高速動車組電纜線壓接電阻檢測裝置的研制及分析

■ 曹戎 高存麗

為滿足高速動車組及地鐵大電流電纜線壓接端的接觸電阻檢測，研制了高速動車組電纜線壓接電阻檢測裝置。該裝置以計算機系統(tǒng)為核心，通過直流大電流發(fā)生器提供準確而穩(wěn)定的試驗電流，穩(wěn)定度達0.05%。由電流比較儀對輸出電流進行測量，通過伏安法實現(xiàn)終端壓接線頭的電纜線壓接電阻測試，測試數(shù)據(jù)準確可靠。這套試驗裝置節(jié)省了試驗費用，縮短了工藝流程，提高了生產(chǎn)效率，填補了一項試驗空白，在同行業(yè)具有領(lǐng)先地位。

1 電阻概念及壓接電阻測量

1.1 電阻概念

導(dǎo)體對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，會產(chǎn)生電阻，這一電阻的大小最好小于等于同長導(dǎo)線的電阻，這樣電纜線壓接端子在與電纜線壓接時，沒有改變電纜線的這一物理性能。但在對電纜線進行端子壓接時，難免會因壓線鉗、接線端子質(zhì)量（如端子壁厚薄、端子內(nèi)壁處理等）及壓接時操作人員的工藝質(zhì)量等原因，會出現(xiàn)：壓得過緊、剝線皮時不小心，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，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。壓接電阻增大會將流過它的電能變?yōu)闊崮?，使端頭發(fā)熱，出現(xiàn)故障和危險。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)果只能通過試驗的方法得到。

1.2 壓接電阻測量

壓接電阻試驗首先需要大電流提供設(shè)備，以使試驗電流通過壓接端頭產(chǎn)生壓降，這是壓接電阻試驗中的關(guān)鍵設(shè)備。目前，同行業(yè)一般采用電橋法和接觸壓降法。電橋法是用電橋測量電阻，無法克服測量時引入的接觸電阻對壓接電阻的影響，此外試驗電流?。ㄒ话阍?0 A以下），無法模擬動態(tài)情況，反映不出溫度升高對壓接電阻的影響；接觸壓降法是用回路電阻測試儀測量電阻，回路電阻測試儀的工作電流是固定的，一般有50 A、100 A兩檔，沒法按照試驗標準對不同線徑的電纜線施以規(guī)定的試驗電流，導(dǎo)致壓接電阻試驗的誤差過大。

基于以上原因，研制了高速動車組電纜線壓接電阻檢測裝置。

2 壓接電阻檢測裝置

高速動車組電纜線壓接電阻檢測裝置由全自動智能電流發(fā)生器、直流電流比例標準和數(shù)字測量系統(tǒng)三部分組成。以大電流發(fā)生器根據(jù)試驗標準對不同線徑的電纜線提供準確而穩(wěn)定的試驗電流，經(jīng)整流、穩(wěn)流，使穩(wěn)定度達±0.1 A，以計算機系統(tǒng)為核心自動檢測系統(tǒng)，通過大電流流過電纜線壓接端頭，使電纜線壓接端頭產(chǎn)生壓降，由數(shù)字表連接微型計算機通過專用軟件進行測量計算，實現(xiàn)終端壓接端頭的壓接電阻測試。測試數(shù)據(jù)準確可靠，測量精度高于0.5級，抗干擾能力強，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)、步進調(diào)壓器等組成的大電流輸出設(shè)備，是集計算機技術(shù)、微電測技術(shù)和自動控制技術(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）步進調(diào)壓器系統(tǒng)進行電壓調(diào)節(jié)；

（3）采樣系統(tǒng)采集電流電壓信號；

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

（5）直流電流比例標準測量輸出試驗電流；

（6）數(shù)字表連接微型計算機，通過專用軟件，對流過壓接端的電流產(chǎn)生的壓降進行測量計算，實現(xiàn)終端壓接線頭的壓接電阻測試。

2.3 工作原理

該裝置以微處理系統(tǒng)為核心，通過雙步進調(diào)壓器串聯(lián)使用，提高調(diào)壓器的電壓調(diào)節(jié)細度，采樣系統(tǒng)、微處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)將波動的電流控制在±0.1 A范圍內(nèi)，實現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出。輸出的試驗電流大小由直流電流比例標準進行測量控制，該數(shù)值的試驗電流流過電纜線，在壓接端子處產(chǎn)生壓降，此壓降由數(shù)字表連接微型計算機，通過專用軟件，進行測量計算，實現(xiàn)終端壓接端頭的壓接電阻測試。

2.3.1 全自動智能電流發(fā)生系統(tǒng)

全自動智能電流發(fā)生系統(tǒng)以微處理系統(tǒng)為核心，通過雙步進調(diào)壓器串聯(lián)使用，提高調(diào)壓器的電壓調(diào)節(jié)細度，使輸入的交流電壓經(jīng)過整流電路濾波后，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，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，控制“功率轉(zhuǎn)換”電路，使輸出電流準確而穩(wěn)定地保持在某一固定值。

圖1 高速動車組電纜線壓接電阻測試裝置結(jié)構(gòu)

2.3.2 直流電流比例標準測量系統(tǒng)

采用基于直流電流比例標準為核心的測量技術(shù)，通過磁調(diào)制器檢測磁芯磁勢，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次級繞組，以使鐵芯的磁通為零，即通過從動源的作用，使初、次級形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，能自動維持初次級磁勢平衡，此時有I1W1=I2W2，即I1/I2=W2/W1。

2.3.3 測量計算系統(tǒng)

由全自動智能電流發(fā)生系統(tǒng)輸出的電流經(jīng)直流電流比例標準進行測量控制，該數(shù)值的試驗電流流過電纜線，在壓接端子處產(chǎn)生壓降，此壓降由數(shù)字表連接微型計算機，通過專用軟件進行測量計算，實現(xiàn)終端壓接線頭的壓接電阻測試。

3 主要特點與技術(shù)指標

裝置的主要特點：

（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，操作簡單明了。

（3）輕觸式面板按鍵操作，功能均可通過按鍵設(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)校準確、直觀、方便。

（5）主機加裝進線靜噪濾波器，隔離了電網(wǎng)諧波及各電源間的干擾。

（6）采用軟開關(guān)技術(shù)，消除高壓側(cè)輻射干擾。

（7）主機具有軟啟動保護功能。

（8）主機具有操作過電壓、過電流、短路、過熱等非正常情況下的自我保護功能。

（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。

主要技術(shù)指標如下。

（1）電流輸出范圍：0～300 A；

（2）電流準確度：0.05%；

（3）電流穩(wěn)定度：0.05%；

（4）電流波動：±0.1 A；

（5）主機過熱保護溫度值：75 ℃。

4 電纜線壓接電阻檢測裝置測量結(jié)果驗證

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（見圖2）。不確定度傳播律：

4.1 RAB的測量不確定度

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電流。

4.1.1 由測量重復(fù)性帶來的不確定度分量

選截面積為60 mm2的試驗導(dǎo)線，按JIS C2805：2010《銅線用壓接端子》，試驗電流為45 A。由全自動智能電流發(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)字表連接微型計算機通過專用軟件進行測量計算，10次重復(fù)測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。

計算得到標準偏差：

2組平均值的標準偏差：

則標準不確定度：u1=0.005 709 mΩ。

4.1.2 由數(shù)字多用表的測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時的最大測量誤差為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 由全自動智能電流發(fā)生系統(tǒng)準確度引入的不確定度分量

全自動智能電流發(fā)生器的準確度為0.05級，在45 A電流時的允許最大誤差為：△=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立，互不相關(guān)，因此：

4.2 RBC的測量不確定度

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電流。

4.2.1 由測量重復(fù)性帶來的不確定度分量

選截面積為60 mm2的試驗導(dǎo)線，按JIS C2805：2010《銅線用壓接端子》試驗電流為45 A。由全自動智能電流發(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)字表連接微型計算機通過專用軟件進行測量計算，10次重復(fù)測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。

計算得到標準偏差：

2組平均值的標準偏差：

則標準不確定度u1=0.003 862 mΩ。

4.2.2 由數(shù)字多用表的測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時的最大測量誤差為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 由全自動智能電流發(fā)生系統(tǒng)準確度引入的不確定度分量

與RAB由全自動智能電流發(fā)生系統(tǒng)準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立，互不相關(guān)，因此：

4.3 Rj的合成不確定度

4.4 擴展不確定度

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，測量誤差為±0.27%，按誤差理論，屬精密測量。本試驗裝置滿足測量要求。

[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 測量不確定度評定與表示[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 標準[S]．

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

[8] GB 2900.40—1985 電工名詞術(shù)語[S]．