電力二次接線端子緊固可靠性的檢測和分析

沈瓊妹，王建勇，張睿，鄺玉芳

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東珠海，519000）

1 緒論

電纜作為電網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)著設(shè)備間連接、電能以及信號傳輸?shù)戎匾饔谩Ｒ虼穗姎膺B接的可靠性，直接關(guān)系到電力企業(yè)的供電可靠性與安全性。

變電站中繼電保護(hù)裝置的正確動作，離不開二次回路的正確走向和緊固可靠。二次回路的駁接主要靠接線端子來實現(xiàn)，二次接線端子的緊固可靠決定了二次回路是否可以發(fā)揮作用，也就是繼電保護(hù)能否告別拒動、誤動等現(xiàn)象[1]。

在長期運(yùn)行過程中，開關(guān)觸頭、母線排連接處及電纜接頭等機(jī)械連接點(diǎn)會因氧化、松動等連接可靠性問題而導(dǎo)致接觸電阻過大而發(fā)熱，并可能形成惡性循環(huán)。溫升、膨脹、收縮、氧化，電阻增大、再度升溫，由此最終可能釀成火災(zāi)事故，造成大面積的停電。

開關(guān)觸頭、母線排連接處及電纜接頭等機(jī)械連接點(diǎn)會因氧化，形成金屬的非線性結(jié)點(diǎn)。而基于諧波雷達(dá)技術(shù)可以有效檢測金屬結(jié)點(diǎn)的非線性特性，尤其是金屬結(jié)點(diǎn)不帶電的情況下。諧波雷達(dá)是一種通過發(fā)射基波信號，接收來自目標(biāo)再輻射的2次、3次甚至是更高次的諧波/組合波回波信號，并對目標(biāo)進(jìn)行判斷、識別和探測的雷達(dá)系統(tǒng)。該項特性則可以應(yīng)用在檢測電纜與各機(jī)械連接點(diǎn)上，特別是二次接線端子。當(dāng)電纜或機(jī)械連接點(diǎn)出現(xiàn)不可靠連接時，由于中間存在一定成分的松散氧化物，諧波雷達(dá)將會接收到大量2或3次諧波，反之則不會出現(xiàn)。利用金屬結(jié)點(diǎn)的非線性特性，結(jié)合諧波雷達(dá)反射值反向推斷金屬結(jié)點(diǎn)的導(dǎo)通電阻數(shù)值，研制出一種針對電力二次接線端子緊固可靠性的檢測和分析的裝置。通過本裝置和一系列測量措施，可以讓電力開關(guān)、電纜等設(shè)備在運(yùn)行條件下，利用諧波雷達(dá)反射值反向推斷金屬結(jié)點(diǎn)的導(dǎo)通電阻數(shù)值，從而可依據(jù)行標(biāo)判定接觸性是否良好，使其具有一個統(tǒng)一的判斷法則，能與行業(yè)判斷標(biāo)準(zhǔn)相匹配。從而解決繼保自動化專業(yè)施工驗收以及日常運(yùn)維過程中，對二次接線端子連接可靠性無法進(jìn)行有效檢測的問題，減少工作量，提高工作效率。

2 二次接線端子緊固可靠性的檢測原理

2.1 金屬結(jié)點(diǎn)的非線性特性

二次接線端子會形成金屬結(jié)點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有研究[2]，帶有金屬結(jié)點(diǎn)的非線性目標(biāo)，其伏安特性曲線為：

圖1 金屬結(jié)點(diǎn)的伏安特性曲線

當(dāng)結(jié)點(diǎn)兩端的電壓小于1.5V時，電流可近似表示為：

其中，β為伏安特性的非線性系數(shù)，單位是[1/V2]；R0為金屬結(jié)初始電阻，即當(dāng)結(jié)點(diǎn)兩端電壓為零時的電阻，單位為[Ω]。隨著金屬結(jié)點(diǎn)氧化程度的加深，β發(fā)生變化，而R0不變。

當(dāng)使用單頻率（頻率為f0，即角頻率ω0= 2πf0）的電磁波進(jìn)行照射時，非線性結(jié)點(diǎn)的感應(yīng)電壓可以寫做：

將式（2）帶入式（1），則可得到非線性結(jié)點(diǎn)上的電流為：

基波幅值中，由于βU30導(dǎo)致的非線性分量較弱，因此基波幅值：

三次諧波與基波的幅值的三次方之比為：

2.2 二次端子緊固可靠性測試分析原理

（1）首先在電力開關(guān)、電纜等電力設(shè)備停電的狀態(tài)下，對非線性金屬結(jié)點(diǎn)施加直流激勵電壓U1，產(chǎn)生直流激勵電流I1，并控制U1的大小，使得激勵電流I1大于100A，以滿足行標(biāo)對于電力開關(guān)的測試電流的要求。將此值帶入公式（1）中可得到：

因此導(dǎo)通電阻：

為了后文描述的方便，采用電導(dǎo)G進(jìn)行計算來替代電阻R。由電學(xué)知識可知G=1/R，電導(dǎo)信息與電阻信息完全等價。令G0=1/R0，因此在激勵電壓U1下，金屬結(jié)點(diǎn)電導(dǎo)G1：

上式中G1、U1為已知量，G0、β為未知量。一般G0不變，而隨著時間推移，金屬結(jié)點(diǎn)氧化物發(fā)生變化，β隨之發(fā)生變化。

相近時段內(nèi)，加載直流激勵電壓U2，并控制U2不等于U1，且使得響應(yīng)電流I2大于100A。

此時

上式中G2、U2為已知量，G0、β為未知量。

聯(lián)立式（8）和式（9）上述兩個計算公式，求解二元一次方程，可得G0和β：

（2）在步驟1的基礎(chǔ)上，距離被測設(shè)備距離R處，照射雷達(dá)電磁波，通過雷達(dá)反射信號捕捉到3次諧波幅值與1次諧波幅值，令k為3次諧波幅值與1次諧波幅值的三次方之比，則存在如下關(guān)系：

上式中，測量反射信號中的三次諧波幅值U(3ω)和基波幅值U(ω)，從而求得k，k為已知量。

（3）通過步驟1和步驟2，得到了停電條件下，金屬結(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息：G1、U1、G0、k，將上述信息記錄，作為后續(xù)判定在線判定導(dǎo)通電阻的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

同樣，上式中，測量得到三次諧波幅值U′(3ω)和基波幅值U′(ω)，因此K′也為已知量。而β′存在如下關(guān)系：

（5）等效換算。因此，在運(yùn)行一段時間后，可在線測得金屬結(jié)點(diǎn)的導(dǎo)通電導(dǎo)為：

進(jìn)一步變換：

其中：

G1為已知的中間量，可由步驟1停電時的激勵電壓U1和響應(yīng)電流I1得到，G1=I1/U1；

G0為已知的中間量，可由步驟1停電時施加兩次不同的激勵電壓，測量并計算得到；

（1）術(shù)前普及。術(shù)前護(hù)理人員嚴(yán)格執(zhí)行術(shù)前體征監(jiān)測以及標(biāo)記、正確備皮工作，完成遠(yuǎn)離手術(shù)區(qū)域的標(biāo)記，且完成消毒處理，依據(jù)患者身體狀況選定的麻醉方式，指導(dǎo)患者禁食禁飲且在術(shù)前6 h幫助患者完成非固體食物進(jìn)食，術(shù)前4 h協(xié)助病房護(hù)士完成超前鎮(zhèn)痛[1] 。

k值為已知的中間量，可由步驟2測量諧波雷達(dá)反射值得到；

k’值為已知的中間量，可由步驟4測量諧波雷達(dá)反射值得到。

所以，G1’可通過上述中間量帶入式（16）求得。

亦可將測量原始量U1、I1、U2、I2、U(ω)、U(3ω)、U′(ω)、U′(3ω)帶入，得到 ：

根據(jù)電阻和電導(dǎo)的倒數(shù)關(guān)系。導(dǎo)通電阻R1’為：

因此，電力開關(guān)在運(yùn)行一段時間后，不需要停電，可在帶電條件下，通過諧波雷達(dá)測量得到。

3 二次端子緊固可靠性測試裝置簡介

3.1 裝置結(jié)構(gòu)單元

本裝置主要有四大單元構(gòu)成：

(1)MCU單元，主要用于控制和信號處理。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)單元

(2)基波雷達(dá)發(fā)射單元，主要產(chǎn)生2.4GHz的基波射頻信號。

(3)基波雷達(dá)和3次諧波雷達(dá)接收單元，接收反射的2.4GHz基波信號和3次諧波信號（即7.2GHz）。

(4)直流激勵與采樣單元，主要產(chǎn)生直流大電流激勵，加載于被測品上，同時測量激勵電壓和電流。

3.2 各單元功能簡介

（1）MCU單元，主要用于控制和信號處理。

（2）基波雷達(dá)發(fā)射單元。MCU控制DAC電路產(chǎn)生基帶信號后，通過頻率合成電路和調(diào)制電路調(diào)制得到2.4GHz信號，功率放大電路調(diào)節(jié)發(fā)射信號的功率，低通濾波電路濾除發(fā)射通道產(chǎn)生的干擾信號，經(jīng)過濾波后的射頻信號通過天線發(fā)射出去。

（3）基波雷達(dá)和3次諧波雷達(dá)接收單元。接收單元的主要過程為：通過天線接收反射的基波信號和3次諧波信號，先進(jìn)行濾波，再經(jīng)過解調(diào)電路得到基帶信號。由于接收的諧波信號功率較小，因此在ADC處理前，需要將其進(jìn)行功率放大處理。

（4）直流激勵與采樣單元。主要通過開關(guān)變換電路，產(chǎn)生大電流輸出。此時激勵電壓和激勵電流，可通過電壓采樣調(diào)理模塊、電流采樣調(diào)理模塊進(jìn)行處理，最后送入ADC中采樣。

3.3 在線測量流程

采用本裝置進(jìn)行在線測量電力二次接線端子的流程為：

（1）停電條件下，在被測品上，以有線的方式加載直流激勵電壓和電流，并測量得到電壓為U1，電流為I1。

相近時間段內(nèi)，停電條件下，改變激勵電壓，測量得到電壓為U2，電流為I2，通過前述技術(shù)方案中的方式，計算得到G0、β。

（2）相近時間段，在（1）和（2）的基礎(chǔ)上，斷開本裝置與物品的有線連接，距離被測設(shè)備距離R處，照射雷達(dá)電磁波，得到反射后的基波幅值U()ω和3次諧波幅值U(3)ω，進(jìn)而得到基波與三次波幅值三次方比值k。將G0、β、k保存至本裝置中存儲，用于后續(xù)計算。

（3）若干時間后（如被測品運(yùn)行一年后），在被測品停電或者運(yùn)行的條件時，天線與被測品距離同樣為R時，采用諧波雷達(dá)方式照射被測品，得到反射后的基波幅值U′()ω和3次諧波幅值U′(3)ω，進(jìn)而得到基波與三次波幅值三次方比值k’。

（4）將停電條件下本裝置存儲的G0、β、k，和本次測量得到的k’帶入式中，進(jìn)行計算，得到此時的電導(dǎo)G1’，同時進(jìn)行電導(dǎo)-電阻變換，得到導(dǎo)通電阻R1’=1/ G1’。

（5）將計算得到R1’與行標(biāo)中規(guī)定的閾值進(jìn)行比較，從而判斷開關(guān)觸頭連接可靠性。

圖3 測量流程圖

4 結(jié)論

上述二次接線端子緊固檢測方法主要基于諧波雷達(dá)，通過發(fā)射基波信號，接收來自目標(biāo)再輻射的2次、3次甚至是更高次的諧波、組合波回波信號，再對目標(biāo)進(jìn)行判斷、識別和探測。與僅接收基波信號的一般基波雷達(dá)相比，諧波雷達(dá)除得到來自目標(biāo)的基波通道信息外，還可得到2次、3次及更高次的信息。同時也比一般的雷達(dá)更加具有雜波抑制和過濾能力。

根據(jù)相關(guān)研究證明，兩個不同的金屬接觸后產(chǎn)生的氧化物會產(chǎn)生諧波信號，一般稱之為環(huán)境二極管。但是由于氧化物質(zhì)地松散，不會形成可預(yù)測且穩(wěn)定的時間響應(yīng)函數(shù)。該項特性則可以應(yīng)用在二次接線端子連接點(diǎn)上，當(dāng)連接點(diǎn)出現(xiàn)不可靠連接時，由于中間存在一定成分的松散氧化物，諧波雷達(dá)將會接收到大量2或3次諧波，反之則不會出現(xiàn)。

現(xiàn)有技術(shù)中，基于諧波雷達(dá)識別金屬結(jié)點(diǎn)非線性目標(biāo)時，主要通過2次或者3次諧波的幅值、功率等信息判斷結(jié)點(diǎn)接觸性好壞，此種判定帶有一定的主觀性和判定法則的多樣性（如有研究者主要研究3次諧波和2次諧波的比值，判斷金屬連接可靠性，對于判定閾值的取舍，存在一定的主觀性），難以形成一個行業(yè)公認(rèn)的判定法則和判定結(jié)果。且現(xiàn)有技術(shù)無法將諧波雷達(dá)所測幅值、功率等數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到導(dǎo)通電阻，從而依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如《DL/T 596-2005 電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》）中規(guī)定的導(dǎo)通電阻的閾值，判定接觸性是否良好。而本裝置將有線測量功能與諧波雷達(dá)功能進(jìn)行組合，通過一系列測量后，可以將諧波雷達(dá)測量結(jié)果換算為導(dǎo)通電阻結(jié)果，從而可以利用行標(biāo)中對于導(dǎo)通電阻的規(guī)定，以公認(rèn)的法則對金屬結(jié)點(diǎn)可靠性進(jìn)行判斷。

本文論述的電力二次接線端子緊固可靠性的檢測方法，可以實現(xiàn)在不停電條件下，對二次接線端子緊固情況進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)的二次回路狀態(tài)檢測，長期依靠作業(yè)人員的經(jīng)驗進(jìn)行檢測和分析。[3]相對于傳統(tǒng)的檢測方法而言，本裝置可以很好地定位虛接或斷開的端子，解決繼保自動化專業(yè)施工驗收以及日常運(yùn)維過程中，對二次接線端子連接可靠性無法進(jìn)行有效檢測的問題。