新型斷路器回路電阻測試儀的研究

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

目前在實際的工程中，國外IEC56 標(biāo)準(zhǔn)要求開關(guān)設(shè)備的回路電阻測試電流不小于100 A，同樣國內(nèi)的GB763-90、DL405-91 等電力標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了，在對斷路器進行回路電阻的測量時，利用直流壓降法的回路電流應(yīng)保持在100 A 以上。而在實際的回路電阻測試中，可以就測試電流的不同分為2 種。1）交流整流式電流源測試。經(jīng)過變壓器的初步隔離降壓，可以實現(xiàn)交流電的整流化操作，從而接入被測設(shè)備并開展后續(xù)的記錄工作，實時檢測被測試設(shè)備的電壓和電流，利用歐姆定律計算得到相應(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測試精度要求不高的場合使用。2） 恒流源測試。采用先進的開關(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）實現(xiàn)閉環(huán)負反饋自動穩(wěn)流，為測試回路電阻提供具有較強穩(wěn)定性的測試大電流，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，達到減少測試時間的目的。然而，由于開關(guān)電源內(nèi)部噪聲的影響，因此需要在測試時通過控制噪聲的強弱來穩(wěn)定測試環(huán)境。此外，由于測試儀器自身也存在體積大、重量高的特點，需要解決其攜帶和成本投入的問題。因此，新型回路電阻測試儀的發(fā)展趨勢是高精度、微型化和智能化[1]。

該文對一種以法拉電容的大電流放電特性為基礎(chǔ)的回路電阻測試儀進行研究分析，探索其短時間內(nèi)在連續(xù)產(chǎn)生100 A 以上電流時的回路電阻測試結(jié)果，并不斷推動系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用。該系統(tǒng)采用了高速STM32F103C8T6 型號的控制器來達到采集測量數(shù)據(jù)的目的，提高了回路電阻的測試精準(zhǔn)度和測試速度，并且具有體積小、便攜性高、方便應(yīng)用于現(xiàn)場測試的優(yōu)點。

1 回路電阻測量原理

法拉電容又名超級電容，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、免維護和綠色環(huán)保等優(yōu)點。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、線路簡單、安全性高、維護成本低等特殊性，可以為回路電阻的現(xiàn)場檢測設(shè)備分析提供基礎(chǔ)元件[2-4]。例如，測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，可以在一定時間內(nèi)暫時忽略感性因素帶來的影響。測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為測試回路導(dǎo)線、連接端子等電阻之和。

圖1 測試回路的等效電路圖

圖2 是測試回路的電流曲線。開關(guān)閉合后，回路電流I從零增大，當(dāng)t=t0時達到峰值Im，之后延時一段時間，t1同步采樣電流信號，在t2時刻開關(guān)斷開，結(jié)束信號采樣。

圖2 測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，對法拉電容進行充電得到所需要的電壓，觸發(fā)信號導(dǎo)通后，法拉電容經(jīng)主放電回路放電，測量回路將產(chǎn)生百安級的沖擊電流。將測量得到的分流器壓降信號轉(zhuǎn)換為電流信號、斷路器兩端的壓降作為電壓信號，測量得到的沖擊電流峰值時刻對應(yīng)的被測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)計分析

回路電阻測試儀硬件系統(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試儀以STM32F103C8T6 為控制器，其工作頻率最高達72 MHz，采樣電路2 個、高速AD 內(nèi)置16 通道，最終達到雙通道的信號采集與獲取，提高了采集數(shù)據(jù)的實時性。

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

在電壓、電流信號的調(diào)理部分以測量放大和運算放大的兩級放大技術(shù)為基礎(chǔ)，采用二階模擬低通濾波來進一步排除高頻信號的干擾，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換輸入信號。當(dāng)測試電路電流達到峰值時，采用峰值保持最大值的回路電流，同時發(fā)出請求信號，由單片機進行程序反映。在單片機的中斷服務(wù)程序安排中，先測量該時刻滅弧室的電壓。此時所測電壓即為回路電阻上的電壓，之后再對峰值保持狀態(tài)下的峰值電流進行模數(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，控制斷路器實現(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 電路信號調(diào)理

圖3 測試儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路

一般而言，信號調(diào)理通常涵蓋了低通濾波以及信號放大2 個方面。其中，信號放大主要是考慮到對斷路器的加壓有限，因此采用兩級放大器放大微弱信號。第一級采用測量放大器來初步提高輸入通道內(nèi)部的共模抑制比，第二級是運放放大器來放大第一級的信號輸出，使輸出信號達到A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍。該文采用AD623 和OP07 兩級放大器，再通過AD1674 模數(shù)轉(zhuǎn)換為12 位的數(shù)字信號輸入單片機中。在增強電路信號的抗干擾能力時，可以在進行A/D 轉(zhuǎn)換前輸入測量信號，并經(jīng)過有源低通濾波器來進一步截止和設(shè)定頻率的濾出干擾信號。

AD623 具有低功耗、較寬的動態(tài)范圍、良好的線性和可靠性。測試電流峰值達100 A，斷路器回路電阻正常時為幾十μΩ。當(dāng)取測試的值為200 μΩ 時，相對應(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。

運放OP07 實現(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，此時的放大系數(shù)為k=3。而當(dāng)輸入信號值較小時，調(diào)解電位器是1 和8 的引腳間電位器。

信號放大后進行有源低通濾波，有源濾波由電阻、電容及運算放大器組成。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

基于法拉電容的沖擊電流脈沖回路電阻測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、電壓電流信號采集、數(shù)字濾波、回路電阻計算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲等。在主程序中包括充放電控制、數(shù)據(jù)處理、回路電阻計算、數(shù)據(jù)顯示和存儲。

4 測試儀調(diào)試

4.1 實驗室調(diào)試

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

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

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)電阻下的測量結(jié)果

由表1 數(shù)據(jù)可知，在充電電流100 A、標(biāo)準(zhǔn)電阻測量范圍10 μΩ～300 μΩ，測量結(jié)果的相對誤差均在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，測量系統(tǒng)能夠滿足工程實際需求。

4.2 現(xiàn)場調(diào)試

針對東莞某220 kV 變電站10 kV 501 高壓斷路器的A、B、C 三相進行測試，斷路器銘牌見表2。

表2 斷路器銘牌

對微電阻進行精密測量時必須要考慮測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到測量的效果。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)端連接電壓測量線，和在連接桿外端連接電流線的方式，進一步對比回路電阻的測量結(jié)果與出廠值變化。測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 回路電阻測量值

試驗數(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。利用回路電阻來測試斷路器觸頭的壽命是重要的檢測方法，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10 kV 開關(guān)設(shè)備的觸頭進行分析時，是在檢測出開關(guān)設(shè)備回路電阻的標(biāo)準(zhǔn)值，即對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，對超過標(biāo)準(zhǔn)值的元件進行檢修。利用統(tǒng)計學(xué)的方法對回路電阻進行分析，在觀察和對比大量實驗數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定最終的檢修標(biāo)準(zhǔn)和控制值，從而對觸頭的使用壽命進行判斷[6]。

5 結(jié)論

基于法拉電容的沖擊電流脈沖回路電阻測試儀以法拉電容作為測試電源，可以在較短時間內(nèi)達到連續(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測量結(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)理電路對微弱信號進行采集和放大濾波處理，能夠快速測量斷路器的回路電阻，與傳統(tǒng)的斷路器回路電阻測試裝置相比，其體積小、使用方便、測量精度高，大大縮短了斷路器合閘回路電阻的現(xiàn)場試驗時間。對法拉電容的沖擊電流脈沖回路的電阻測試儀進行分析，進而保證了斷路器的安全運行。