高速动车组电缆线压接电阻检测装置的研制及分析

2014-10-25曹戎高存丽

铁路技术创新 2014年4期

■ 曹戎高存丽

为满足高速动车组及地铁大电流电缆线压接端的接触电阻检测，研制了高速动车组电缆线压接电阻检测装置。该装置以计算机系统为核心，通过直流大电流发生器提供准确而稳定的试验电流，稳定度达0.05%。由电流比较仪对输出电流进行测量，通过伏安法实现终端压接线头的电缆线压接电阻测试，测试数据准确可靠。这套试验装置节省了试验费用，缩短了工艺流程，提高了生产效率，填补了一项试验空白，在同行业具有领先地位。

1 电阻概念及压接电阻测量

1.1 电阻概念

导体对电流的阻碍作用就叫电阻。电阻的主要物理特征是变电能为热能，导体通电后产生电流热效应，随着时间的推移，导体表面温度不断上升，且温度升高的快慢与达到的高低与电流平方成正比。电缆线压接端子在与电缆线压接时，会产生电阻，这一电阻的大小最好小于等于同长导线的电阻，这样电缆线压接端子在与电缆线压接时，没有改变电缆线的这一物理性能。但在对电缆线进行端子压接时，难免会因压线钳、接线端子质量（如端子壁厚薄、端子内壁处理等）及压接时操作人员的工艺质量等原因，会出现：压得过紧、剥线皮时不小心，使电缆有断丝，导致电缆线截面积减小，压接端电阻增大；压得过松、端子内壁有氧化层等杂质，使接线端子与电缆线接触不良，导致压接端电阻增大；剥线皮不彻底，内部透明层未剥开，使接线端子与电缆线接触不上或接触不完整，导致压接端电阻增大等。压接电阻增大会将流过它的电能变为热能，使端头发热，出现故障和危险。因此，电缆线压接电阻的大小是在做完电缆线压接端子后需要知道的结果，这一结果只能通过试验的方法得到。

1.2 压接电阻测量

压接电阻试验首先需要大电流提供设备，以使试验电流通过压接端头产生压降，这是压接电阻试验中的关键设备。目前，同行业一般采用电桥法和接触压降法。电桥法是用电桥测量电阻，无法克服测量时引入的接触电阻对压接电阻的影响，此外试验电流小（一般在10 A以下），无法模拟动态情况，反映不出温度升高对压接电阻的影响；接触压降法是用回路电阻测试仪测量电阻，回路电阻测试仪的工作电流是固定的，一般有50 A、100 A两档，没法按照试验标准对不同线径的电缆线施以规定的试验电流，导致压接电阻试验的误差过大。

基于以上原因，研制了高速动车组电缆线压接电阻检测装置。

2 压接电阻检测装置

高速动车组电缆线压接电阻检测装置由全自动智能电流发生器、直流电流比例标准和数字测量系统三部分组成。以大电流发生器根据试验标准对不同线径的电缆线提供准确而稳定的试验电流，经整流、稳流，使稳定度达±0.1 A，以计算机系统为核心自动检测系统，通过大电流流过电缆线压接端头，使电缆线压接端头产生压降，由数字表连接微型计算机通过专用软件进行测量计算，实现终端压接端头的压接电阻测试。测试数据准确可靠，测量精度高于0.5级，抗干扰能力强，工作效率高。

2.1 装置组成

本装置是由精密稳压器、微处理系统、控制系统、采样系统、步进调压器等组成的大电流输出设备，是集计算机技术、微电测技术和自动控制技术于一体的新型智能化大电流发生装置。装置结构见图1。

2.2 装置各组成部分功能

（1）精密稳压器提供稳定的电压；

（2）步进调压器系统进行电压调节；

（3）采样系统采集电流电压信号；

（4）微处理系统和控制系统对由采样系统采集的电流电压信号进行控制和处理，最后输出给被测回路，完成大电流的稳定输出；

（5）直流电流比例标准测量输出试验电流；

（6）数字表连接微型计算机，通过专用软件，对流过压接端的电流产生的压降进行测量计算，实现终端压接线头的压接电阻测试。

2.3 工作原理

该装置以微处理系统为核心，通过双步进调压器串联使用，提高调压器的电压调节细度，采样系统、微处理系统、控制系统将波动的电流控制在±0.1 A范围内，实现电流的稳定输出。输出的试验电流大小由直流电流比例标准进行测量控制，该数值的试验电流流过电缆线，在压接端子处产生压降，此压降由数字表连接微型计算机，通过专用软件，进行测量计算，实现终端压接端头的压接电阻测试。

2.3.1 全自动智能电流发生系统

全自动智能电流发生系统以微处理系统为核心，通过双步进调压器串联使用，提高调压器的电压调节细度，使输入的交流电压经过整流电路滤波后，得到较高直流电压，由“变频转换”，将高压直流逆变成高频交流，经高频变压器，变换次级，再经高频整流滤波，得到需要的输出电压；再由控制电路对输出电压和输出电流取样，经闭环反馈后，产生脉宽调制信号，控制“功率转换”电路，使输出电流准确而稳定地保持在某一固定值。

图1 高速动车组电缆线压接电阻测试装置结构

2.3.2 直流电流比例标准测量系统

采用基于直流电流比例标准为核心的测量技术，通过磁调制器检测磁芯磁势，经解调器解调后，变成直流电压输出，以此电压控制伺服电流源，使伺服电流反馈流过次级绕组，以使铁芯的磁通为零，即通过从动源的作用，使初、次级形成一个闭环系统，能自动维持初次级磁势平衡，此时有I1W1=I2W2，即I1/I2=W2/W1。

2.3.3 测量计算系统

由全自动智能电流发生系统输出的电流经直流电流比例标准进行测量控制，该数值的试验电流流过电缆线，在压接端子处产生压降，此压降由数字表连接微型计算机，通过专用软件进行测量计算，实现终端压接线头的压接电阻测试。

3 主要特点与技术指标

装置的主要特点：

（1）电流、电阻两组数据同屏显示，接触电阻值及压接电阻比率Kj直接读取，读数清晰、直观。

（2）全中文界面，操作简单明了。

（3）轻触式面板按键操作，功能均可通过按键设定，提高了产品安全性、可靠性。

（4）全数字式调校，摒弃了传统电位器调整方式，调校准确、直观、方便。

（5）主机加装进线静噪滤波器，隔离了电网谐波及各电源间的干扰。

（6）采用软开关技术，消除高压侧辐射干扰。

（7）主机具有软启动保护功能。

（8）主机具有操作过电压、过电流、短路、过热等非正常情况下的自我保护功能。

（9）采用软硬件抗干扰技术相结合，性能稳定，抗干扰能力强。

主要技术指标如下。

（1）电流输出范围：0～300 A；

（2）电流准确度：0.05%；

（3）电流稳定度：0.05%；

（4）电流波动：±0.1 A；

（5）主机过热保护温度值：75 ℃。

4 电缆线压接电阻检测装置测量结果验证

数学模型：

式中：Rj为电缆线压接端子压接电阻；RAB为电缆线AB段电阻；RBC为电缆线BC段电阻（见图2）。不确定度传播律：

4.1 RAB的测量不确定度

RAB=UAB/ I，

式中：RAB为电缆线AB段电阻；UAB为电缆线AB段的压降；I为施加在电缆线上的试验电流。

4.1.1 由测量重复性带来的不确定度分量

选截面积为60 mm2的试验导线，按JIS C2805：2010《铜线用压接端子》，试验电流为45 A。由全自动智能电流发生系统提供45 A的电流，在重复性条件下，对45 A电流在压接端子处产生的压降用数字表连接微型计算机通过专用软件进行测量计算，10次重复测量得到的压接电阻值分别为：5.269、5.263、5.259、5.262、5.258、5.260、5.268、5.258、5.260、5.264 mΩ。

计算得到标准偏差：

2组平均值的标准偏差：

则标准不确定度：u1=0.005 709 mΩ。

4.1.2 由数字多用表的测量误差引入的不确定度分量

数字多用表最大允许误差为±（0.003 5%RD+0.000 5%FS），45 A电流在压接端子处产生的压降平均值为236.7 mV时的最大测量误差为0.013 28 mV，该误差服从均匀分布，取k= 3，则u2=0.013 28 mV/ 3 =0.007 67 mV。

图2 电阻示意

4.1.3 由全自动智能电流发生系统准确度引入的不确定度分量

全自动智能电流发生器的准确度为0.05级，在45 A电流时的允许最大误差为：△=45 A×0.05%=0.025 5 A，该误差服从均匀分布，取k= 3，则u3=0.025 5 A/ 3=0.012 99 A。

4.1.4 合成不确定度

灵敏度系数：

由于以上各量彼此独立，互不相关，因此：

4.2 RBC的测量不确定度

RBC=UBC/I，

式中：RBC为电缆线BC段电阻；UBC为电缆线BC段的压降；I 为施加在电缆线上的试验电流。

4.2.1 由测量重复性带来的不确定度分量

选截面积为60 mm2的试验导线，按JIS C2805：2010《铜线用压接端子》试验电流为45 A。由全自动智能电流发生系统提供45 A电流，在重复性条件下，对45 A电流在压接端子处产生的压降用数字表连接微型计算机通过专用软件进行测量计算，10次重复测量得到的压接电阻值分别为：8.854、8.862、8.851、8.856、8.866、8.864、8.855、8.865、8.860、8.853 mΩ。

计算得到标准偏差：