带电测量断路器接触电阻方法的研究

带电测量断路器接触电阻的研究 带电测量断路器接触电阻方法的研究 陈杏灿，程汉湘，彭湃，冼冀 (广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006) 摘 要：提出了一种可对运行中的断路器实时测量其接触电阻的新方法。通过两个电压互感器采集断路器两端对地电压，求得断路器两端的电压差，同时测得流过断路器的电流，根据欧姆定律即可得接触电阻。分析表明，该方法可在保证测量系统与高压隔离的前提下，实时带电测量断路器的接触电阻。对预防断路器的安全事故，保证断路器可靠运行具有重要意义。 关键词：断路器；接触电阻；带电测量中图分类号：TM561；TM934.14 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2015)04-0046-03 Design of Electrifi ed Measuring Contact Resistance in Circuit Breakers CHEN Xing-can, CHENG Han-xiang, PENG Pai, XIAN Ji （Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China） Abstract: This paper presented a new real-time measuring method for the contact resistance of the operated circuit breakers. A pair of potential transformer worked in parallel to measure indirectly the voltage difference on the two terminals of the circuit breaker, while the currents fl owing through circuit breakers were measured by current transformers. The result of contact resistance could be obtained based on Ohm Law. The analysis shows that this method could not only guarantee the isolation between control system and strong current, but also measure the contact resistance in real time, which would effectively prevent circuit breakers accidents. Key words: circuit breaker; contact resistance; live line measurement 0 引言 在电力系统中，接触点是完成导通、分断电流的载体，因此其电接触性能已经成为影响电气可靠性的关键。而目前对断路器连接点接触可靠与否，除了检修时进行机械检测或者通以直流电流测量回路电阻外，对运行中设备仅以温度监视其发热程度，可靠性较差，不能及时发现缺陷，一旦接触电阻增大，当断路器流过大电流时，将导致接触体的温度迅速升高，很有可能使接触体变形甚至粘连，从而影响了电连接器的性能甚至可能对整个电气系统造成致命的危害[1]。因此，接触电阻的测量越来越受到研究者的重视，并取得了一定的研究成果。参考文献[2]利用动态接触电阻测量系统，对触点闭合过程的接触压降进行测量，进而提出了动态接触电阻的概念，对继电器触点进行失效预测。参考文献[3]研究了接触电阻的时变规律并进行了短期预测，进而对因接触不良导致的接触故障进行预测。 上述研究的局限在于，研究内容为定性而不是定量。参考文献[4]研究设计了以DSP最小系统为核心，实现对超级电容充放电的控制，电压、电流信号经调理放大电路处理后进行釆集，最后通过欧姆定律计算得到回路电阻的大小。该方法只能在断路器不带强电，接触电阻两端电压很小的情况下进行测量。当断路器正常运行时，接触电阻受影响的因素众多，包括电接触点的材料、形状，触点表面与触点压力等[5]，全国各地气候条件的不一致性，且我国电网中开关，其导电回路电阻为微欧级，大多数型号开关的导电回路电阻在100μΩ以下[6]，很难在断路器使用过程中确保接触电阻时时刻刻是正常的。因此，本文研究了一种既保证实时性，又确保高压与测量系统隔离的安全性，能带电测量断路器的接触电阻。 1 接触电阻定义 接触电阻是指电流通过接触点时在接触处产生 作者简介：陈杏灿(1990- )，男，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化。 的电阻，一般是指收缩电阻和表面膜层电阻的和[7]。可用公式表示如下： R=Ra+Rb (1) 上式中：R 为接触电阻；Ra为收缩电阻；Rb为表面电阻。 收缩电阻Ra与接触点数有关，且与接触点是弹性变形或者是塑性变形也有关。当触头的结构和触头的温度确定以后，触头材料的电阻率、弹性模数、触头间的压力、材料硬度等参数都是固定的，而接触点的变形性质和接触点数则随触头的每次断开后再接触而变。因此，每次触头断开闭合后，同一触头的收缩电阻一般是不同的。此外，收缩电阻还与通过电流的大小有关，这是由于流过触头的电流不同，触头温度也不同，而温度对触头的材料电阻，材料弹性模数和材料硬度都有影响。 表面电阻Rb与触头面上存在的一层薄膜有关，即使是新的触头暴露在大气层中后，不可避免地会出现一层薄膜。表面电阻Rb就是由此引起的。氧化膜实际上就是半导体，几乎不导电并且有极性。但强电触头由于触头间压力大，可把氧化膜部分压碎而导电，或由于触头间电压足够高，可把氧化膜上某些点电击穿而导电，从而降低表面电阻。 综上所述，接触电阻不仅直接与接触点材料的电阻率、硬度、接触压力、测试电流相关，而且对空间环境的温度、湿度、气氛、气流、触电表面的粗糙度也具有一定的依赖性，测量难度高。 的接触电阻，当接触电阻流过电流I时，将会在接触电阻两端产生一个电压差U，根据欧姆定律可得接触电阻Rx。 由于接触电阻基本为微欧级别的，且断路器正常工作电流在上百安培到上千安培波动，触头间的电压差在几毫伏波动。图2为回路电阻经典测量原 o 图2 直流压降法 在图2中可以看出，测量断路器回路电阻的基本原理就是必须闭合断路器，在断路器两端接上一个恒流源，通过大电流，电流应足够大，足以击穿触头接触表面的氧化膜。根据国内GB763—1990、DL405—91等电力国标规定：在直流压降法测试断路器回路电阻时，其回路电流不得小于100A。由于断路器回路电阻一般为微欧级，ab两端压差为毫伏级，可经过运算放大器进行放大采样，再根据同一时刻的电流值，由欧姆定律即可得出回路电阻。 然而，要实现实时测量接触电阻，必然要将测量系统长期安装在断路器上，由此产生了一个隔离问题。图3为实时测量接触电阻的未隔离示意图。 o 2 测量接触电阻的基本原理 常用直流压降法测量接触电阻，当电流流过接触点时，由于接触电阻的存在，必将产生一定的电压差，测量这个电压差的数值，并根据同一时刻测量到的电流，根据欧姆定律可计算出其接触电阻[8]。虽然接触电阻受影响因素很多，不管收缩电阻和表面电阻的影响因素如何变化，空间环境如何变化，归根到底，接触电阻的测量原理如图1所示。 图3 实时测量接触电阻 图1 接触电阻的定义 图1中R1和R2为导线的等效电阻，Rx为等效 图3为400V系统中，三相四线制接线中的其中一相，其余两相同理。当断路器闭合时，此时两端的压差为毫伏级的，用简单运算放大器经过放大采样，可直接与单片机等控制系统相连。电流采样可经过电流互感器直接采样，不存在什么问题。问题在于断路器不会长期闭合，当系统发生短路时，或者人为需要断开断路器时，当断路器打开，此时交流220V电压将直接加到运放ab两端，可以瞬间烧毁运放和与运放相连的整个控制板。如果用普 通电压互感器直接并联到触头ab之间，在断路器闭合期间，由于这个电压差很小，可用互感器直接测量。但是，同样断路器在流过故障电流时，继电保护装置将使断路器跳闸，由此单相220V电压将 直接加到互感器两端，造成互感器铁心饱和，如果互感器耐压水平不高，极有可能直接烧毁互感器甚至烧毁整个测量系统。寻找一个解决这个隔离问题的方法成为本设计的难点。 量系统原理如图5所示。 六路电压三路电流采集 PC机 RS232接口 电压抬升 报警 3 带电测量接触电阻的新方法 采样保持器 ARM7芯片 键盘 HS12864显示模块 测量触头之间的压差，这个压差从闭合时的毫伏级低电压到断开时的220V左右的高电压变化，既要保证闭合时测量系统能测量出接触电阻，又要保证触头断开时隔离高电压。基本设计原理如图4所示。 六路温度 图5 控制系统框图 图4 带电测量接触电阻的原理图 图4为同样三相400V系统中的一相等效电路，其他两相亦是同理。图4中，用两个电流型的电压互感器并接在断路器两端，Ra1和Ra2为限流电阻，Rb1和Rb2为采样电阻。当断路器闭合时，互感器分别感应输出电压Ua和Ub，这两个电压可再经过电压抬升以及改变采样电阻的阻值，结合使得输出电压保持在0～5V之间，此电压即可直接送进嵌入式系统处理，由基尔霍夫电压定律，在嵌入式系统内简单的编程减法指令即可得到断路器闭合时两端的电压差。同时，由电流互感器测量出同一时刻流过断路器的电流，根据欧姆定律即可得到接触电阻。这样，当有故障电流或人为断开断路器时，单相220V电压会直接加到图4左边的互感器，由于限流电阻和互感器的隔离作用，此时不会烧毁嵌入式系统，而右边的电压互感器则输出电压为0，对测量系统也并不会造成影响。这样，可在断路器三相开关两头直接并接入该测量系统，既可以实时测量断路器的接触电阻大小，实时监控接触电阻是否异常，又可以将高压与测试系统的低压隔离，不管断路器闭合还是断开，都不会对测量系统造成影响。 测量系统采用ARM7嵌入式芯片为核心，断路 器的三相回路，每相采集两个电压一个电流，共需采集六路电压和三路电流，经电压抬升电路，将输入电压抬升到0～5V之间，通过采样保持器锁存同一时刻的六路电压和三路电流的值。由于嵌入式芯片已有模数转换器，不必再加A/D转换模块。采样保持器的值可直接送进ARM7进行转换计算。接触电阻在流过大电流时必然发热，故增加六路温度测量断路器触头间周围温度，用常用的DS18B20温度传感器，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点，其独特的单线接口方式，仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信，节省ARM7的I/O口资源，故可用其对断路器触头周围温度进行监控。测量得到的电压、电流、温度以及接触电阻的数值，可通过HS12864实时显示。若接触电阻增大，温度升高，通过ARM7实时检测到接触电阻异常，可通过声光报警，并通过RS232与计算机通信，将现场数据实时发送给控制中心，实现实时监控。 　　 5 结语 利用两个电压互感器并联的方法间接测量断路器两端电压差，既可以保证控制系统与强电的隔离，又能实时测量接触电阻的大小。400V配电系统中，最重要就是要供电可靠，不能随便停电，而断路器检修时必然要断开断路器，造成用户停电。因此，研究带电测量断路器各种参数必将是未来电器发展的趋势。带电实时测量断路器接触电阻，可不必每次都需要断开断路器造成用户停电，且可在断路器 (下转第52页) 4 控制系统设计 控制系统主要由采样部分和控制部分构成。测 端口规定了相应的抗扰度试验项目以及水平，具体如表1所示[7-8]。 表1 微机励磁控制装置各端口抗扰度试验项目 试验项目静电放电快速瞬变脉冲群 浪涌辐射电磁场阻尼振荡波射频传导骚扰谐波抗扰度电压暂降短时中断 工频磁场脉冲磁场 电源端口/√√/√√√√// 输入/输出端口 /√√/√√//// 通信端口/√√/√√//// 功能接地端口/√//√//// 外壳端口√//√////√√ 电磁兼容解决方案。 经过专业实验室试验验证和工程现场运行证明新一代微机励磁控制装置在抗干扰能力方面得到很大的提高，为发电机组的安全稳定提供了可靠的保障。 参考文献 [1] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M]. 北京：中国电力出版社，2002. 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