CN107607787A - 一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统及方法，包括采集控制模块、计算机、稳压电源、电压可控恒流充电器、隔离控制模块、隔离测量模块、电流分流器、可控硅和超级电容器组；其中计算机与采集控制模块的输入端连接；采集控制模块的输出端通过隔离控制模块与可控硅、电压可控恒流充电器连接，通过隔离测量模块分别对电流分流器两端、回路电阻两端和超级电容器组两端的电压进行采集；可控硅与回路电阻、超级电容器组、电流分流器和电压可控恒流充电器组成串联回路，电压可控恒流充电器接入220V交流电网，稳压电源对采集控制模块和隔离模块进行供电；采集控制模块通过隔离模块对电流分流器进行控制。

Description

一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统及方法

技术领域

本发明涉及中、高压设备的回路电阻检测领域，更具体地，涉及一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统及方法。

背景技术

电力设备与其它元器件接触时会存在接触电阻，而接触电阻的大小会直接影响回路中的截流能力，所以，对设备进行回路电阻检测是电气设备中一项非常重要的试验。

导电连接件的导电回路由动、静触头或者连接件间的接触电阻和线路中其它连接线的电阻组成，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成。当导电连接件的接触状态正常时，大电流流过在接触位置发热很小，因此回路电阻随着电流的变化时其变化率不大；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，导致触点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。为了更准确地测试回路电阻，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地判断触头状态。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。

但是当导电连接件的接触状态异常，其回路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。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，导体连接件发热更加严重，此时随着电流的变化回路电阻变化更明显。但是，对于导电连接件回路电阻随电流的变化率测量较困难，影响测量结果的比较和判断。

现国内外采用的大电流冲击源通常采用超级大电容器进行放电实现，仅能在放电期间对接触位置产生大电流，持续时间短，再次冲击间隔时间长，在装置充电期间接触点已充分冷却，再次检测时触头已恢复至原冷却状态，即无法在大电流且发热情况下准确检测其回路电阻状态。

发明内容

本发明的目的是解决目前在大电流且发热情况下无法准确检测回路电阻状态的缺陷，设计一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统及方法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，包括采集控制模块、计算机、稳压电源、电压可控恒流充电器、隔离控制模块、隔离测量模块、电流分流器、可控硅和超级电容器组；其中计算机与采集控制模块的输入端连接；采集控制模块的输出端通过隔离控制模块与可控硅、电压可控恒流充电器连接，通过隔离测量模块分别对电流分流器两端、回路电阻两端和超级电容器组两端的电压进行采集；可控硅与回路电阻、超级电容器组、电流分流器和电压可控恒流充电器组成串联回路，电压可控恒流充电器接入220V交流电网，稳压电源对采集控制模块和隔离模块进行供电；采集控制模块通过隔离模块对电流分流器进行控制。

优选的是，所述隔离测量模块和隔离控制模块均为工控机。

优选的是，所述电流分流器包括充电电流分流器和放电电流分流器。

优选的是，所述可控硅包括充电可控硅和放电可控硅，数量各为3个。

优选的是，所述超级电容器组为拉法级电容器组，数量为3个，规格分别为54F(16V)、108F(24V)、108F(48V)。

优选的是，所述稳压电源为24V稳压电源。

优选的是，所述计算机包括笔记本电脑，通过USB与采集控制模块连接。

优选的是，所述采集控制模块包括16位高速USB采集卡。

一种基于超级电容器组的回路电阻检测方法，通过多段式冲击产生回路电流并计算电阻值，包括以下步骤：

S1：系统自检；

S2：设定可调电压，启动可控硅1，超级电容器组1充电；若超级电容器组1电量充至设定值则转至步骤S3；

S3：关闭可调电压并关闭可控硅1，再设定可调电压，启动可控硅2，超级电容器组2充电；若超级电容器组电量充至设定值则转至步骤S4；

S4：关闭可调电压并关闭可控硅2，再设定可调电压，启动可控硅3，超级电容器组3充电；若超级电容器组充至设定值则转至步骤S5；

S5：关闭充电电源并关闭所有可控硅；

S6：超级电容器组1放电，记录回路电阻两侧电流I1并测量回路电阻值R1；

S7：超级电容器组1放电至峰值电流一半；

S8：超级电容器组2放电，记录回路电阻两侧电流I2并测量回路电阻值R2；

S9：超级电容器组2放电至峰值电流一半；

S10：超级电容器组3放电，记录回路电阻两侧电流I3并测量回路电阻值R3；

S11：通过归一化算法对三个电流峰值下电阻值的变化对接触状态进行评估，其中归一化处理数据公式为

其中变化率K≤1.4时，判断回路电阻触头接解良好，当K≥1.4时，判断回路电阻触头接解不良。

优选的是，所述冲击电流的峰值可达4800A，步骤S1所述系统的等效电阻小于6.3mΩ。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以超级电容器组作为放电电源，通过不同电流值下回路电阻值进行检测并计算不同电流下阻值的变化率，能够适用于强电磁干扰环境并能够精确测量μΩ级的高电压大容量导电连接件的回路电阻。

附图说明

图1为一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统原理图；

图2为一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统充电原理图；

图3为一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统放电原理图；

图4为一种基于超级电容器组的回路电阻检测方法放电流程图；

图5为本发明检测100μΩ电阻时系统输出的电压波形图；

图6为本发明检测100μΩ电阻时系统输出的电流波形图；

图7为本发明检测100μΩ电阻时电阻两端的电压波形图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

请参考图1，图1为一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统原理图。

一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，包括采集控制模块、计算机、稳压电源、电压可控恒流充电器、隔离控制模块、隔离测量模块、电流分流器、可控硅和超级电容器组；其中计算机与采集控制模块的输入端连接；采集控制模块的输出端通过隔离控制模块与可控硅、电压可控恒流充电器连接，通过隔离测量模块分别对电流分流器两端、回路电阻两端和超级电容器组两端的电压进行采集；可控硅与回路电阻、超级电容器组、电流分流器和电压可控恒流充电器组成串联回路，电压可控恒流充电器接入220V交流电网，稳压电源对采集控制模块和隔离模块进行供电；采集控制模块通过隔离模块对电流分流器进行控制。

优选的是，所述隔离测量模块和隔离控制模块均为工控机。

优选的是，所述电流分流器包括充电电流分流器和放电电流分流器。

优选的是，所述可控硅包括充电可控硅和放电可控硅，数量各为3个。

优选的是，所述超级电容器组为拉法级电容器组，数量为3个，规格分别为54F(16V)、108F(24V)、108F(48V)。

优选的是，所述稳压电源为24V稳压电源。

优选的是，所述计算机包括笔记本电脑，通过USB与采集控制模块连接。

优选的是，所述采集控制模块包括16位高速USB采集卡。

在实际工作过程中，本系统分为充电电路和放电电路。

请参考图2，图2为本发明充电电路原理图。

通过笔记本电脑连接16位高速USB采集卡，通过控制可控硅并检测充电电流和电压，当充电电流明显下降时即表示电容器组充满电荷，此时关闭充电电路以使对应可控硅截止，再启动其它电容器组充电，依次实现一套充电装置完成3组电容器组充电，通过调节不同的充电电压可以保证不同的电容器组充有不同的电压值，从而达到调节放电时电流大小。同时装置能够通过增加电容器组、可控硅和采集控制卡通道来扩充冲击次数。

请参考图3，图3为本发明放电电路原理图。

通过笔记本电脑连接16位高速USB采集卡，通过控制可控硅触发第一组超级电容器组放电，通过采样卡采集电阻上的电压即可知道产生的冲击电流瞬时值。当电流值逐渐降低时启动第二组超级电容器放电，并逐一将3组电容器放电，通过检测电阻两侧的电压，与分压电阻上的电压进行运算，可以准确计算出不同冲击电流下的多个回路电阻阻值。

一种基于超级电容器组的回路电阻检测方法，如图4所示，步骤如下：

S1：系统自检；

S2：设定可调电压，启动可控硅1，超级电容器组1充电；若超级电容器组1电量充至设定值则转至步骤S3；

S3：关闭可调电压并关闭可控硅1，再设定可调电压，启动可控硅2，超级电容器组2充电；若超级电容器组电量充至设定值则转至步骤S4；

S4：关闭可调电压并关闭可控硅2，再设定可调电压，启动可控硅3，超级电容器组3充电；若超级电容器组充至设定值则转至步骤S5；

通过控制卡控制电压可控恒流充电器，使其充电电压符合要求，此时检测充电电流大小，当电流低至一定值明天该组电容已充满，并启动其它电容器组充电，如此将全部电容器充满电荷

S5：关闭充电电源并关闭所有可控硅；

S6：超级电容器组1放电，记录回路电阻两侧电流I1并测量回路电阻值R1；

S7：超级电容器组1放电至峰值电流一半；

S8：超级电容器组2放电，记录回路电阻两侧电流I2并测量回路电阻值R2；

S9：超级电容器组2放电至峰值电流一半；

S10：超级电容器组3放电，记录回路电阻两侧电流I3并测量回路电阻值R3；

通过控制卡控制可控硅1启动，使电容器组1对被测电阻放电，当电流减少至一半左右时，启动可控硅2，如此将所有电容器组逐一放电。

S11：通过归一化算法对三个电流峰值下电阻值的变化对接触状态进行评估，其中归一化处理数据公式为

其中变化率K≤1.4时，判断回路电阻触头接解良好，当K≥1.4时，判断回路电阻触头接解不良。

请参考图5-7，其中图5为本发明检测100μΩ电阻时系统输出的电压波形图，图6为本发明检测100μΩ电阻时系统输出的电流波形图，图7为本发明检测100μΩ电阻时电阻两端的电压波形图。

本系统采用的超级电容器组为法拉级，分别由54F(16V)、108F(24V)、108F(48V)组成，其内部电阻极低(最大直流等效串联电阻为6.3mΩ),三次冲击产生的非振荡千安级电流，最大冲击电流超过4800A。三次冲击产生不同的冲击电流，在接触电阻良好的情况下，电阻发热不明显，因此电阻值在三次冲击电流下没有大的变化，保持在相同的水平，因此可以通过归一化算法对三个电流峰值下电阻值的变化对接触状态进行评估，根据三个不同电流的大小及对应的三个电阻值分别为I1、I2、I3、R1、R2、R3；归一化处理数据公式为：

当变化率K≤1.4时，判断触头接触良好，当K≥1.4时，触头接解不良。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，包括采集控制模块、计算机、稳压电源、电压可控恒流充电器、隔离控制模块、隔离测量模块、电流分流器、可控硅和超级电容器组；其中计算机与采集控制模块的输入端连接；采集控制模块的输出端通过隔离控制模块与可控硅、电压可控恒流充电器连接，通过隔离测量模块分别对电流分流器两端、回路电阻两端和超级电容器组两端的电压进行采集；可控硅与回路电阻、超级电容器组、电流分流器和电压可控恒流充电器组成串联回路，电压可控恒流充电器接入220V交流电网，稳压电源对采集控制模块和隔离模块进行供电；采集控制模块通过隔离模块对电流分流器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，所述隔离测量模块和隔离控制模块均为工控机。

3.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，所述电流分流器包括充电电流分流器和放电电流分流器。

4.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，所述可控硅包括充电可控硅和放电可控硅，数量各为3个。

5.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，所述超级电容器组为拉法级电容器组，数量为3个，规格分别为54F(16V)、108F(24V)、108F(48V)。

6.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，所述稳压电源为24V稳压电源。

7.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，所述计算机包括笔记本电脑，通过USB与采集控制模块连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测系统，其特征在于，所述采集控制模块包括16位高速USB采集卡。

9.一种如权利要求1-8所述的超级电容器组的回路电阻检测方法，通过多段式冲击产生冲击电流并计算电阻值，其特征在于，包括以下步骤：

S1：系统自检；

S2：设定可调电压，启动可控硅1，超级电容器组1充电；若超级电容器组1电量充至设定值则转至步骤S3；

S3：关闭可调电压并关闭可控硅1，再设定可调电压，启动可控硅2，超级电容器组2充电；若超级电容器组电量充至设定值则转至步骤S4；

S4：关闭可调电压并关闭可控硅2，再设定可调电压，启动可控硅3，超级电容器组3充电；若超级电容器组充至设定值则转至步骤S5；

S5：关闭充电电源并关闭所有可控硅；

S6：超级电容器组1放电，记录回路电阻两侧电流I1并测量回路电阻值R1；

S7：超级电容器组1放电至峰值电流一半；

S8：超级电容器组2放电，记录回路电阻两侧电流I2并测量回路电阻值R2；

S9：超级电容器组2放电至峰值电流一半；

S10：超级电容器组3放电，记录回路电阻两侧电流I3并测量回路电阻值R3；

S11：通过归一化算法对三个电流峰值下电阻值的变化对接触状态进行评估，其中归一化处理数据公式为

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>I</mi> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>I</mi> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中变化率K≤1.4时，判断回路电阻触头接解良好，当K≥1.4时，判断回路电阻触头接解不良。

10.根据权利要求9所述的一种基于超级电容器组的回路电阻检测方法，其特征在于，所述冲击电流的峰值可达4800A，步骤S1所述系统的等效电阻小于6.3mΩ。