CN103926466A - 一种电气设备回路电阻测试系统及接触状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电气设备回路电阻测试系统及接触状态评估方法，针对各类电气设备导电回路节点性能检测的需要，综合各类电气设备导电回路节点接触电阻的特点和回路电阻测量的基本范围，在满足抗电磁干扰以及测量准确性的基础上，采用超级电容器产生千安级长波头的冲击电流，针对电力系统各类电气设备导电回路节点（GIS导电回路、高压断路器、高中压隔离开关和高中压母排等）呈现的回路电阻的差异性，精确测量电气设备的回路电阻值，并通过回路电阻随冲击电流增长的变化率评估电气设备的接触状态，避免了传统测试方法只能依靠管理值来判断的弊端。

Description

一种电气设备回路电阻测试系统及接触状态评估方法

技术领域

    本发明提出一种电气设备回路电阻测试系统及接触状态评估方法，属于回路电阻检测技术领域。针对各类电气设备导电回路节点性能检测的需要，综合各类电气设备导电回路节点接触电阻的特点和回路电阻测量的基本范围，在满足

抗电磁干扰以及测量准确性的基础上，精确测量电气设备的回路电阻；同时提供一种通过回路电阻随冲击电流增长的变化率评估电气设备接触状态的方法。

背景技术

电气设备导电回路节点的接触电阻，是由导电连接件的触头或各类导线压接头间的接触电阻和它两端的导体连接部分所组成的。由于导体电阻远远小于回路的接触电阻，所以回路电阻基本上是由接触电阻决定的。接触电阻的测量原理的科学性，将直接影响到测量值精度。

电气设备导电回路节点有很多类型，但其接触电阻的物理模型是相同的，即接触电阻由收缩电阻和膜电阻两部分构成。收缩电阻是指导电连接件触头间的金属触点，其特征是点接触，即使外力将其合的再紧密，也只是接触点多少的不同。由于接触是点接触，使得通流面积变小很多，导致接触处的电阻会大很多，这个电阻就称为收缩电阻；膜电阻是指导电连接件分开后，由于空气的氧化作用，还有其他的因数影响，会在导体触头处产生一层氧化膜，导致导体的导电性能变差，氧化膜的存在会明显增加电阻，这部分原因引起的电阻，称为膜电阻。接触电阻主要就是由膜电阻和收缩电阻组成的。接触电阻的存在，会导致导电连接件接触部分电损耗增大，接触处温度升高，造成导电连接件故障，影响系统安全运行。

接触电阻属于微欧级别的小电阻，传统的测量微电阻的方法有电压降法和微欧仪法。工程上高电压大容量导电连接件回路电阻测试，通常采用四端子接线的直流压降法，在回路中作用电流，根据电压降和通过的电流测量得到回路电阻。《电力设备预防性试验规程》规定直流压降法电流不小于100A。传统的回路电阻测试采用开关整流电源，体积重量大，不便携带且功能较单一。有文献报道采用矩形脉冲电源，但只适用于无感电路。也有文献提出用电容电感组成二阶振荡电路，二阶振荡电路则可通过采样电流峰值附近的信号消除电感对测量结果造成的影响，但是其电流峰值也仅为100A，而且持续时间较短，对于消除触头的表面膜不利。

电气设备导电回路节点接触电阻的阻值一般在几十微欧到数百微欧，所以要精确测量其阻值，必须通以大电流。国家推荐的测试电流为100A，但是随着近期的研究表明，回路电阻在100A的直流电源和在300A的直流电源下测得的阻值存在着一定得差异，300A的电流源下测得的回路电阻值更为准确。同时，多个断路器生产厂家发现，1000A电流下的测量值将更能反映触头的导通状态。这些研究均表明，回路电阻的精确测量必需采用能输出更大电流的电源。

目前，国内外的回路电阻测量仪器大多采用开关电源，只能输出100A到300A的电流，要产生更大的电流，则设备成本和重量都将大大增加，基本不能满足现场测试仪的要求。国外有文献报道，采用电解电容器组作为储能电源，能够放出1kA的电流，但是电容器组本身质量就达10kg，再者电解电容器使用维护十分困难，不能满足工程应用要求。

科技的进步和发展使各学科间的联系越来越紧密，电气设备测试技术发展也依赖于其他学科的发展成就。近年来，有一种称超级电容器的储能元件，被广泛的应用到重要的工业领域中，如航空航天、起重机、电动汽车、UPS电源，再生能源和军事领域。超级电容器，由表面多孔活性炭和有机电解液组成，外部通过氩弧焊方法焊接外壳密封并通过电极与外部环境联接。超级电容器功率特性优异，与同体积的电池相比，具有10倍以上的功率密度和100倍以上的充放电速率。超级电容器的特大电容量、内阻小、充放电速率高、安全系数高、充放电线路简单和长期使用免维护等优良特性，为电气设备回路电阻检测装置的研制，提供了坚实基础。

发明内容

 本发明提出一种电气设备回路电阻测试系统及接触状态评估方法，应用超级电容器产生千安级长波头的冲击电流，针对电力系统各类电气设备导电回路节点（GIS导电回路、高压断路器、高中压隔离开关和高中压母排等）呈现的回路电阻的差异性，得到电气设备的回路电阻值，评估电气设备导电回路节点的接触状态。若测试对象为高压断路器还可得到其合闸电阻、回路电阻值以及回路电阻的变化曲线。

一种电气设备回路电阻测试系统，本系统可以产生千安级的冲击电流，用于回路电阻的测量，可以消除测量引线自身电阻和连接时接触电阻的影响，精确的测量各类电气设备的回路电阻；适用于各类电气设备导电回路电阻的特点和回路电阻测量的基本范围，有针对性的对各类电气设备回路电阻进行现场检测。

包括充电回路、主放电回路、数据采集和处理模块； 

充电回路包括充电器、超级电容器、充电保护电阻；

主放电回路包括超级电容器、晶闸管、分流器、被测电气设备；

数据采集和处理模块包括电压隔离传感器、工控机，工控机内部包括数据采集卡、数据处理模块、显示模块；

充电器与超级电容器连接，超级电容器与晶闸管、分流器、被测电气设备形成串联回路，分流器、被测电气设备分别与电压隔离传感器连接，电压隔离传感器、晶闸管分别与数据采集卡连接，数据采集卡与数据处理模块连接，数据处理模块与显示模块连接；

超级电容器由充电器为其充电，外加信号触发晶闸管导通，超级电容器对回路放电，根据超级电容器放电特性与回路电阻的关系，以保证得到千安级长波头的冲击电流；

数据采集和处理模块对放电回路端的电压进行测量和数据采集，在放电过程中，电压隔离传感器分别提取分流器和被测电气设备的端电压信号，经高速数据采集卡的转换，送至工控机中的数据处理模块进行处理，工控机负责完成超级电容器的触发放电控制、数据采集、数字滤波和波形截取、数值计算，存储和波形显示，工控机完成上述处理过程是通过采用LabVIEW图形化编程语言开发的具有数据采集、数字滤波、数值计算、波形显示、数据存储和触发放电控制等功能的测试软件，具有功能强大，操作简单的特点。

一种基于上述系统的电气设备接触状态评估方法，该评估方法能够根据测量结果进行智能计算，通过回路电阻随冲击电流增长的变化率反映电气设备的接触状态，解决传统评估方法只能依据管理值来判断电气设备接触状态的弊端。具体为：在回路电阻测量精确的基础上，通过超级电容器产生的千安级长波头的冲击电流，测量不同数量级冲击电流下电气设备的回路电阻值，将测量数据进行归一化处理后，通过回路电阻随冲击电流增长的变化率评估电气设备的接触状态情况。

所述数据的归一化处理，是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经

过变换化为无量纲的表达式，成为纯量，避免具有不同物理意义和量纲的输入变量不能平等使用。

所述回路电阻随电流增长的变化率，是将归一化后相邻回路电阻的变化比上

对应电流的变化，取最大的变化率进行回路电阻的评估。

所述电气设备接触状态评估方法，包括以下步骤：

步骤1、通过超级电容器产生的千安级长波头的冲击电流，测量不同冲击电流下的GIS回路电阻值；

步骤2、将测量数据进行归一化处理，将归一化后相邻回路电阻的变化比上对应电流的变化，取最大的变化率进行回路电阻的评估；

步骤3、当变化率小于1.4时，设备接触良好；当变化率大于1.4时，设备接

触不良。

与现有技术相比，本发明提出了一种电气设备回路电阻测试系统及接触状态评估方法，其中，回路电阻测试系统能够产生千安级长波头的冲击电流，消除测量引线自身电阻和连接时接触电阻的影响，精确测量电气设备回路电阻，并针对电力系统各类电气设备导电回路节点呈现的回路电阻的差异性，通过回路电阻随冲击电流增长的变化率评估电气设备的接触状态，避免了传统测试方法只能依靠管理值来判断的弊端。

附图说明

图1为本发明的测试系统示意图。

图2为本发明的主放电回路的电流、电压波形图。

图3为本发明的回路电阻测量流程图。

图中，1—充电器，2—超级电容器，3—充电保护电阻，4—晶闸管，5—分流器，6—被测电气设备，7-电压隔离传感器，8—冲击电流形，9—被测试品电压降波形。

具体实施方式

图1为本发明的测试回路示意图。本系统包括充电回路、主放电回路、数据采集和处理模块；充电回路包括充电器、超级电容器、充电保护电阻；主放电回路包括超级电容器、晶闸管、分流器、被测电气设备；数据采集和处理模块包括电压隔离传感器、工控机，工控机内部包括数据采集卡、数据处理模块、显示模块；充电器与超级电容器连接，超级电容器与晶闸管、分流器、被测电气设备形成串联回路，分流器、被测电气设备分别与电压隔离传感器连接，电压隔离传感器、晶闸管分别与数据采集卡连接，数据采集卡与数据处理模块连接，数据处理模块与显示模块连接。

回路电阻的测量，是以超级电容器为放电电流源，测量时当充满电荷的超级电容对测量回路电阻放电，将能够产生高达千安级的长波头冲击电流，以满足测量电气设备回路电阻的要求。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，所以主放电回路是非振荡电路。当电流达到最大时，回路冲击电流的变化率接近为零，此时回路的压降信号为纯电阻压降，此电阻的大小将主要反映导电杆触头接触状况。

超级电容器的电容量可达83F，充电电压DC48V。其最大直流等效串联电阻为10mΩ，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。

千安级长波头冲击电流，是利用超级电容器大容量的特点并根据超级电容器与被测试品和标准电阻构成RLC电路的选取得到非振荡电路来获得的，冲击电流幅值可达千安级，波头时间可达10ms左右。

输出的千安级长波头冲击电流需根据具体实际电路来决定，本申请通过仿真计算当回路电阻在20mΩ以内（被测电气设备的电阻均小于该范围），充电电压为30V时，输出电流即可达千安级。

超级电容器的放电电路等效于一个RLC的串联电路，如图1所示。设超级电容器的初始电压为U，在t=0时，开关闭合，超级电容器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。

（1）

其中，U_c为超级电容器电压，U_L为电感电压，U_R为电阻电压；

电流，得到：

（2）

式中，和分别表示某一时刻被测元件的电阻和电感。

由于回路中电感的作用，在前面几个毫秒时端电压接近与充电电压，此时电感的压降远大于接触电阻的压降。当电流达到最大时，接近为0，此时回路的压降信号为纯电阻压降，由公式2推导得到回路电阻的计算表达式为：

（3）

式中，为采样点；为采样间隔。和分别为测量得到电流峰值附近的电流以及对应点的电压，和可通过测量得到，为采样频率的倒数。

图2为本发明的放电回路的电流、电压波形图。被测试品在冲击电流时会呈现出感抗压降和回路电阻压降。如图2，电容器对回路放电产生的冲击电流波形如（7），在冲击电流的作用下，被测试品电压降波形如（8）。由被测试品电压降波形可知，由于回路中电感作用，在前面几个毫秒时端电压接近与充电电压，此时电感的压降远大于接触电阻的压降。为了消除被测试品中的电感分量，因此采用公式2得到电气设备的回路电阻值。

图3为本发明的回路电阻测量流程图。为当超级电容器充电完成后，触发信号触发晶闸管导通，带有初始电压的超级电容器向回路放电，产生千安级的冲击测试电流。千安级的冲击测试电流分别流过作为标准电阻的分流器和被测电气设备的导电杆，在其上产生电压降。工控机中的采集卡和数据处理模块主要完成信号的采集和后续的存储、计算，显示等的处理功能。电压隔离传感器提取的主放电回路中分流器和导电杆的断电压信号输入高速数据采集卡输入进来的模拟信号转换成数字信号，工控机对采集的信号做进一步的处理，进行电气设备状态评估。

一种基于上述系统的电气设备接触状态评估方法，该评估方法能够根据测量结果进行智能计算，通过回路电阻随冲击电流增长的变化率反映电气设备的接触状态，解决传统评估方法只能依据管理值来判断电气设备接触状态的弊端。具体为：在回路电阻测量精确的基础上，通过超级电容器产生的千安级长波头的冲击电流，测量不同数量级冲击电流下电气设备的回路电阻值，将测量数据进行归一化处理后，通过回路电阻随冲击电流增长的变化率评估电气设备的接触状态情况。

所述数据的归一化处理，是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经

过变换化为无量纲的表达式，成为纯量，避免具有不同物理意义和量纲的输入变量不能平等使用。

所述回路电阻随电流增长的变化率，是将归一化后相邻回路电阻的变化比上

对应电流的变化，取最大的变化率进行回路电阻的评估。

所述电气设备接触状态评估方法，包括以下步骤：

步骤1、通过超级电容器产生的千安级长波头的冲击电流，测量不同冲击电流下的GIS回路电阻值；

步骤2、将测量数据进行归一化处理，将归一化后相邻回路电阻的变化比上对应电流的变化，取最大的变化率进行回路电阻的评估；

步骤3、当变化率小于1.4时，设备接触良好；当变化率大于1.4时，设备接

触不良。

Claims (5)

1.一种电气设备回路电阻测试系统，其特征在于：包括充电回路、主放电回路、数据采集和处理模块； 

充电回路包括充电器、超级电容器、充电保护电阻；

主放电回路包括超级电容器、晶闸管、分流器、被测电气设备；

数据采集和处理模块包括电压隔离传感器、工控机，工控机内部包括数据采集卡、数据处理模块、显示模块；

充电器与超级电容器连接，超级电容器与晶闸管、分流器、被测电气设备形成串联回路，分流器、被测电气设备分别与电压隔离传感器连接，电压隔离传感器、晶闸管分别与数据采集卡连接，数据采集卡与数据处理模块连接，数据处理模块与显示模块连接；

超级电容器由充电器为其充电，外加信号触发晶闸管导通，超级电容器对回路放电，根据超级电容器放电特性与回路电阻的关系，以保证得到千安级长波头的冲击电流；

数据采集和处理模块对放电回路端的电压进行测量和数据采集，在放电过程中，电压隔离传感器分别提取分流器和被测电气设备的端电压信号，经高速数据采集卡的转换，送至工控机中的数据处理模块进行处理，工控机完成超级电容器的触发放电控制、数据采集、数字滤波和波形截取、数值计算，存储和波形显示。

2.一种基于上述系统的电气设备接触状态评估方法，其特征在于：在回路电阻测量精确的基础上，通过超级电容器产生的千安级长波头的冲击电流，测量不同数量级冲击电流下电气设备的回路电阻值，将测量数据进行归一化处理后，通过回路电阻随冲击电流增长的变化率评估电气设备的接触状态情况。

3.根据权利要求2所述的电气设备接触状态评估方法，其特征在于：所述数据的归一化处理，是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经过变换化为无量纲的表达式，成为纯量，避免具有不同物理意义和量纲的输入变量不能平等使用。

4.根据权利要求2所述的电气设备接触状态评估方法，其特征在于：所述回路电阻随电流增长的变化率，是将归一化后相邻回路电阻的变化比上对应电流的变化，取最大的变化率进行回路电阻的评估。

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的电气设备接触状态评估方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、通过超级电容器产生的千安级长波头的冲击电流，测量不同冲击电流下的GIS回路电阻值；

步骤2、将测量数据进行归一化处理，将归一化后相邻回路电阻的变化比上对应电流的变化，取最大的变化率进行回路电阻的评估；

步骤3、当变化率小于1.4时，设备接触良好；当变化率大于1.4时，设备接

触不良。