交流采样回路接触阻抗原理及仿真分析

2017-04-24孙蓓俊徐丽青陈新之

综合智慧能源 2017年3期

关键词：模件端子电阻

孙蓓俊，徐丽青，陈新之

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

交流采样回路接触阻抗原理及仿真分析

孙蓓俊，徐丽青，陈新之

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

分析了智能变电站中保护控制装置交流采样回路的阻抗特性，提出了交流采样回路接触阻抗模型。采用Matlab Simulink软件建立交流采样回路接触阻抗仿真模型，分析了接触阻抗变化对信号传输的影响，通过调整端子之间的阻抗参数进行仿真验证。提出防止连接器接触故障的一些合理化建议。

连接器；接触阻抗；交流采样；保护装置；智能变电站

0 引言

在智能变电站二次设备领域，大量的保护、测控、稳控、过程层装置的结构广泛采用背板式即插即用模件，连接器大量使用在单模件上，如交流模件、CPU模件、通信模件等，母板模件带有连接器插座，并作为所有模件的连接桥梁，因此连接器的好坏直接影响到各模件之间的信号传输质量[1]。

连接器作为信号质量的传输纽带，对装置的可靠运行起关键作用。文献[2]根据接触表面的特性，研究了高频特性及其在通信传输线路中的影响；文献[3]研究了镀金接触材料表面出现微孔对电接触性能的影响；文献[4]设计了一种高速传输信号连接器抑制相邻接触插件间的干扰；文献[5]研究了USB3.0端子之间设置电容效应来调整特性阻抗的方法；文献[6]提出了射频同轴插接器的高频接触阻抗模型，研究它对高速信号传输的影响；文献[7]提出一种基于应变能密度的分析和优化方法，通过对此方法进行优化设计，增强了结构性能。

虽然国内已有文献研究了连接器的设计改进[8-10]，但较少针对交流采样回路连接器接触阻抗方面进行研究。为降低连接器的故障率，提高连接器的可靠性，本文重点分析了交流采样回路连接器的阻抗特性，通过Matlab Simulink建立交流采样回路接触阻抗模型，分析其对信号传输的影响，并提出一些实用性建议。

1 交流采样回路

1.1 功能介绍

在变电站中，保护控制设备的交流采样回路，主要功能是采集一次设备PT、CT的二次模拟量，通过A/D转换，经数据前置处理后，给保护控制设备中的功能模块使用[11]。

1.2 连接器设计

交流采样回路通常由交流模件、母板模件、CPU模件3种模件组成。交流模件的连接器端子通常选用多针HARTING端子(如96针)，分为插座和插头。

1.3 对传输信号的影响

在试验中发现，当交流模件、CPU模件与母板模件存在接触不良时，常造成保护、测控等装置采集的模拟电压值幅值变小。

1.4 交流采样回路接触阻抗模型

交流模件主要包括互感器回路；CPU模件主要包括RC滤波回路、A/D采样回路[12]。母板模件作为连接交流模件与CPU模件的桥梁，常通过端子A，B与各模件之间连接构成电气回路，如图1所示。图1中，虚线为母板端子插头与单模件端子插座之间的接触阻抗，在理想状态下，其接触阻抗为0 Ω。

图1 交流采样回路框图

1.5 接触阻抗分压回路原理

交流采样分压回路等效电路图如图2所示。接触电阻R41，R42与RC滤波电路前端的匹配电阻R3构成一个分压回路，如图2中的虚线部分。

输出电压Uo与输入电压Vi1的计算公式为

(1)

式中：R3=47.0 kΩ。从式(1)得出，输出电压会随着接触阻抗的变化而变化。

1.6 接触阻抗仿真模型

采用Matlab Simulink软件，依照图2搭建交流采样回路接触阻抗仿真模型，如图3所示。其中，交流电压U模拟输出为1.760 0 V，母板模件的连接器端子之间的两个接触电阻分别为R41，R42；CPU模件的A/D采样回路前端为二阶RC滤波回路，其中，R1=8.6 kΩ，R2=2.0 kΩ，C1=5.6 nF，C2=3.3 nF。

图2 交流采样分压回路等效电路

图3 仿真电路

输入电压Ui和输出电压为Uo的相对误差ε为

(2)

本文根据ε的大小来评价接触阻抗变化对信号传输的影响。

2 接触阻抗变化分析

2.1 接触阻抗为零的仿真分析

在理想状态下，连接器的接触电阻为0 Ω。仿真中取R41=0.001 Ω，R42=0.001 Ω，仿真结果见表1。因为ε=±0.057%，数值非常小，对输出的影响可以忽略不计。

表1 仿真结果

2.2 接触阻抗开路的仿真分析

在连接器端子开路状态下，电路的接触阻抗为∞ Ω。在仿真中接触电阻设为100 MΩ，对R41，R42分别取极值进行仿真，即：状态1，R41=0 Ω，R42=∞ Ω；状态2，R41=∞ Ω，R42=0 Ω；状态3，R41=∞ Ω，R42=∞ Ω。状态1～3的仿真结果见表2。从表2中得出，当交流采样回路连接器在任一连接器端子开路时，输出电压接近0 V，ε在 99.900%左右，误差非常大，对输出电压值有很大影响。

表2 状态1～3的仿真结果

在连接器端子开路状态下，状态1、状态2、状态3的仿真图形基本一致，如图4所示。

图4 状态1～3的仿真波形

2.3 接触阻抗与匹配阻抗等值的仿真分析

在接触阻抗与匹配电阻等值时，在仿真中接触电阻、匹配电阻都取值47.0 kΩ。对以下3种状态进行仿真：状态4，R41=0 Ω，R42=47.0 kΩ；状态5，R41=47.0 kΩ，R42=0 Ω；状态6，R41=47.0 kΩ，R42=47.0 kΩ。状态4～6的仿真结果见表3。从表3中得出，状态4、状态5的ε在 50.200%左右，状态6的ε在 66.900%左右，误差大，对输出影响较大。

表3 状态4～6的仿真结果

在连接器端子任一端子与匹配电阻等值时，如状态4、状态5，其仿真图形基本一致，如图5所示。

在连接器两个端子都与匹配电阻等值时，状态6的仿真图形如图6所示。

从图5、图6中可以看出，状态6波形变形更为严重，即当连接器端子的两端都出现接触阻抗变化时，对信号的传输质量影响更大。

图5 状态4和状态5的仿真波形

图6 状态6的仿真波形

3 合理化建议

为了提高连接器传输信号的质量，需要确保连接器接触阻抗的一致性。在结构上，交流模件对应母板模件上的连接器插座，应安装紧固螺钉螺母，无滑丝，连接器安装要规范；在工艺上，连接器插座内无堆锡，连接器插头、插座无污渍；在生产上，连接器的焊盘无虚焊。通过多方面的一致性检查，降低连接器的失效率，提高信号传输的质量，保证出厂装置的合格率。