CN103278694B - 冲击电流发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击电流发生装置，其包括有充电回路及放电回路，所述充电电路及所述放电电路均与采集元件连接之后，通过工控机控制；所述充电回路包括有依次连接的充电器、整流装置及超级电容器；所述放电回路包括有依次连接的超级电容器、晶闸管、分流器及被测导电连接件，通过充电回路给所述超级电容器充电，并以所述超级电容器作为放电电流源，产生非振荡的千安级冲击电流。本发明以超级电容器作为放电电流源，当充满电荷的超级电容器对测量回路电阻放电，产生千安级的长波头冲击电流，并调整各个参数使冲击电流能够持续较长时间，以满足测量高电压大熔炉导电连接件回路电阻的要求。

Description

冲击电流发生装置

技术领域

本发明涉及电流检测技术领域，尤其是指一种冲击电流发生装置。

背景技术

导电连接件的导电回路电阻是由动、静触头或者连接件间的接触电阻和线路中其他连接线的电阻组成，其中接触电阻的电阻值远远大于连接线的电阻值，因此导电回路电阻主要是由接触电阻决定。接触电阻一般由收缩电阻和表面电阻两部分组成，接触电阻阻值的增大，增加了导体在通电时的损耗，使得接触处的温度升高，接触电阻阻值的大小直接影响正常工作时的载流能力，甚至在一定程度上影响开关器件切断短路电流的能力。

当导电杆的接触状态异常，其接触电阻远远高于正常状态时的阻值，大电流流过会使接触位置严重发热。在动静触头间将容易发生熔焊，导致触头表面产生氧化膜和毛刺。毛刺的存在会导致触头接触的不稳定，在一定条件下，尽管电压不高，也有可能导致动静触头间的电击穿，导致导电杆故障。而且，导体连接件发热将进一步使得导电连接件的导电回路电阻增大，导体连接件的发热的更加严重，形成恶性循环，成为一大安全隐患。

导电连接件回路电阻通常小于100μΩ，通过100A的电流产生的压降也不过10mV，在现场强电磁干扰下很容易淹没在噪声中。为了更准确的测试回路电阻，需要提高测试电流。从国内外的研究来看，采用大电流测试更能准确的判断触头状态。无故障触头在大电流下会呈现正常的阻值，而且在不同测试电流下阻值较稳定，而故障触头在不同测试电流下阻值不稳定且偏大。

发明内容

鉴于此，本发明有必要提供一种冲击电流发生装置，通过采用所述冲击电流发生器能够准确测试回路电阻阻值。

本发明的目的是这样实现的：

一种冲击电流发生装置，其包括有充电回路及放电回路，所述充电电路及所述放电电路均与采集元件连接之后，通过工控机控制；所述充电回路包括有依次连接的充电器、整流装置及超级电容器；所述放电回路包括有依次连接的超级电容器、晶闸管、分流器及被测导电连接件，通过充电回路给所述超级电容器充电，并以所述超级电容器作为放电电流源，产生非振荡的千安级冲击电流。

优选的是，所述放电回路构成非振荡RLC电路。

优选的是，所述超级电容器的电容量为法拉级。

优选的是，其还包括有分流器，所述分流器串联于所述放电回路，且其放电电流不小于2000A。

优选的是，所述充电器的输入电压为AC180-264V，频率50HZ±10％，输出稳压值为C0-80V，纹波电压小于等于1％Vout(p-p)，输出电流值为4-40A，且所述稳压值和所述电流值均可通过面板多圈电位器调节。

优选的是，所述超级电容器的最大直流等效内阻为6.3mΩ。

优选的是，所述整流装置为整流硅堆。

本发明冲击电流发生装置与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明冲击电流发生装置能够适用于强电磁干扰环境下，并能够精确测量μΩ级的高电压大容量导电连接件的回路电阻。

以超级电容器作为放电电流源，当充满电荷的超级电容器对测量回路电阻放电，产生千安级的长波头冲击电流，并调整各个参数使冲击电流能够持续较长时间，以满足测量高电压大熔炉导电连接件回路电阻的要求。

附图说明

图1为本发明冲击电流发生装置电路原理图；

图2为本发明冲击电流发生装置冲击电流发生回路电路原理图；

图3为本发明冲击电流发生装置非振荡放电回路的电流、电压波形图；

图4为充电电压为16V时超级电容器放电电流波形；

图5为充电电压为20V时超级电容器放电电流波形；

图6为充电电压为24V时超级电容器放电电流波形；

图7为放电回路内阻为5mΩ时超级电容器放电电流波形；

图8为放电回路内阻为10mΩ时超级电容器放电电流波形；

图9为放电回路内阻为18mΩ时超级电容器放电电流波形；

图10为放电回路电感为1μH时超级电容器放电电流波形；

图11为放电回路电感为10μH时超级电容器放电电流波形；

图12为放电回路电感为100μH时超级电容器放电电流波形。

具体实施方式

如图1所示，本发明冲击电流发生装置，其包括有充电电路和放电电路，所述充电电路及所述放电电路均与采集元件10连接之后，通过工控机20控制；所述充电回路包括有依次连接的充电器1、整流装置2及超级电容器4；所述放电回路包括有依次连接的超级电容器4、晶闸管5、分流器6及被测导电连接件7，通过充电回路给所述超级电容器4充电，并以所述超级电容器4作为放电电流源，产生非振荡的千安级冲击电流。

所述超级电容器4的电容量为法拉级，其电容量可达到165F，充电电压DC48V，最大直流等效串联电阻为6.3mΩ，其内部电阻超低，在65℃的最高工作温度下可连续工作1500小时，重复充放电次数可达一百万次。

所述分流器6的放电电流不小于2000A，本优选实施例优选所述分流器6的额定电流为3000A，额定电压降为75mV，阻值为25μΩ。

所述充电器1的输入电压为AC180-264V，频率50HZ±10％，输出稳压值为C0-80V，纹波电压小于等于1％Vout(p-p)，输出电流值为4-40A，且所述稳压值和所述电流值均可通过面板多圈电位器调节。

所述整流装置2为整流硅堆。

所述分流器6及被测导电连接件7分别并联连接有电压传感器11及电压传感器12，所述电压传感器11与所述采集元件10连接；所述充电电路,连接有电压传感器13。

回路电阻的测量，以超级电容器4作为放电电流源。测量回路电阻时，充满电荷的超级电容器4对所测量的回路放电，产生高达千安级的冲击电流，以满足测量高电压大容量导电连接件回路电阻的要求。超级电容器的电容量很大，可以达到几十甚至几百法拉，而一般的被测导电连接件都会呈现一定的电感特性，且被测导电连接件的电感性成分较小，所以放电回路是非振荡电路。依据电路原理，当作用于导电杆回路的冲击电流变化率为零时，回路电感上的电压降就等于零，则需要测量的导电回路电阻值，就等于冲击电流峰值时刻对应的被测的导电连接件的电压与冲击放电电流峰值之比。

如图2所示，总回路电阻8、超级电容器4、整流装置2及被测试导电连接件电感分量9串联连接，超级电容器4对高电压大容量导电连接件的放电电路等效于一个RLC的串联电路。

设超级电容器4的初始电压为U，在t＝0时，开关闭合，超级电容器4对标准电阻和被测导电连接件放电。此放电过程是二阶电路的零输入响应。在设定的电压、电流参考方向下，列出KVL方程：

-U_C+U_L+U_R＝0

电流 $i=-C\frac{{\mathrm{dU}}_C}{dt},$ 电压 $U_R+U_L=Ri+L\frac{di}{dt}=-RC\frac{{\mathrm{dU}}_C}{dt}-LC\frac{d^2{U}_C}{{\mathrm{dt}}^2}$

代入得： $LC\frac{d^2{U}_C}{{\mathrm{dt}}^2}+RC\frac{{\mathrm{dU}}_C}{dt}+U_C=0$

求解这个常微分方程。当时，产生的电流是振荡波；则产生非振荡波的临界值；当时，产生的是非振荡波。令则可按下面三种情况分别列出电流幅值的表达式。

(1)α<1时为电流呈振荡波的情况，电流幅值：

$I_m=U\sqrt{C/L}\exp \&lsqb;\frac{-\mathrm{\&alpha;}}{\sqrt{1-{\mathrm{\&alpha;}}^2}}\arctan \frac{\sqrt{1-{\mathrm{\&alpha;}}^2}}{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;$

(2)α＝1时为电流非振荡波临界值的情况，电流幅值：

$I_m=U\sqrt{C/L}\exp (-1)\&ap;0.736U/R$

(3)α>1时为电流非振荡波的情况，电流幅值：

$I_m=U\sqrt{C/L}\exp \&lsqb;\frac{-\mathrm{\&alpha;}}{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-}1}\arctan h\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-1}}{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;$

本装置中由于放电回路中的电感值L很小，而且超级电容器的C极大，因此回路中的放电电流为非振荡波。

从上式可以看出U，C，L和R决定电流的最大幅值，当U，C，R一定时，L越小，电流幅值越大；同理，限制回路内阻R同样可提高放电电流的幅值。为了获得最大电流，必须尽可能减小回路中的电感和回路内阻。

如图3所示，被测试导电连接件在冲击电流作用时会呈现出感抗压降和回路电阻压降。超级电容器4对回路放电产生的冲击电流波形如A，在冲击电流的作用下，被测试导电连接件电压降波形如B。为消除被测试导电连接件中的电感分量，取冲击电流的变化率为零时刻，即电流峰值时刻对应的被测试品的电压降信号。

根据电感的伏安特性，当时，此时被测试导电连接件的感性压降为零，所采集的电压降信号为纯电阻压降。

在本发明的超级电容器放电特性与回路电阻测试仿真计算模型中，仿真参数依据元件实际参数，其中：超级电容器的电容值C＝54F，额定充电电压为32V；晶闸管的导通电阻为0.34mΩ，压降1.2V；标称电阻R_x＝50μΩ，分流器R₁(75mV/750A)；回路内阻r，包括超级电容器的内阻以及引线电阻；导电连接件电感L。

(1)回路参数r，L一定，计算不同超级电容器充电电压U对应的超级电容器的放电电流峰值I_m以及千安级电流持续时间，见表1所示。充电电压分别为16V、20V和24V时的超级电容器放电电流波形，分别如图4、图5、图6所示。

表1不同充电电压下放电电流峰值与千安级电流持续时间的测量值

(2)回路内阻r对放电电流峰值的影响，见表2。放电回路内阻分别为5mΩ、10mΩ和18mΩ时的超级电容器放电电流波形，分别如图7、图8、图9所示。

表2回路内阻对放电电流峰值的影响

(3)回路导线电感L对超级电容器放电电流峰值以及千安级放电电流持续时间的影响见表3。放电回路电感分别为1μH、10μH和100μH时的超级电容器放电电流波形，分别如图10、图11、图12所示。

表3回路导线电感对超级电容器放电特性的影响

从以上数据可知，在超级电容器的充电电压和回路内阻一定的情况下，引线电感L变化较大，但对应的放电电流峰值以及千安级放电电流持续时间均变化不大。引线电感L小于100μH时的放电电流峰值可达1000A以上，千安级放电电流的持续时间也可达0.2s以上。回路电感值增大，冲击放电电流的波头时间变大，冲击放电电流波形陡度减小。

由于被测的导电连接件一般都呈现弱电感特性，当长波头冲击电流作用于导电连接件回路时，冲击电流在电感上产生的电压降将取决于放电电流的变化率。根据电路原理，在电流变化率为零时，电感上的电压降等于零，此时导电连接件的电压降将是纯电阻特性的。此时就能消除导电连接件回路电感的影响，精确计算导电连接件的导电回路电阻。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种冲击电流发生装置，其特征在于，其包括有充电回路及放电回路，所述充电电路及所述放电电路均与采集元件连接之后，通过工控机控制；所述充电回路包括有依次连接的充电器、整流装置及超级电容器；所述放电回路包括有依次连接的超级电容器、晶闸管、分流器及被测导电连接件，通过充电回路给所述超级电容器充电，并以所述超级电容器作为放电电流源，产生非振荡的千安级冲击电流，当作用于放电回路的冲击电流变化率为零时，回路电感上的电压降就等于零，则需要测量的导电回路电阻值，就等于冲击电流峰值时刻对应的被测导电连接件的电压与冲击放电电流峰值之比。

2.根据权利要求1所述的冲击电流发生装置，其特征在于，所述放电回路构成非振荡RLC电路。

3.根据权利要求1所述的冲击电流发生装置，其特征在于，所述超级电容器的电容量为法拉级。

4.根据权利要求1所述的冲击电流发生装置，其特征在于，其还包括有分流器，所述分流器串联于所述放电回路，且其放电电流不小于2000A。

5.根据权利要求1所述的冲击电流发生装置，其特征在于，所述充电器的输入电压为AC180-264V，频率50HZ±10％，输出稳压值为C0-80V，纹波电压小于等于1％Vout(p-p)，输出电流值为4-40A，且所述稳压值和所述电流值均可通过面板多圈电位器调节。

6.根据权利要求1所述的冲击电流发生装置，其特征在于，所述超级电容器的最大直流等效内阻为6.3mΩ。

7.根据权利要求1所述的冲击电流发生装置，其特征在于，所述整流装置为整流硅堆。