基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统

周 蠡，鲁铁成，罗容波，张 博，万家伟，余光凯，胡泰山

（1.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；2.广东供电公司 佛山供电局有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

气体绝缘组合电器（GIS）由于具有体积小、占地面积少和维护方便等优点，在电力系统中得到了广泛应用。但每年因GIS故障而导致的电网事故，给国民经济造成了严重的损失。2010年4月，佛山供电局辖区世龙站发生单相短路故障，导致GIS触头烧蚀；2010年6月丹桂站母线发生三相短路，电弧导致母线烧蚀。事后调查发现，投运前采用传统回路电阻测量方法测量的回路电阻数据合格，但是在投运后事故仍然发生[1-10]。因此，精确测量GIS触头的回路电阻，将有利于降低GIS故障的发生概率，对电力系统安全运行尤为重要。

目前，回路电阻测量主要难在测量电流较小导致无法准确测量GIS触头的接触电阻，而提高测量电流将导致设备过重，不便于现场试验。常用的直流电流源回路电阻测量仪，虽然电流稳定、便于测量，但只能输出100～600 A的电流，要产生更大的电流，设备成本和重量都将大幅增加，导致其便携性差，不利于现场检修试验的开展。基于电容电感组成二阶振荡电路[11]的测量方法，虽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，但是其产生的电流峰值也仅为100 A，而且持续时间较短，对消除触头的表面膜不利。工频交流电流源进行接触电阻的测量时，感应电压会影响测量的准确性。采用电解电容作为电源时，需要大量的电容串并联才能输出大电流，仍不能解决体积和重量的问题。

上述测量方法都有一定的局限性，因此本文提出采用基于超级电容器的冲击电流源，对接触电阻进行测量。超级电容器具有特大电容量、内阻小、充放电速率高、安全系数高和长期使用免维护等优良特性，能够满足现场产生千安级电流的要求且方便携带[12-18]。

1 回路电阻测量原理

本文构建的基于超级电容器的测量回路，如图1所示。图中，C为超级电容器的电容，C=165 F；r为超级电容器的内阻，r=6.3 mΩ；VD0为晶闸管；R0为分流器，R0=75 μΩ；L1和R1分别为测量引线的电感和电阻；L和R分别为被测GIS的电感和电阻。

图1 基于超级电容器的测量回路示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring circuit based on super-capacitor

首先将超级电容器充电到所需电压，触发VD0导通后，电容C经主放电回路放电，测量回路将产生幅值为千安级的冲击电流；将测量得到的分流器两端的压降转换为电流信号、GIS触头两端的压降作为电压信号，可计算得到接触电阻的大小。图2为充电电压为10V时放电电流幅值和被测元件的端电压幅值。

图2 充电电压为10 V时放电电流及被测元件端电压波形Fig.2 Waveforms of discharging current and terminal voltage when charging voltage is 10 V

被测元件的压降 u（t）与回路作用电流 i（t）的关系为：

其中，R和L分别为某一时刻被测元件的电阻和电感。

图1所示的测量回路中，回路电感主要是被测对象的连线电感，测量的前几毫秒，测量端的电压接近电容器的充电电压，此时电感的压降远大于接触电阻的压降；而当电流达到最大值时，di（t）／dt接近为 0，此时测量端的压降信号为纯电阻压降，该电阻的大小将主要反映导电杆触头接触状况。根据式（1）进行推导，得到接触电阻的计算表达式为：

其中，m为采样点；Δt为采样间隔；L可通过不同幅值电流的测量结果计算得到；u（m）和i（m）可通过测量得到；Δt为采样频率的倒数。

2 系统主要硬件设计

2.1 系统硬件整体设计

基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统主要由工控机、充电模块、主放电回路、电压隔离传感器以及数字信号处理模块等组成。图3为系统硬件原理框图。

图3 系统硬件原理框图Fig.3 Block diagram of system hardware

如图3所示，工控机通过串口控制充电电压与充电电流后发出充电指令，充电模块对超级电容器充电；充电完毕后，充电回路自动断开；工控机发出触发指令，晶闸管导通，超级电容器对回路放电；电压与电流信号通过电压隔离传感器进行放大；放大后的信号进入数字信号处理模块，并将接收到的信号进行模数转换后送入工控机进行数据处理，存储结果并生成报表。

2.2 超级电容器

超级电容器是构成系统电源的核心部件，是一种介于电池与普通电容之间的无源器件，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。

超级电容器的电容量（C）、超级电容器的内阻（r）以及充电电压（Uc）是影响放电电流波形以及幅值的主要因素。通过ATP仿真计算，得到不同因素对测量回路放电电流的影响。表1—3分别为不同条件下，回路中的放电电流峰值。由表1—3可知：当超级电容器内阻和充电电压一定时，电容量越大，放电电流的峰值就越大；当超级电容器电容量和充电电压一定时，内阻越小，放电电流的峰值就越大；当超级电容器电容量和内阻一定时，充电电压越大，放电电流的峰值就越大。因此，选取超级电容器的原则是电容量要大且内阻要小，并可以通过增加充电电压提高放电电流的峰值[19-25]。

表1 不同超级电容器电容量下，回路中放电电流峰值（r=6.3 mΩ，Uc=30 V）Table 1 Peak value of discharging current for different values of C，when r=6.3 mΩ and Uc=30 V

表2 不同超级电容器的内阻下，回路中放电电流峰值（C=165 F，Uc=30 V）Table 2 Peak value of discharging current for different values of r，when C=165 F and Uc=30 V

表3 不同充电电压下，回路中放电电流峰值（C=165 F，r=6.3 mΩ）Table 3 Peak value of discharging current for different values of U，when C=165 F and r=6.3 mΩ

在充分考虑现场测量要求以及便携性的基础上，本文采用电容量为165 F、内阻为6.3 mΩ的超级电容器，其质量为13 kg。在一般现场试验条件下，该超级电容器能满足产生千安级峰值电流的要求。

2.3 数据采集

基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统，选用适当量程和高响应速度的电压隔离传感器保证数模转换的精度，提高数据采集卡的利用率，同时也实现强、弱电的隔离。利用差分通道采集经电压隔离传感器放大过的2路信号，并将信号接地连接到低电压输入端，以避免共模电压引起的接地环路噪声。数字信号处理模块采用16位的数模转换器，其采样频率为250 kHz，并采取“先采集、先存储、后处理”的模式，保证了回路电阻测量系统抗干扰和高速采样的特点。

3 系统软件设计

基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统的软件部分采用Labview图形化编程语言开发，系统主要功能模块包括：充／放电控制、数据采集控制、数字滤波、数值计算、数据显示、数据存储和生成报表等，程序流程如图4所示。

图4 系统软件流程图Fig.4 Flowchart of system software

试验时将测量的数据存入数据库，存储内容包括变电站名称、被测对象名称、试验时间、回路电流波形、电压波形以及回路电阻值，用户可根据现场实际情况设置测量参数。软件集成了试验对象的历史数据，用户可根据年、季度、月份、日等选项查询数据，以便用户直观了解GIS触头的历史测量数据，方便安全维护。

4 实验室调试

以100 μΩ分流器模拟被测导电连接件，试验目的在于评估基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统的测量准确性及稳定性。另外，在充电电压为30 V时，测量不同阻值的标准电阻，验证测量系统在不同测量范围内的测量准确性，为测量装置的主要技术指标的提出提供依据。在不同的充电电压下，分别进行5组试验，放电电流峰值、回路电阻值以及测量相对误差如表4所示。测量系统对60～1500 μΩ标准电阻的测量结果及相对误差如表5所示。

表4的试验数据表明：基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统的放电电流峰值，随着充电电压的增加而增大，当充电电压大于等于15 V时，放电电流峰值超过了千安级；测量数据的分散性较小，说明系统的稳定性良好。由于本系统计算回路电阻时选择的是当电流达到最大值的时刻，此时di（t）／dt接近为0，而不是完全等于0，因此测量结果有一定的误差。但是根据测量结果，在不同充电电压下，测量结果的相对误差均在1%以内，测量精度较高。

表4 100 μΩ标准电阻的测量结果Table 4 Measuring results for standard resistor of 100 μΩ

表5 不同标准电阻下测量结果Table 5 Measuring results for different standard resistors

由表5数据可知，在测量范围为60～1500 μΩ、充电电压为30 V时，测量结果的相对误差均在0.5%以内。而GIS触头的回路电阻范围也正是位于此区间（几十至几百微欧），因此，该测量系统能够满足工程实际需要。

5 现场试验

5.1 试验布置

针对某在建500kV变电站的GIS进行现场试验，试验回路包括母线侧接地刀闸、断路器、电流互感器、线路刀闸和线路接地刀闸。试验中，还将可调节插入深度的弹簧触头与新建的GIS间隔串联构造故障状态，并对GIS间隔的接触状态进行评估。故障状态示意图如图5所示。被测的GIS间隔总长为18.5m，测量引线共10 m，对B相进行测量，其回路电阻允许的管理值范围为225～345 μΩ。

为了验证基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统测量的有效性，将本文系统测量结果与常规直流回路电阻测试仪测量结果进行对比。

图5 GIS故障状态示意图Fig.5 Schematic diagram of GIS fault

5.2 测量结果及分析

5.2.1 GIS间隔测量结果

针对某在建500 kV变电站内多间隔GIS设备进行现场试验，对比测量结果见表6。采用常规直流测试仪进行测量时，随着直流电流从100 A增至600 A，回路电阻逐渐增大；采用本文测量系统进行测量时，随着作用电流幅值达到千安级，回路电阻基本趋于稳定。利用管理值判断可知，2种测量系统测得的结果均在允许范围之内，表明GIS触头接触状态良好。

由表6可知，GIS触头接触状态良好时，采用常规直流测试仪测量的结果较分散，而采用本文测量系统测量的结果稳定性高，回路电阻值基本不变。这是因为当GIS触头正常连接时，接触面处的接触点数足够多，其呈现的回路电阻很小，在通过额定及以下电流时，接触斑点处的温升不超过允许值，回路电阻变化不大。其次基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统能产生千安级的作用电流，在复杂电磁环境下利用千安级的作用电流测量，抗干扰能力较强。

5.2.2 GIS间隔与触头串联测量结果

将上述多间隔GIS设备与可构造故障的弹簧触头串联进行现场试验。弹簧触头的接触压力主要体现在主触头里镶嵌的2根弹簧上，由弹簧触头的结构尺寸可知，当插入深度为33～63 mm（63 mm时为完全插入）时，2根弹簧都作用在右侧触头上，接触压力不变；当插入深度小于33 mm时，只有1根弹簧作用在右侧触头上，接触电阻会有明显的变化；当插入深度小于21 mm时，触头不与弹簧接触，接触电阻会明显增大。测量结果对比如表7所示。

当该GIS间隔与弹簧触头串联时，由于串联连接处的连接电阻较大，导致测量时总的回路电阻阻值较大；当触头插入深度为28mm时，由于常规直流测试仪的功率较小，不能够产生600 A的放电电流。

当GIS间隔与接触良好的触头连接时，采用常规直流测试仪测量的回路电阻随着直流电流幅值的增加逐渐增大，测量结果分散；采用本文测量系统，随着作用电流幅值达到千安级，回路电阻的测量结果基本稳定。

当GIS间隔与故障触头连接时，随着作用电流幅值的增加，回路电阻逐渐增大。相对常规直流测试仪，采用本文测量系统测量的回路电阻变化明显，特别当触头插入深度为28 mm时，测量值明显增大，反映了触头存在故障。这是因为当GIS触头连接出现故障时，接触处的接触点数会大幅度下降，其呈现的回路电阻将增大；当连接处通过的电流较大而接近额定电流时，由于局部温度升高会导致接触点变软，失去导电性能，甚至导致接触处的接触斑点熔融，GIS触头的回路电阻变化明显。

表6 本文系统与常规直流测试仪测量结果对比Table 6 Comparison of measuring results between proposed system and traditional DC loop resistance tester

表7 GIS故障状态下，本文系统与常规直流测试仪测量结果对比Table 7 Comparison of measuring results between proposed system and traditional DC loop resistance tester when GIS is in faulty condition

6 结论

a.本文研制了以超级电容器为核心的回路电阻测量系统的充电模块和基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统。

b.试验结果表明，该测量系统能够产生千安级的冲击电流，测量稳定性高，测量结果准确，相对误差在1%以内。

c.现场试验结果表明，该测量系统比常规直流测试仪有更高的测量精度与灵敏度，更容易发现导电连接件接触不良的问题，且抗干扰能力更强。