新型斷路器回路電阻測(cè)試儀的研究

袁創(chuàng)業(yè) 魏東亮 劉 珂

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引言

目前在實(shí)際的工程中，國(guó)外IEC56 標(biāo)準(zhǔn)要求開關(guān)設(shè)備的回路電阻測(cè)試電流不小于100 A，同樣國(guó)內(nèi)的GB763-90、DL405-91 等電力標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了，在對(duì)斷路器進(jìn)行回路電阻的測(cè)量時(shí)，利用直流壓降法的回路電流應(yīng)保持在100 A 以上。而在實(shí)際的回路電阻測(cè)試中，可以就測(cè)試電流的不同分為2 種。1）交流整流式電流源測(cè)試。經(jīng)過變壓器的初步隔離降壓，可以實(shí)現(xiàn)交流電的整流化操作，從而接入被測(cè)設(shè)備并開展后續(xù)的記錄工作，實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)試設(shè)備的電壓和電流，利用歐姆定律計(jì)算得到相應(yīng)的回路電阻值。這種方法只在忽略觸頭的感性因素以及對(duì)測(cè)試精度要求不高的場(chǎng)合使用。2） 恒流源測(cè)試。采用先進(jìn)的開關(guān)電源技術(shù)，電源模塊將工頻電流整流后再由電力電子變?yōu)榈蛪褐绷麟娫?，采用脈沖調(diào)制技術(shù)（PWM）實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)穩(wěn)流，為測(cè)試回路電阻提供具有較強(qiáng)穩(wěn)定性的測(cè)試大電流，并借助開關(guān)電源的功率管具有快通性和關(guān)斷性等特點(diǎn)，達(dá)到減少測(cè)試時(shí)間的目的。然而，由于開關(guān)電源內(nèi)部噪聲的影響，因此需要在測(cè)試時(shí)通過控制噪聲的強(qiáng)弱來穩(wěn)定測(cè)試環(huán)境。此外，由于測(cè)試儀器自身也存在體積大、重量高的特點(diǎn)，需要解決其攜帶和成本投入的問題。因此，新型回路電阻測(cè)試儀的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、微型化和智能化[1]。

該文對(duì)一種以法拉電容的大電流放電特性為基礎(chǔ)的回路電阻測(cè)試儀進(jìn)行研究分析，探索其短時(shí)間內(nèi)在連續(xù)產(chǎn)生100 A 以上電流時(shí)的回路電阻測(cè)試結(jié)果，并不斷推動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用。該系統(tǒng)采用了高速STM32F103C8T6 型號(hào)的控制器來達(dá)到采集測(cè)量數(shù)據(jù)的目的，提高了回路電阻的測(cè)試精準(zhǔn)度和測(cè)試速度，并且具有體積小、便攜性高、方便應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)。

1 回路電阻測(cè)量原理

法拉電容又名超級(jí)電容，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、免維護(hù)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。由于法拉電容具有電容量大、等效電阻低、內(nèi)阻小、充電效率和放電效率高、線路簡(jiǎn)單、安全性高、維護(hù)成本低等特殊性，可以為回路電阻的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備分析提供基礎(chǔ)元件[2-4]。例如，測(cè)試斷路器的回路電阻系統(tǒng)中，法拉電容的電容值參數(shù)為100 F～600 F，而等效內(nèi)阻為0.5 mΩ～3 mΩ，并能夠快速產(chǎn)生大容量的電流。由于有較小的回路等效電感存在，因此，可以在一定時(shí)間內(nèi)暫時(shí)忽略感性因素帶來的影響。測(cè)試回路的等效電路圖如圖1 所示。Resr為電容的等效電阻，斷路器等效電阻為Rc.b和電感Lc.b的串聯(lián)。電阻R1為測(cè)試回路導(dǎo)線、連接端子等電阻之和。

圖1 測(cè)試回路的等效電路圖

圖2 是測(cè)試回路的電流曲線。開關(guān)閉合后，回路電流I從零增大，當(dāng)t=t0時(shí)達(dá)到峰值Im，之后延時(shí)一段時(shí)間，t1同步采樣電流信號(hào)，在t2時(shí)刻開關(guān)斷開，結(jié)束信號(hào)采樣。

圖2 測(cè)試回路電流和斷路器端電壓曲線圖

設(shè)置不同的電容充電電壓預(yù)設(shè)值，可得到不同的放電電流曲線。

因此，對(duì)法拉電容進(jìn)行充電得到所需要的電壓，觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通后，法拉電容經(jīng)主放電回路放電，測(cè)量回路將產(chǎn)生百安級(jí)的沖擊電流。將測(cè)量得到的分流器壓降信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)、斷路器兩端的壓降作為電壓信號(hào)，測(cè)量得到的沖擊電流峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的被測(cè)斷路器的電壓與回路沖擊放電電流的比值即為斷路器導(dǎo)電回路電阻。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

回路電阻測(cè)試儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示?；诜ɡ娙莸臎_擊電流脈沖回路電阻測(cè)試儀以STM32F103C8T6 為控制器，其工作頻率最高達(dá)72 MHz，采樣電路2 個(gè)、高速AD 內(nèi)置16 通道，最終達(dá)到雙通道的信號(hào)采集與獲取，提高了采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

STM32F103C8T6 控制器控制繼電器和可控硅分別實(shí)現(xiàn)法拉電容的充電和放電，當(dāng)放電電流脈沖達(dá)到100 A 的復(fù)制效果時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)在較窄范圍（10 ms）內(nèi)的脈沖，從而形成通電時(shí)間較短、較為穩(wěn)定的開關(guān)觸頭控制以及回路電阻保持。

在電壓、電流信號(hào)的調(diào)理部分以測(cè)量放大和運(yùn)算放大的兩級(jí)放大技術(shù)為基礎(chǔ)，采用二階模擬低通濾波來進(jìn)一步排除高頻信號(hào)的干擾，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)。當(dāng)測(cè)試電路電流達(dá)到峰值時(shí)，采用峰值保持最大值的回路電流，同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行程序反映。在單片機(jī)的中斷服務(wù)程序安排中，先測(cè)量該時(shí)刻滅弧室的電壓。此時(shí)所測(cè)電壓即為回路電阻上的電壓，之后再對(duì)峰值保持狀態(tài)下的峰值電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，得出接觸電阻的數(shù)值，即開關(guān)回路電阻的大小。

2.1 電源轉(zhuǎn)換電路

電源轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示。

圖4 中，流程概括為先整流交流電，再展開充電法拉電容C1，一旦C1經(jīng)過RLC 二階電路時(shí)，控制斷路器實(shí)現(xiàn)電路的放電。其中，在控制上，由K1控制繼電器部分，由可控硅SCR 控制放電的時(shí)間。R1為限流電阻，R2為分流器，R3為電感的等效電阻。二極管D1限制放電電流的方向，防止法拉電容反向充電。

2.2 電路信號(hào)調(diào)理

圖3 測(cè)試儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路

一般而言，信號(hào)調(diào)理通常涵蓋了低通濾波以及信號(hào)放大2 個(gè)方面。其中，信號(hào)放大主要是考慮到對(duì)斷路器的加壓有限，因此采用兩級(jí)放大器放大微弱信號(hào)。第一級(jí)采用測(cè)量放大器來初步提高輸入通道內(nèi)部的共模抑制比，第二級(jí)是運(yùn)放放大器來放大第一級(jí)的信號(hào)輸出，使輸出信號(hào)達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍。該文采用AD623 和OP07 兩級(jí)放大器，再通過AD1674 模數(shù)轉(zhuǎn)換為12 位的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)中。在增強(qiáng)電路信號(hào)的抗干擾能力時(shí)，可以在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換前輸入測(cè)量信號(hào)，并經(jīng)過有源低通濾波器來進(jìn)一步截止和設(shè)定頻率的濾出干擾信號(hào)。

AD623 具有低功耗、較寬的動(dòng)態(tài)范圍、良好的線性和可靠性。測(cè)試電流峰值達(dá)100 A，斷路器回路電阻正常時(shí)為幾十μΩ。當(dāng)取測(cè)試的值為200 μΩ 時(shí)，相對(duì)應(yīng)的斷路器電壓范圍應(yīng)為0～20 mV。而在放大AD623 10 倍之后，則有200 mV 的輸出。具體表示為增益電阻RG=11K，則放大倍數(shù)為G=10.09。

運(yùn)放OP07 實(shí)現(xiàn)同相放大的功能，放大系數(shù)k=1+R23/R21，在考慮AD623 的放大倍數(shù)G=10.09 和濾波器增益A=1.60 后，將A/D 輸入電壓保持在0～10 V，此時(shí)的放大系數(shù)為k=3。而當(dāng)輸入信號(hào)值較小時(shí)，調(diào)解電位器是1 和8 的引腳間電位器。

信號(hào)放大后進(jìn)行有源低通濾波，有源濾波由電阻、電容及運(yùn)算放大器組成。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于法拉電容的沖擊電流脈沖回路電阻測(cè)試儀的軟件部分采用LabVIEW 圖形化編程語言開發(fā)，系統(tǒng)功能模塊主要包括充/放電控制、電壓電流信號(hào)采集、數(shù)字濾波、回路電阻計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。在主程序中包括充放電控制、數(shù)據(jù)處理、回路電阻計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)。

4 測(cè)試儀調(diào)試

4.1 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試

實(shí)驗(yàn)室調(diào)試是在高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，主要對(duì)真空斷路器的滅弧室回路電阻進(jìn)行測(cè)量。但基于觸頭材料以及接觸情況對(duì)于真空斷路器真空滅弧室測(cè)量的有效電阻影響力分析，需要進(jìn)行具體的調(diào)試。一般真空滅弧室的有效電阻為20 μΩ～150 μΩ。通過測(cè)量不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，驗(yàn)證基于法拉電容的沖擊電流脈沖回路電阻測(cè)試儀在不同測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確性，為測(cè)量裝置的主要技術(shù)指標(biāo)提供參考依據(jù)。

測(cè)量系統(tǒng)對(duì)10 μΩ～300 μΩ 標(biāo)準(zhǔn)電阻的測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差見表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)電阻下的測(cè)量結(jié)果

由表1 數(shù)據(jù)可知，在充電電流100 A、標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)量范圍10 μΩ～300 μΩ，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差均在1%以內(nèi)，而短路器真空滅弧室的回路電阻范圍也是在此區(qū)間。因此，測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足工程實(shí)際需求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

針對(duì)東莞某220 kV 變電站10 kV 501 高壓斷路器的A、B、C 三相進(jìn)行測(cè)試，斷路器銘牌見表2。

表2 斷路器銘牌

對(duì)微電阻進(jìn)行精密測(cè)量時(shí)必須要考慮測(cè)量引線電阻因素帶來的影響，并可以借助四端子引線的方式來達(dá)到測(cè)量的效果。I+、I-為電流端子，V+、V-為電壓端子，通過在斷路器的連接桿內(nèi)端連接電壓測(cè)量線，和在連接桿外端連接電流線的方式，進(jìn)一步對(duì)比回路電阻的測(cè)量結(jié)果與出廠值變化。測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 回路電阻測(cè)量值

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與出廠值相比，斷路器的回路電阻值出現(xiàn)變大的情形。利用回路電阻來測(cè)試斷路器觸頭的壽命是重要的檢測(cè)方法，表明了回路電阻與觸頭穩(wěn)定性之間的反比關(guān)系，即回路電阻越大，觸頭的電壽命越低[5]。因此對(duì)10 kV 開關(guān)設(shè)備的觸頭進(jìn)行分析時(shí)，是在檢測(cè)出開關(guān)設(shè)備回路電阻的標(biāo)準(zhǔn)值，即對(duì)所允許最大值的研究基礎(chǔ)上，判定開關(guān)設(shè)備觸頭的壽命是否合格，對(duì)超過標(biāo)準(zhǔn)值的元件進(jìn)行檢修。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)回路電阻進(jìn)行分析，在觀察和對(duì)比大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定最終的檢修標(biāo)準(zhǔn)和控制值，從而對(duì)觸頭的使用壽命進(jìn)行判斷[6]。

5 結(jié)論

基于法拉電容的沖擊電流脈沖回路電阻測(cè)試儀以法拉電容作為測(cè)試電源，可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到連續(xù)產(chǎn)生100 A以上電流的效果，并有效減少了大電流觸頭對(duì)測(cè)量結(jié)果的不良影響。以DSP 為控制器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，利用調(diào)理電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行采集和放大濾波處理，能夠快速測(cè)量斷路器的回路電阻，與傳統(tǒng)的斷路器回路電阻測(cè)試裝置相比，其體積小、使用方便、測(cè)量精度高，大大縮短了斷路器合閘回路電阻的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間。對(duì)法拉電容的沖擊電流脈沖回路的電阻測(cè)試儀進(jìn)行分析，進(jìn)而保證了斷路器的安全運(yùn)行。