基于沖擊大電流測(cè)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(huì)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(jì)都有其熱容量的限制，一旦超過(guò)觸頭所能承受的熱容量的范圍，斷路器就會(huì)處于非常危險(xiǎn)的狀態(tài)，造成開關(guān)故障，影響系統(tǒng)安全。因此，定時(shí)檢測(cè)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(jìn)行斷路器回路電阻檢測(cè)。斷路器回路電阻阻值很小，一般為幾十到幾百微歐。若測(cè)量電流較小，則在斷路器上產(chǎn)生的電壓降就很小，這樣對(duì)測(cè)量壓降儀器的靈敏度要求就會(huì)很高，而且小電流不能消除觸頭上的氧化膜，所以不僅使測(cè)量難度增大，也很難做到精確測(cè)量。這就要求使用大電流進(jìn)行斷路器回路電阻檢測(cè)。一般直流大電流檢測(cè)裝置的體積，會(huì)隨著輸出電流的提高而顯著增大，對(duì)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(wèn)題，本文提出了一種采用沖擊大電流檢測(cè)回路電阻的方法。該方法測(cè)量電流峰值達(dá)1000A以上，可以有效提高測(cè)量回路電阻的精度，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)這一方法進(jìn)行研究。

1 基于超級(jí)電容器的沖擊大電流測(cè)量方法

本文采用電壓比法進(jìn)行斷路器回路電阻測(cè)量。測(cè)量原理如圖1所示，測(cè)量回路電阻電壓UR和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電阻[5-7]。

圖1 電壓比法測(cè)量原理

為了實(shí)現(xiàn)沖擊大電流檢測(cè)方法，本文提出采用超級(jí)電容器作為沖擊電流檢測(cè)電路電源。

超級(jí)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(dòng)式靜電雙層儲(chǔ)能器件。超大容量電容器由表面多孔活性炭和有機(jī)電解液組成，外部通過(guò)氬弧焊方法焊接外殼密封，并通過(guò)電極與外部環(huán)境聯(lián)接。超級(jí)電容器容量最大可達(dá)1000F，使用壽命長(zhǎng)達(dá)500000次，且充電速度快，大電流放電能力強(qiáng)，是理想的沖擊電流發(fā)生電源[8-9]。

2 測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)研究

為了研究超級(jí)電容器作為沖擊電流發(fā)生電源、電壓比法作為測(cè)量原理的測(cè)量模型的可行性，利用兩個(gè)分流器分別作為標(biāo)準(zhǔn)電阻和斷路器回路電阻進(jìn)行試驗(yàn)研究，模擬實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。其中BN-CDJ33V25A作為超級(jí)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(jí)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(jí)電容器充電；晶閘管MTC200控制超級(jí)電容器放電；分流器1（75mV/750A）作為標(biāo)準(zhǔn)電阻；分流器2（75mV/1000A）用作模擬斷路器回路電阻。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖

1）沖擊大電流檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)

圖3為實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dāng)電容器沖擊電壓變化時(shí)，回路電流峰值。由表可知，當(dāng)充電電壓達(dá)到12V時(shí)，主回路電流就已經(jīng)達(dá)到了千安級(jí)，試驗(yàn)證明利用超級(jí)電容器作為電源，可以實(shí)現(xiàn)沖擊大電流檢測(cè)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(cè)量回路電阻的測(cè)量精度驗(yàn)證

利用分流器1作為標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量電壓峰值用V1表示，分流器2測(cè)量電壓用V2表示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 沖擊大電流測(cè)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(cè)量相對(duì)誤差非常小，可見采用沖擊大電流測(cè)量μΩ級(jí)的小電阻，其測(cè)量精度非常高。

然而，實(shí)際測(cè)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(gè)滅弧室的作用，每個(gè)滅弧室均并聯(lián)一個(gè)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(guò)大，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)電阻與回路電阻間電流不相等，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確[10-12]。

由于斷路器一般都比較高，實(shí)際檢測(cè)裝置的電流引線都較長(zhǎng)，電壓檢測(cè)線與回路電流引線上都會(huì)存在電感，而實(shí)際采集時(shí)電壓檢測(cè)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(cè)試線間會(huì)存在互感，使實(shí)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(cè)量值偏大。

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

3 沖擊大電流測(cè)量方法仿真模型

超級(jí)電容器等效電路如圖4所示[13]。

圖4 超級(jí)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(jí)電容器的漏電流效應(yīng)，EPR是影響超級(jí)電容器長(zhǎng)期儲(chǔ)能的參數(shù)。EPR通常很大，可以達(dá)到幾10kΩ，漏電流很小，只有幾10～100μA，EPR可以忽略不計(jì)，視為開路，故在仿真研究時(shí)超級(jí)電容器采用圖5所示模型。

圖5 超級(jí)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(jì)算公式為[14]

式中，lw為導(dǎo)線長(zhǎng)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(cè)量裝置引線采用規(guī)格為50mm2，長(zhǎng)度取為20m，根據(jù)公式可計(jì)算得引線電感為24.6μH。

根據(jù)電壓比法，標(biāo)準(zhǔn)電阻與回路電阻呈串聯(lián)關(guān)系，超級(jí)電容器在電路中作為電源，標(biāo)準(zhǔn)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(cè)仿真電路，其中1為超級(jí)電容器等效電容C=54F，2為超級(jí)電容器等效內(nèi)阻R=10mΩ，3為時(shí)控開關(guān)，t=0.008ms時(shí)閉合，4為標(biāo)準(zhǔn)電阻r=100μΩ，5為檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)仿真電路

4 均壓電容對(duì)沖擊大電流測(cè)量斷路器回路電阻的影響

電壓比法的前提是標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電流實(shí)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(guò)大，則會(huì)使回路電阻檢測(cè)不準(zhǔn)確。因此有必要對(duì)均壓電流的影響進(jìn)行仿真分析。

當(dāng)超級(jí)電容器充電電壓設(shè)為15V時(shí)，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(dá)1442A，可見均壓電容上電流可忽略不計(jì)。表3為當(dāng)均壓電容變化時(shí)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)，標(biāo)準(zhǔn)電阻與回路電阻上的電流可視為相等，故當(dāng)電路中有均壓電容時(shí)，均壓電容對(duì)于回路電阻的檢測(cè)沒(méi)有影響。

圖8 電容器充電電壓設(shè)為15V時(shí)，均壓電容上波形

分別對(duì)圖6和圖7兩種斷路器回路電阻檢測(cè)電路進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)均壓電容取0～5000pF之間的值時(shí)回路電流波形相同。又由表3可知，均壓電容值與測(cè)量回路電流峰值沒(méi)有關(guān)系。仿真也表明有無(wú)均壓電容并不改變測(cè)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(duì)沖擊大電流測(cè)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(wú)均壓電容的單斷口斷路器回路電阻測(cè)量電路還是有均壓電容的多斷口斷路器回路電阻測(cè)量電路，均可用圖7所示的仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，故研究引線電感時(shí)采用該仿真模型。

1）引線電感對(duì)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(dāng)引線電感L達(dá)1000μH時(shí)，檢測(cè)回路放電電流峰值可達(dá)到千安級(jí)。當(dāng)L=200μH時(shí)，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(dāng)引線長(zhǎng)度達(dá)100m時(shí)，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(dāng)L=200μH時(shí)，回路電流波形

2）引線電感對(duì)于斷路器回路電阻檢測(cè)的影響

斷路器回路電阻檢測(cè)，普遍采用四端子法進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)斷路器電壓的信號(hào)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(cè)線為信號(hào)線，電流可視為零，所以電壓檢測(cè)線對(duì)電流線的互感對(duì)于回路電流的檢測(cè)沒(méi)有影響。而電流線中流過(guò)千安級(jí)的電流，且該電流為沖擊電流，電流時(shí)刻在變化，故電流線對(duì)電壓線的互感將使電壓檢測(cè)線測(cè)得的電壓值改變。

圖10 回路電阻檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)接線圖

電流線對(duì)電壓線的互感，可以通過(guò)計(jì)算互感系數(shù)的方法得到。設(shè)電流回路編號(hào)為1，電流為I，磁通為Φ11，電感為 L，電壓檢測(cè)回路編號(hào)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(cè)線檢測(cè)到的電壓值為回路電阻電壓和電感電壓之和。

仿真時(shí)采用常用的引線尺寸，即長(zhǎng) 20m，截面積50mm2。則通過(guò)公式1的計(jì)算可知引線電感L=24.6μH。

圖11是斷路器電壓測(cè)試線實(shí)際測(cè)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(duì)比兩個(gè)圖發(fā)現(xiàn)因?yàn)橐€電感的影響，實(shí)際檢測(cè)得電壓波形將嚴(yán)重失真，若不消除引線電感的影響，測(cè)得的回路電阻值將不準(zhǔn)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(cè)試線實(shí)際測(cè)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(cè)回路的電流波形，當(dāng)t=21.2ms時(shí)電流達(dá)到峰值，此時(shí)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(dá)到峰值處為0。則該時(shí)刻測(cè)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(jì)算亦表明，當(dāng)t=21.2ms時(shí)，電感上電壓為0，測(cè)試電壓線測(cè)得電壓值為回路電阻電壓值，此時(shí)回路電阻電壓Ug=0.1442V，標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓Ur=0.1442V，而標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量?？梢娙粢玫綔?zhǔn)確測(cè)量斷路器回路電阻，只需要采集檢測(cè)回路電流達(dá)到峰值時(shí)電壓線測(cè)得的電壓值即可，而標(biāo)準(zhǔn)電阻上電壓波形達(dá)到峰值時(shí)刻即為檢測(cè)回路電流達(dá)到峰值時(shí)刻。

圖13 檢測(cè)回路的電流波形

2）在實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾，以及其他未知因素的影響，單個(gè)采集點(diǎn)可能存在較大誤差，應(yīng)多采集若干點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算再取平均值[15]。觀察圖11波形，發(fā)現(xiàn)電壓信號(hào)線實(shí)際檢測(cè)得到的電壓波形變化范圍非常大，最大達(dá)電源充電電壓15V，若采用電壓傳感器進(jìn)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(cè)量精度為測(cè)量范圍乘以一個(gè)系數(shù)，這樣就會(huì)使電壓傳感器測(cè)量精度較低，影響測(cè)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(chǎng)的電磁干擾，避免干擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)量線。

6 結(jié)論

為了精確測(cè)量斷路器回路電阻，本文提出了一種沖擊大電流檢測(cè)方法，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算，驗(yàn)證了該測(cè)量方法的可行性與測(cè)量的精確性，分析了實(shí)際測(cè)量時(shí)回路參數(shù)對(duì)于該測(cè)量方法的影響，得到如下結(jié)論：

1）本文提出了基于超級(jí)電容器產(chǎn)生千安級(jí)沖擊大電流，用于測(cè)量斷路器回路電阻的方法。該方法測(cè)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(jí)，而檢測(cè)回路電流為千安級(jí)，因此均壓電容對(duì)于檢測(cè)回路的影響可忽略不計(jì)。均壓電容并不影響測(cè)量電路電流波形與電流峰值。

3）引線電感不會(huì)影響測(cè)量電路沖擊大電流的產(chǎn)生，但會(huì)使實(shí)際檢測(cè)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(cè)量結(jié)果偏大。當(dāng)回路電流達(dá)到峰值時(shí)，此時(shí)的測(cè)量值為真實(shí)回路電阻電壓值，可通過(guò)這樣的方法進(jìn)行回路電阻測(cè)量，也可以通過(guò)采用屏蔽導(dǎo)線的方法消除引線電感的影響。

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