母排接觸電阻測(cè)量方法的研究

張懷亮，吉新科

（1.海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

近幾年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，船舶電力系統(tǒng)也逐漸復(fù)雜化和智能化[1-2]。配電板作為船舶電站中的重要組成部分，其包含的設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量繁多，因此也將面臨設(shè)備管理，多種故障檢測(cè)及維護(hù)等問(wèn)題。配電板故障不僅影響著船舶的安全運(yùn)行、威脅船員人身安全，還可能造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，在此形勢(shì)下，配電板的故障監(jiān)測(cè)成為了緊迫之需。母排是配電板中的關(guān)鍵組成設(shè)備之一。而母排與母排連接處的接觸電阻則是母排的主要參數(shù)[3]。因此，對(duì)母排連接處接觸電阻的測(cè)量是至關(guān)重要的。本文通過(guò)對(duì)母排連接處接觸電阻形成的原因分析，并根據(jù)接觸電阻診斷測(cè)量方法的對(duì)比，設(shè)了一種實(shí)時(shí)測(cè)量接觸電阻的方法[4]。其是通過(guò)采集連接處兩端的電勢(shì)差和流經(jīng)母排連接處的電流，再根據(jù)歐姆定律即可得到接觸電阻[5]。并對(duì)該方法進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和軟件方案設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)分析表明，此方法能夠?qū)δ概沤佑|電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在船舶配電板中，多處地方的銅母排都是分段的，通過(guò)螺栓加固，將銅母排之間相互連接起來(lái)，如圖1所示，銅母排連接示意圖。

圖1 銅母排連接示意圖

銅母排相互連接的接觸面實(shí)際上并不是光滑的，而是粗糙的、凹凸不平的。這是由于在微觀層面生產(chǎn)制造過(guò)程中加工工具的運(yùn)動(dòng)軌跡造成的，這就導(dǎo)致了兩個(gè)接觸面不是面接觸或線(xiàn)接觸，而是無(wú)數(shù)個(gè)斑點(diǎn)接觸形成的。并且氧氣和其他腐蝕性氣體還會(huì)進(jìn)入母排接觸區(qū)域，和暴露的金屬發(fā)生反應(yīng)形成金屬膜層，進(jìn)一步減少金屬接觸面積，從而導(dǎo)致導(dǎo)電區(qū)域再次減小。由于接觸表面并不是理想狀態(tài)，且電流受到氧化膜等影響，接觸電阻(Rj)可認(rèn)為由收縮電阻(Rs)和膜電阻(Rm)構(gòu)成[5-6]。

如圖2所示，由于相連的銅母排是通過(guò)接觸斑點(diǎn)A進(jìn)行導(dǎo)電的，當(dāng)電流流經(jīng)接觸斑點(diǎn)A時(shí)，電流線(xiàn)收縮使電阻增加，這個(gè)增加的電阻定義為收縮電阻。

單個(gè)接觸斑點(diǎn)收縮電阻為

式中：ρ1和ρ2為接觸金屬電阻率，Ω·m；r為接觸區(qū)域的半徑，m。

圖2 收縮電阻形成示意圖

母排接觸表面受到氧氣和其他腐蝕性氣體的影響形成膜層，膜層導(dǎo)致導(dǎo)電接觸面積減小，增加了電流通過(guò)的難度，引起接觸點(diǎn)的電阻增大，即產(chǎn)生膜層電阻。單個(gè)接觸斑點(diǎn)的膜層電阻為

式中：σ為膜層單位面積的電阻，Ω·m2。

因此，根據(jù)上述對(duì)接觸電阻產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，可知配電板中母排通過(guò)螺栓加固進(jìn)行連接，自身就會(huì)存在一個(gè)固有的接觸電阻。然而由于船舶配電板長(zhǎng)期運(yùn)行在海上或者沿海地區(qū)，環(huán)境會(huì)比較惡劣。在高溫、高濕、鹽霧、霉菌的環(huán)境下，母排接觸表面就會(huì)發(fā)生氧化、腐蝕等現(xiàn)象，使得膜層電阻增大；在沖擊、振動(dòng)、傾斜搖擺等環(huán)境下，母排與母排連接的螺栓會(huì)發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致壓力過(guò)小，使得導(dǎo)電的接觸面積變小。最終造成接觸電阻增大。

2 接觸電阻的診斷及測(cè)試方法

2.1 接觸電阻診斷方法

配電板正常運(yùn)行時(shí)，母排連接處流經(jīng)的電流達(dá)到千安級(jí)別。隨著母排連接處導(dǎo)電區(qū)域的減小，接觸電阻增大，電流流經(jīng)接觸面，就會(huì)產(chǎn)生電火花和電弧現(xiàn)象，造成接觸表面燒蝕。當(dāng)達(dá)到一定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，在母排連接處就會(huì)產(chǎn)生大量的熱，溫度快速上升，使得連接母排處的表面層軟化或熔化，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至全船失電。產(chǎn)生的熱量可近似由式(4)表示。接觸電阻的溫度與電流大小和通電時(shí)間關(guān)系可通過(guò)式(5)表示。

式中：T0為接觸件接觸點(diǎn)初始溫度，℃；α為接觸件材料的溫度傳導(dǎo)系數(shù)；λ為接觸電阻長(zhǎng)度，m。

從上面分析可知，母排接觸電阻的預(yù)防和診斷是緊迫之需的。目前，對(duì)接觸電阻進(jìn)行檢測(cè)的普遍方法有兩種：通過(guò)紅外檢測(cè)連接處的溫度和直接測(cè)量接觸電阻值。

通常情況下，檢測(cè)接觸電阻一般借助于紅外熱像儀來(lái)檢測(cè)金屬接觸處是否存在過(guò)熱現(xiàn)象[7]。但是當(dāng)用紅外熱像儀檢測(cè)到溫度過(guò)熱時(shí)，這時(shí)母排連接處接觸電阻已經(jīng)很大，并且過(guò)熱也較為嚴(yán)重，就需要采取措施減負(fù)荷、甚至停電檢修；還有一種情況就是在電流過(guò)小時(shí)，通過(guò)溫度很難判斷母排連接處的接觸電阻是否過(guò)大。尤其是在船上的狹小空間，母排安裝于配電板內(nèi)部，這就增加了測(cè)量母排連接處溫度的難度。因此，母排連接處出現(xiàn)氧化、腐蝕、松動(dòng)等問(wèn)題時(shí)，除了檢修維護(hù)時(shí)容易發(fā)現(xiàn)外，其他時(shí)刻很難察覺(jué)到。

直接測(cè)量接觸電阻是診斷母排連接處接觸情況和導(dǎo)電性能最為直接、有效的方法[6,8]。通過(guò)測(cè)量母排連接處的端電壓，以及流進(jìn)連接處的電流，利用歐姆定律計(jì)算得到接觸電阻阻值。將電阻值數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控系統(tǒng)，直觀的顯示出接觸電阻的阻值。當(dāng)接觸電阻達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)，值班人員就可以采取措施，對(duì)母排連接處進(jìn)行檢修，從而提高母排連接的可靠性，降低配電板的故障率，保證供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 直接測(cè)量接觸電阻的方法

由于母排連接處的接觸電阻非常小，用普通的測(cè)電阻方法測(cè)取的電阻值會(huì)有很大的誤差，難以得到準(zhǔn)確的電阻值。目前，對(duì)小電阻的測(cè)量方法有以下幾種：

直流恒流源法，此方法被廣泛應(yīng)用于接觸電阻的測(cè)量[9-10]。其是通過(guò)一個(gè)恒流源為金屬接觸處提供一個(gè)恒定的電流，然后再通過(guò)測(cè)量電路得到接觸處兩端的電壓差，之后利用歐姆定律計(jì)算得到接觸電阻的電阻值。直流恒流源測(cè)接觸電阻原理圖如圖3所示。

圖3 直流恒流源測(cè)接觸電阻原理圖

脈沖電流法[11-13]，是通過(guò)大電流流經(jīng)接觸部分，但是通電時(shí)間很短只有幾百微秒，此時(shí)接觸電阻產(chǎn)生的熱量使連接處的溫度升高不多，根據(jù)式(6)，可知接觸電阻值大小變化也不大。此方法電流值較大，在連接處由接觸電阻產(chǎn)生的電壓降較高，這種情況下得到的測(cè)量精度也相對(duì)較高。

式中：R0為溫度為0時(shí)的接觸電阻，Ω；Rθ為溫度為θ時(shí)的接觸電阻，Ω；β為電阻溫度系數(shù)。

除了上述2種方法已經(jīng)在工程實(shí)踐中得以應(yīng)用外，還有電解槽法、三次諧波法等方法也在實(shí)驗(yàn)室條件下完成了接觸電阻的測(cè)量研究。

根據(jù)對(duì)接觸電阻測(cè)量方法的對(duì)比分析，并結(jié)合船舶的環(huán)境條件，可知直流恒流源法需要使用大電流發(fā)生器來(lái)提供大電流用于測(cè)量接觸電阻，而大電流發(fā)生器的體積和重量都很大,不方便安裝在配電板內(nèi)部，使用場(chǎng)地受到了限制。脈沖電流法可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)滿(mǎn)足需求，并且其體積和重量都要小，但是此方法更適合測(cè)試靜態(tài)接觸電阻。為了滿(mǎn)足配電板有限的空間，又可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)母排接觸電阻，我們需要提出一種適用于船舶配電板母排接觸電阻測(cè)量的方案。

3 母排接觸電阻測(cè)試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

3.1 母排接觸電阻測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)上述對(duì)接觸電阻測(cè)量方法的分析，目前的方法并不適用于配電板中母排接觸電阻的測(cè)量。因此我們提出了一種新的測(cè)試母排接觸電阻的方案。該方法是在配電板正常工作時(shí)，利用配電板中已有的電流互感器，得到流經(jīng)母排連接處的電流 I。再通過(guò)測(cè)量圖4中母排連接處a，b兩端電壓U，之后通過(guò)歐姆定律得到接觸電阻R。此方案與直流恒流源法原理相同，都是利用歐姆定律，但是該方案省去了大電流發(fā)生器，更易于集成到配電板之中。

圖4 接觸電阻測(cè)量等效電路圖示意圖

接觸電阻帶電測(cè)量為典型的伏安電阻測(cè)量。然而由于母排連接處接觸電阻的量級(jí)非常小，所以當(dāng)電流流經(jīng)接觸電阻時(shí)，則連接處兩端的電壓降很小，故要求測(cè)試電壓的電路要具有較高靈敏度。因此，可以得到接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)框圖，如圖5所示，其中包括電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路，信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，中央處理器CPU，監(jiān)控系統(tǒng)等。

電流值是通過(guò)電流傳感器采集并輸入到電流信號(hào)調(diào)理電路之后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；電壓信號(hào)是通過(guò)采集連接處接觸電阻兩端a，b的電勢(shì)，通過(guò)放大電路將接觸電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，同樣也進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。然后，將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)輸出到中央處理器CPU。中央處理器CPU對(duì)A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、處理，從而計(jì)算得到接觸電阻的阻值，并與預(yù)設(shè)報(bào)警電阻值進(jìn)行比較。隨后，將電阻值和報(bào)警信號(hào)通過(guò)串口通訊傳給監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)管理等。

圖5 接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)框圖

3.2 信號(hào)調(diào)理電路的方案設(shè)計(jì)

配電板正常運(yùn)行時(shí)，電流通過(guò)母排流入不同的用電設(shè)備，而母排連接處由于接觸電阻的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降。接觸電阻的量級(jí)很小，壓降也就很小，所以采集到的電壓降需要進(jìn)行放大處理。采集信號(hào)處于高壓環(huán)境，電磁干擾也相對(duì)嚴(yán)重，連接處a，b兩端的對(duì)地電勢(shì)很大，但是兩者的差值非常小，因此電壓采集電路可以采用差分放大電路[14-15]，如圖 6a)所示。微弱信號(hào)放大通常采用的是一種具有精密差動(dòng)電壓增益的放大器件，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、低溫漂、高共模抑制能力、低失調(diào)電壓、高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。所以能夠較好地抑制包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾。放大器通過(guò)外接一個(gè)精密電位器Rg，通過(guò)改變Rg電阻值的大小來(lái)改變?cè)鲆鍳，如關(guān)系式(7)所示。

母排連接處流經(jīng)的電流可以通過(guò)電流互感器測(cè)得，之后采集得到的電流信號(hào)利用采樣電阻得到電壓信號(hào)，利用運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)[16]，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如圖6b)所示。

圖6 信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路

3.3 接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)

軟件程序是接觸電阻測(cè)試系統(tǒng)中不可或缺的部分，其不僅要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的初始化，還要根據(jù)測(cè)試要求實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和算法等功能。

母排連接處接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)的軟件功能模塊主要由以下部分組成：主程序、系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理計(jì)算、阻值判斷、串口通信等部分。該軟件功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電壓、電流信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理計(jì)算，串口通訊等功能。其程序流程圖如圖 7所示，主要包括以下方面的程序：

初始化程序：完成對(duì)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化、I/O 口的初始化等。

數(shù)據(jù)采集子程序：完成電壓、電流參數(shù)的采集；

A/D轉(zhuǎn)換子程序：電壓、電流參數(shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；

數(shù)據(jù)處理子程序：參數(shù)計(jì)算，得出電阻值；

串口通信子程序：完成 CPU 和 監(jiān)控系統(tǒng)互相通信。

接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)啟動(dòng)，程序開(kāi)始，各功能模塊進(jìn)行初始化。初始化完成后，正式進(jìn)入主程序處理環(huán)節(jié)。第一步采集電壓、電流參數(shù)信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)調(diào)理；第二步將信號(hào)調(diào)理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；第三步對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到電阻值；第四步將所得電阻值與預(yù)設(shè)報(bào)警電阻值進(jìn)行比較，之后將電阻值和報(bào)警信號(hào)通過(guò)串口通訊傳給監(jiān)控系統(tǒng)；第五步監(jiān)控系統(tǒng)顯示接觸電阻的阻值，并根據(jù)報(bào)警信號(hào)做出報(bào)警。

4 結(jié)論

基于船舶電站智能化的需求，能夠?qū)ε潆姲鍏?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)故障做出預(yù)警提示，是目前的發(fā)展趨勢(shì)。本文提出了一種帶電測(cè)量母排接觸電阻的方法，并對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和軟件方案設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)母排連接處接觸電阻形成的原因分析，并根據(jù)接觸電阻診斷測(cè)量方法的對(duì)比，設(shè)了一種實(shí)時(shí)測(cè)量接觸電阻的方法。該方法是通過(guò)采集母排連接處兩端的電勢(shì)，得到連接處兩端的電勢(shì)差，同時(shí)測(cè)得流經(jīng)母排連接處的電流，再根據(jù)歐姆定律即可得到接觸電阻。利用該方法可以對(duì)正在運(yùn)行的母排連接處實(shí)時(shí)的進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集，從而獲得接觸電阻參數(shù)，使得值班人員更加直觀的了解到母排連接處接觸電阻的情況，及時(shí)做出維護(hù)處理。即使在戰(zhàn)時(shí)或高速航行狀態(tài)下，如果接觸電阻過(guò)大，可以通過(guò)對(duì)母排連接處接觸電阻的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提醒操作人員控制流經(jīng)該母排的電流大小，保證母排連接處溫度不會(huì)過(guò)高，從而保證配電板處于可用狀態(tài)。最后，通過(guò)分析表明，此方法能夠?qū)δ概沤佑|電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并且可以預(yù)防母排接觸電阻過(guò)大造成的安全事故，保證船舶供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

圖7 接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)軟件程序流程圖