測(cè)量精度不低于±0.5%或±10μV，取精度較高值。電流測(cè)量精度不低于±0.5%或±0.1A，取精度較高值。

5）電阻直接讀取時(shí)，電阻測(cè)量精度應(yīng)不低于±1%或±0.5μΩ，取精度較高值。

電阻測(cè)量是在熱循環(huán)試驗(yàn)將導(dǎo)體及金具加熱至90℃的情況下進(jìn)行的，停止熱循環(huán)后導(dǎo)體及金具溫度下降速度很快，只有使用全自動(dòng)的儀器才能夠在最短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量，并在測(cè)量后實(shí)時(shí)將電阻值換算至20℃，才能最大程度避免測(cè)得電阻與導(dǎo)體及金具溫度不匹配導(dǎo)致的試驗(yàn)無(wú)效。

2 裝置設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的裝置主要用于35kV及其以下的電力電纜導(dǎo)體連接金具的電阻測(cè)量，目前我國(guó)常用的35kV及其以下電力電纜截面一般最大為630mm2，特殊情況下在這個(gè)電壓等級(jí)會(huì)出現(xiàn)更大截面，故裝置測(cè)量的容量設(shè)計(jì)為最大適應(yīng)1000mm2銅導(dǎo)體測(cè)量，覆蓋可能遇到的所有試驗(yàn)樣品。

標(biāo)準(zhǔn)中提到了電阻間接測(cè)量及直接測(cè)量的兩種方式，一般進(jìn)行導(dǎo)體電阻測(cè)量時(shí)使用的雙臂電橋，其通過(guò)調(diào)節(jié)橋臂電阻使得檢流計(jì)平衡的方式，就是一種典型的電阻直接測(cè)量方式。而此次設(shè)計(jì)的裝置則是使用了標(biāo)準(zhǔn)推薦的間接法測(cè)量，即利用“歐姆定律”原理，測(cè)量連接金具兩端電壓、電流后計(jì)算得出電阻值。

根據(jù)熱循環(huán)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，YJV 26/35kV 1*630mm2電纜樣品進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)能夠?qū)?dǎo)體溫度穩(wěn)定在95℃所需的電流為1000~1200A（熱循環(huán)試驗(yàn)不代表該電纜實(shí)際載流量）。則根據(jù)GB/T 9327-2008的要求，電阻測(cè)量時(shí)應(yīng)使用熱循環(huán)電流10%的直流電流，選擇最大輸出2V/250A的可調(diào)恒流源，能夠滿足試驗(yàn)需求，并具有良好的檢測(cè)能力裕量。

查詢GB/T 3956-2008第2類圓形緊壓銅導(dǎo)體，630mm2這一規(guī)格電阻最大值為0.0286Ω/km，我們用于試驗(yàn)測(cè)量的連接金具一般長(zhǎng)度短于300mm，及所測(cè)目標(biāo)電阻最大為8.58μΩ，施加120A電流后，需要測(cè)量的端電壓為1029.6μV，精度要求±0.5%或±10μV，取精度較高值。根據(jù)這樣的要求和預(yù)計(jì)電氣參數(shù)，需要設(shè)計(jì)一只放大器，將微伏級(jí)信號(hào)至少放大至毫伏級(jí)用于直接測(cè)量，而此類高倍率高靈敏度的放大裝置往往存在溫度波動(dòng)帶來(lái)的偏差，所以還需要設(shè)計(jì)制作一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)源用于在每次實(shí)驗(yàn)之前對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)零。

最后該套裝置還應(yīng)具有導(dǎo)體及連接金具溫度實(shí)時(shí)采樣的功能，以及可視化的操作界面。

3 裝置原理及組件設(shè)計(jì)

3.1 恒流源

該套裝置使用到的恒流源設(shè)計(jì)為：空載輸出最大DC 2V，最大輸出電流DC 250A，使用高精度分流器進(jìn)行恒流采樣，電流精度±0.5%或±0.1A，取精度較高值。同時(shí)恒流源具有串口通訊功能，適應(yīng)Modbus通訊協(xié)議，能夠通過(guò)內(nèi)部寄存器的讀寫確保上位機(jī)有效控制電流輸出及實(shí)際電流反饋。

此類恒流源有電源設(shè)計(jì)研發(fā)企業(yè)提供成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，故不做過(guò)多贅述。

3.2 信號(hào)放大器

微伏級(jí)（μV）信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量是該裝置的最大難題，由于信號(hào)過(guò)小，常規(guī)的測(cè)量?jī)x表都不能夠直接測(cè)量，且接觸熱電勢(shì)、熱電偶效應(yīng)、通信信號(hào)干擾等都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

經(jīng)過(guò)技術(shù)可行性分析，設(shè)計(jì)制作一個(gè)可以多檔位調(diào)節(jié)，最大可以放大1000倍的信號(hào)放大器，然后使用AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行讀取。

為了避免電源紋波帶來(lái)的干擾，放大器的設(shè)計(jì)使用了9V電池供電。根據(jù)功耗計(jì)算，2節(jié)9V電池可保證500次以上的間斷使用（每次試驗(yàn)時(shí)實(shí)際使用時(shí)間很短，不超過(guò)5分鐘）。

選用金屬制密封盒作為電場(chǎng)屏蔽，安裝電路板。

選用高精度儀表級(jí)運(yùn)放作為放大器件，選用高精度的電阻，并設(shè)計(jì)2級(jí)調(diào)零。放大器電路圖如下圖1所示。另一只用于反向輸出，在總放大倍數(shù)的情況下放大“-1”倍。設(shè)計(jì)雙向輸出主要是為了方便地進(jìn)行正反向測(cè)量。第二級(jí)放大器及反向輸出放大器設(shè)計(jì)了“Zero1、Zero2”兩個(gè)調(diào)零電位器，用于每次試驗(yàn)前的放大器調(diào)零。外接的5針接口通過(guò)板載繼電器組由上位機(jī)自動(dòng)選擇需要的放大倍數(shù)。

3.3 基準(zhǔn)信號(hào)源

試驗(yàn)過(guò)程中，放大器需要使用該基準(zhǔn)信號(hào)源進(jìn)行調(diào)零和校準(zhǔn)。基準(zhǔn)信號(hào)為微伏級(jí)，輸出范圍為微伏至百微伏。基準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)電路

基準(zhǔn)信號(hào)源使用一節(jié)AA電池供電，使用“l(fā)m385-1.2”作為基準(zhǔn)電壓輸出。“l(fā)m385-1.2”是一款高精度的電壓基準(zhǔn)穩(wěn)壓管，使

圖1 放大器設(shè)計(jì)電路

電路設(shè)計(jì)有兩級(jí)放大，并有一級(jí)放大倍數(shù)為“-1”的反向輸出，能夠輸出正負(fù)兩路被測(cè)信號(hào)。

輸入信號(hào)使用二極管消除可能存在的高幅值的干擾信號(hào)，并通過(guò)共模電感濾除共模干擾。第一級(jí)放大器選用了一片“INA128”儀表運(yùn)算放大器，該級(jí)放大器直接將信號(hào)放大“-500”倍之后輸出，至第二級(jí)放大器。第二級(jí)放大器同樣選用了一片高精度運(yùn)放，內(nèi)含2只運(yùn)放主體。一只用于第二級(jí)放大，通過(guò)外接的5針接口選擇放大倍數(shù)，電阻匹配的放大倍率為“-0.2X、-0.5X、-1X、-10X”，與第一級(jí)配合總放大倍數(shù)為“100X、250X、500X、1000X”。用1.5V供電后，能夠提供典型值為1.205～1.260V的基準(zhǔn)電壓。需要對(duì)采購(gòu)的“l(fā)m385-1.2”進(jìn)行測(cè)量，輸出電壓為1.238V。通過(guò)外接的繼電器組由上位機(jī)自動(dòng)選擇需要的校準(zhǔn)信號(hào)值，輸出“1.105μV、5.158μV、10.316μV、25.791μV、50.581μV、103.158μV”，基準(zhǔn)信號(hào)覆蓋范圍較大，能夠滿足校準(zhǔn)需求。

3.4 上位機(jī)及界面顯示

管理上位機(jī)選用stm32f1系列單片機(jī)作為嵌入式平臺(tái)核心，stm32是一款由“ST”公司出品的基于Contex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)，近年來(lái)應(yīng)用非常廣泛，依托其便捷免費(fèi)的開發(fā)環(huán)境，非常適合用其作為中小運(yùn)算量裝置的運(yùn)算管理核心。

此次設(shè)計(jì)的裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)需求，選擇了STM32F103C8這一型號(hào)的單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)具有64K ROM、20K RAM、37IO、LQFP48封裝，工作最高主頻72M，具有10路12位片載AD轉(zhuǎn)換以及3個(gè)硬件串口控制器。

圖3描述的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，使用串口1以通訊方式與顯示及觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，對(duì)人員的操作進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí)使用串口2對(duì)恒流源進(jìn)行控制，并讀取恒流源實(shí)際電流值。

其中ADS1232是一片使用非常廣泛的24位AD轉(zhuǎn)換芯片，由于我們要測(cè)量的電壓信號(hào)在毫伏級(jí)，使用STM32F1的片載12位AD轉(zhuǎn)換后分辨率不夠高，所以選用專用AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。單片機(jī)采用查詢法使用GPIO口對(duì)ADS1232進(jìn)行控制，并讀取數(shù)據(jù)。

基準(zhǔn)信號(hào)源及放大器的檔位設(shè)定使用GPIO口驅(qū)動(dòng)三極管后驅(qū)動(dòng)繼電器組進(jìn)行檔位的選擇。

使用熱電偶對(duì)導(dǎo)體及連接金具進(jìn)行測(cè)溫，經(jīng)過(guò)熱電偶專用放大器，將0~200℃對(duì)于0~3.3VDC后，使用單片機(jī)片載AD進(jìn)行采樣。

顯示屏選用市面上常見的帶觸摸的串口通訊屏，顯示屏自帶顯示及觸摸控制器，減少單片機(jī)操作運(yùn)算量。使用設(shè)計(jì)軟件將設(shè)計(jì)好的顯示界面存在SD卡中，該顯示屏即可自主顯示，單片機(jī)只需要將需要顯示的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)串口與之通訊即可，同樣的對(duì)于觸摸操作，顯示屏自主完成識(shí)別，將相應(yīng)的操作用通訊代碼發(fā)送至單片機(jī)進(jìn)行處理。

整套裝置在單片機(jī)的控制下以圖4的邏輯進(jìn)行運(yùn)行，最終完成測(cè)試。

4 裝置的校準(zhǔn)及驗(yàn)證

在使用設(shè)計(jì)的裝置之前，需要對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器送校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，得到準(zhǔn)確的每一檔輸出電壓值，手動(dòng)存入單片機(jī)ROM中待用。實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要使用四端夾具，裝置的放大器輸入端連接四端夾具內(nèi)側(cè)端子，采樣電壓值。

圖4 裝置執(zhí)行邏輯

驗(yàn)證試驗(yàn)采用電力電纜直流電阻樣品進(jìn)行測(cè)試，有效長(zhǎng)度1000mm，試驗(yàn)在恒溫（20±5℃）間內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)前試驗(yàn)樣品已經(jīng)過(guò)24h的平衡。針對(duì)同一樣品分別使用本次設(shè)計(jì)制作的裝置和QJ36型電橋進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果進(jìn)行比較（QJ36型電橋是典型的用于導(dǎo)體直流電阻測(cè)量的精密儀器，搭配10-3Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)，其最小分辨率為0.01μΩ。）。比對(duì)結(jié)果如下表1所示。

表1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)該比對(duì)試驗(yàn)可以看出，此次設(shè)計(jì)的“間接式導(dǎo)體連接金具電阻測(cè)試裝置”具有較高的精度，能夠有效完成微小電阻的精密測(cè)量。

縱觀整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程，微小信號(hào)的高倍率放大以及精密AD轉(zhuǎn)換采樣是最大的難點(diǎn)。主要的問(wèn)題是系統(tǒng)抗干擾要求非常高，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究后，采取了如下措施解決了相關(guān)的問(wèn)題：放大器及基準(zhǔn)信號(hào)源采用干電池供電。采用全密閉的金屬盒安裝放大器及基準(zhǔn)信號(hào)源，僅預(yù)留輸入輸出開孔。24位AD芯片需要合理的PCB布線。

此次設(shè)計(jì)制作的“間接式導(dǎo)體連接金具電阻測(cè)試裝置”是模擬電路技術(shù)、嵌入式技術(shù)與線纜檢測(cè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的有效結(jié)合，通過(guò)“歐姆定律”這一最基本的電學(xué)原理，最終完成了35kV及其以下電力電纜導(dǎo)體連接金具的微小電阻測(cè)量。

[1]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9327-2008.

[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3956-2008.

Design and application of resistance testing equipment for 35kV and below power cable conductor connector

Hua ying，Bao Zhenyu
（Jiangsu Institute of product quality supervision and inspection, Jiangsu Nanjing, 214200）

GB/T 9327-2008 provides the relevant test methods and requirements for the compression type and mechanical connection fittings used in 35kV power cable conductors in china. According to the standard of indirect measurement, the use of “Ohm’s law” principle, the use of STM32 as the embedded platform is designed for automatic connection fittings resistance measuring device, and measuring the comparison with the traditional QJ36 bridge.

connecting hardware; resistance measurement; embedded development