新型断路器回路电阻测试仪的研究

袁创业 魏东亮 刘 珂

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

0 引言

目前在实际的工程中，国外IEC56 标准要求开关设备的回路电阻测试电流不小于100 A，同样国内的GB763-90、DL405-91 等电力标准也规定了，在对断路器进行回路电阻的测量时，利用直流压降法的回路电流应保持在100 A 以上。而在实际的回路电阻测试中，可以就测试电流的不同分为2 种。1）交流整流式电流源测试。经过变压器的初步隔离降压，可以实现交流电的整流化操作，从而接入被测设备并开展后续的记录工作，实时检测被测试设备的电压和电流，利用欧姆定律计算得到相应的回路电阻值。这种方法只在忽略触头的感性因素以及对测试精度要求不高的场合使用。2） 恒流源测试。采用先进的开关电源技术，电源模块将工频电流整流后再由电力电子变为低压直流电源，采用脉冲调制技术（PWM）实现闭环负反馈自动稳流，为测试回路电阻提供具有较强稳定性的测试大电流，并借助开关电源的功率管具有快通性和关断性等特点，达到减少测试时间的目的。然而，由于开关电源内部噪声的影响，因此需要在测试时通过控制噪声的强弱来稳定测试环境。此外，由于测试仪器自身也存在体积大、重量高的特点，需要解决其携带和成本投入的问题。因此，新型回路电阻测试仪的发展趋势是高精度、微型化和智能化[1]。

该文对一种以法拉电容的大电流放电特性为基础的回路电阻测试仪进行研究分析，探索其短时间内在连续产生100 A 以上电流时的回路电阻测试结果，并不断推动系统的优化应用。该系统采用了高速STM32F103C8T6 型号的控制器来达到采集测量数据的目的，提高了回路电阻的测试精准度和测试速度，并且具有体积小、便携性高、方便应用于现场测试的优点。

1 回路电阻测量原理

法拉电容又名超级电容，具有功率密度高、循环寿命长、免维护和绿色环保等优点。由于法拉电容具有电容量大、等效电阻低、内阻小、充电效率和放电效率高、线路简单、安全性高、维护成本低等特殊性，可以为回路电阻的现场检测设备分析提供基础元件[2-4]。例如，测试断路器的回路电阻系统中，法拉电容的电容值参数为100 F～600 F，而等效内阻为0.5 mΩ～3 mΩ，并能够快速产生大容量的电流。由于有较小的回路等效电感存在，因此，可以在一定时间内暂时忽略感性因素带来的影响。测试回路的等效电路图如图1 所示。Resr为电容的等效电阻，断路器等效电阻为Rc.b和电感Lc.b的串联。电阻R1为测试回路导线、连接端子等电阻之和。

图1 测试回路的等效电路图

图2 是测试回路的电流曲线。开关闭合后，回路电流I从零增大，当t=t0时达到峰值Im，之后延时一段时间，t1同步采样电流信号，在t2时刻开关断开，结束信号采样。

图2 测试回路电流和断路器端电压曲线图

设置不同的电容充电电压预设值，可得到不同的放电电流曲线。

因此，对法拉电容进行充电得到所需要的电压，触发信号导通后，法拉电容经主放电回路放电，测量回路将产生百安级的冲击电流。将测量得到的分流器压降信号转换为电流信号、断路器两端的压降作为电压信号，测量得到的冲击电流峰值时刻对应的被测断路器的电压与回路冲击放电电流的比值即为断路器导电回路电阻。

2 硬件系统的设计分析

回路电阻测试仪硬件系统结构图如图3 所示。基于法拉电容的冲击电流脉冲回路电阻测试仪以STM32F103C8T6 为控制器，其工作频率最高达72 MHz，采样电路2 个、高速AD 内置16 通道，最终达到双通道的信号采集与获取，提高了采集数据的实时性。

STM32F103C8T6 控制器控制继电器和可控硅分别实现法拉电容的充电和放电，当放电电流脉冲达到100 A 的复制效果时，可以实现在较窄范围（10 ms）内的脉冲，从而形成通电时间较短、较为稳定的开关触头控制以及回路电阻保持。

在电压、电流信号的调理部分以测量放大和运算放大的两级放大技术为基础，采用二阶模拟低通滤波来进一步排除高频信号的干扰，并在模数转换器中转换输入信号。当测试电路电流达到峰值时，采用峰值保持最大值的回路电流，同时发出请求信号，由单片机进行程序反映。在单片机的中断服务程序安排中，先测量该时刻灭弧室的电压。此时所测电压即为回路电阻上的电压，之后再对峰值保持状态下的峰值电流进行模数转换器的转换，得出接触电阻的数值，即开关回路电阻的大小。

2.1 电源转换电路

电源转换电路如图4 所示。

图4 中，流程概括为先整流交流电，再展开充电法拉电容C1，一旦C1经过RLC 二阶电路时，控制断路器实现电路的放电。其中，在控制上，由K1控制继电器部分，由可控硅SCR 控制放电的时间。R1为限流电阻，R2为分流器，R3为电感的等效电阻。二极管D1限制放电电流的方向，防止法拉电容反向充电。

2.2 电路信号调理

图3 测试仪硬件系统结构图

图4 电源转换电路

一般而言，信号调理通常涵盖了低通滤波以及信号放大2 个方面。其中，信号放大主要是考虑到对断路器的加压有限，因此采用两级放大器放大微弱信号。第一级采用测量放大器来初步提高输入通道内部的共模抑制比，第二级是运放放大器来放大第一级的信号输出，使输出信号达到A/D转换的电压范围。该文采用AD623 和OP07 两级放大器，再通过AD1674 模数转换为12 位的数字信号输入单片机中。在增强电路信号的抗干扰能力时，可以在进行A/D 转换前输入测量信号，并经过有源低通滤波器来进一步截止和设定频率的滤出干扰信号。

AD623 具有低功耗、较宽的动态范围、良好的线性和可靠性。测试电流峰值达100 A，断路器回路电阻正常时为几十μΩ。当取测试的值为200 μΩ 时，相对应的断路器电压范围应为0～20 mV。而在放大AD623 10 倍之后，则有200 mV 的输出。具体表示为增益电阻RG=11K，则放大倍数为G=10.09。

运放OP07 实现同相放大的功能，放大系数k=1+R23/R21，在考虑AD623 的放大倍数G=10.09 和滤波器增益A=1.60 后，将A/D 输入电压保持在0～10 V，此时的放大系数为k=3。而当输入信号值较小时，调解电位器是1 和8 的引脚间电位器。

信号放大后进行有源低通滤波，有源滤波由电阻、电容及运算放大器组成。

3 软件系统设计

基于法拉电容的冲击电流脉冲回路电阻测试仪的软件部分采用LabVIEW 图形化编程语言开发，系统功能模块主要包括充/放电控制、电压电流信号采集、数字滤波、回路电阻计算、数据显示、数据存储等。在主程序中包括充放电控制、数据处理、回路电阻计算、数据显示和存储。

4 测试仪调试

4.1 实验室调试

实验室调试是在高压实验室进行，主要对真空断路器的灭弧室回路电阻进行测量。但基于触头材料以及接触情况对于真空断路器真空灭弧室测量的有效电阻影响力分析，需要进行具体的调试。一般真空灭弧室的有效电阻为20 μΩ～150 μΩ。通过测量不同阻值的标准电阻，验证基于法拉电容的冲击电流脉冲回路电阻测试仪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提供参考依据。

测量系统对10 μΩ～300 μΩ 标准电阻的测量结果及相对误差见表1。

表1 不同标准电阻下的测量结果

由表1 数据可知，在充电电流100 A、标准电阻测量范围10 μΩ～300 μΩ，测量结果的相对误差均在1%以内，而短路器真空灭弧室的回路电阻范围也是在此区间。因此，测量系统能够满足工程实际需求。

4.2 现场调试

针对东莞某220 kV 变电站10 kV 501 高压断路器的A、B、C 三相进行测试，断路器铭牌见表2。

表2 断路器铭牌

对微电阻进行精密测量时必须要考虑测量引线电阻因素带来的影响，并可以借助四端子引线的方式来达到测量的效果。I+、I-为电流端子，V+、V-为电压端子，通过在断路器的连接杆内端连接电压测量线，和在连接杆外端连接电流线的方式，进一步对比回路电阻的测量结果与出厂值变化。测试数据见表3。

表3 回路电阻测量值

试验数据表明，与出厂值相比，断路器的回路电阻值出现变大的情形。利用回路电阻来测试断路器触头的寿命是重要的检测方法，表明了回路电阻与触头稳定性之间的反比关系，即回路电阻越大，触头的电寿命越低[5]。因此对10 kV 开关设备的触头进行分析时，是在检测出开关设备回路电阻的标准值，即对所允许最大值的研究基础上，判定开关设备触头的寿命是否合格，对超过标准值的元件进行检修。利用统计学的方法对回路电阻进行分析，在观察和对比大量实验数据、检测数据的基础上，确定最终的检修标准和控制值，从而对触头的使用寿命进行判断[6]。

5 结论

基于法拉电容的冲击电流脉冲回路电阻测试仪以法拉电容作为测试电源，可以在较短时间内达到连续产生100 A以上电流的效果，并有效减少了大电流触头对测量结果的不良影响。以DSP 为控制器和数据采集设备，利用调理电路对微弱信号进行采集和放大滤波处理，能够快速测量断路器的回路电阻，与传统的断路器回路电阻测试装置相比，其体积小、使用方便、测量精度高，大大缩短了断路器合闸回路电阻的现场试验时间。对法拉电容的冲击电流脉冲回路的电阻测试仪进行分析，进而保证了断路器的安全运行。