（控制理论与控制工程专业论文）断路器导电回路电阻智能测试的研究.pdf

断路器导电吲路电阻智能测试的研究 0 前言 高压开关电器设备主要是用于关合及开断正常的或故障的电路，也可以用来隔离高 压电源，它是保证系统安全运行的重要设备。断路器是高压开关电器中最为重要的一种 电器设备，是发电厂和变电站中必不可少的故障保护装置。正常运行时可用它来控制电 路的运行方式，如：利用它可以很方便地把设备或线路接入电路投入运行或者退出运行； 另外当设备或线路发生故障时它又可以快速切除故障电路，保证无故障部分正常运行， 从而对电路起着保护作用。由于断路器在电力系统中肩负着控制和保护双重任务，因此 其性能的可靠性程度将对电力系统的安全运行起着至关重要的作用，所以对断路器设备 进行状态检测和故障诊断是十分必要的。目前在工程实际中采取的状态检测、故障分析 和性能评估可以保证断路器发挥最大的设计能力。而制定合理的检测维修制度，不仅可 以在允许的条件下充分挖掘断路器的潜力，延长其使用寿命，降低其全寿命周期费用， 还可以提高其运行的可靠性、安全性和有效性，把故障损失降低到最低水平。 断路器导电回路电阻是标志断路器质量的主要参数之一，其值的大小直接影响到断 路器通载额定工作电流时的温升以及短路状态下的动热稳定性。断路器导电回路电阻的 大小主要取决于断路器动、静触头间的接触电阻，而接触电阻的大小与断路器触头表面 氧化程度、触头残存机械杂物或碳化物的多少、触头接触压力的大小等因素有关。长期 工作的断路器，其触头表面受到化学的或龟化学的腐蚀，接触电阻会逐渐变大，当通以 较大工作电流时，触头部位的发热量增加，造成温升过高，严重时波及触头弹簧永久变 形，造成触头压力减小、接触电阻进一步变大的恶性循环，以致烧 x 断路器导电回路电阻智能测试的研究 快，危害性非常严重。如1 9 9 3 年9 月1 7 日， 接触不良，造成接触电阻过大，使局部过热， 举不胜举。 四川仪表厂因空气断路器动、静触头之间 引燃断路器外壳造成火灾。此类电气事故 断路器的接触电阻一般是微欧级小电阻，如何能够精确地测量是值得研究的内容。 现今普遍使用的智能型微欧级数字化的接触电阻测试仪( 简称微欧仪) 就是根据电力、 电器生产和使用部门的要求而研制开发的。 以新型的断路器导电回路电阻( 接触电阻) 测试仪的设计为本课题研究对象，属于 电力设备状态监测及故障诊断技术研究领域，课题来源于断路器设备智能检测领域的工 程实际项目。 1 2 断路器导电回路电阻测量技术的发展 断路器导电回路电阻是由断路器动、静触头间的接触电阻和线路中其它连接线的电 阻组成的，其中接触电阻阻值远远大于连接线的电阻值，因此导电回路电阻近似等于接 触电阻。接触电阻一般是由收缩电阻和表面电阻两部分组成吼接触电阻的存在，增加 了导体在通电时的损耗，使接触处的温度升高，其值的大小直接影响正常工作时的载流 能力，甚至在一定程度上影响短路电流的切断能力。因此，断路器每相导电回路电阻值 是断路器安装、检修、质量验收的一项重要数据。 对接触电阻的测量国内外有许多种方法。如日本学者i s a om i n o w a 提出用超导量子 器件测量接触电阻，h a i c l l i 提出利用电解槽法测量接触电阻，波兰学者j e r z vk a c 珊a r e k 提出用三次谐波法测量接触电刚”l 。这些方法一般是在实验室条件下进行电接触理论研 究所采用的方法。国内河北工业大学的李奎等人提出了脉冲电流( 矩形脉冲，宽度为 3 0 0 us ，幅值可达l o o a ) 测量接触电阻的方法，采用了较大矩形脉冲电流测量接触电 阻，提高了测量精度【l2 】。河北工业大学电器研究所的刘帼巾等人也提出采用方波脉冲大 电流测量接触电阻的方法，并且指出该方法只是针对被测体为无感性和无容性的纯电阻 性元件”。然而现在电力系统中常用到的真空断路器的触头一般呈现弱感性，所以上面 介绍的这些测量方法都有一定的局限性。 在实际的工程应用中，比较传统的方法是采用直流双臂电桥来测量断路器的接触电 阻【。当使用双臂电桥进行断路器导电回路电阻的测量时，由于双臂电桥测量回路通过 的是只有几个安培的微弱电流，难以消除触头上较大的氧化膜，因此测出的电阻示值偏 太( 但氧化膜在大屯流下很容易被烧坏，不妨碍正常电流通过) 。而且当触头因调整不 当( 如触头所承受的压力变化) 、运行中发生变化或触头烧损严重使有效接触面积减小 时，双臂电桥的微弱电流在其接触处不会产生收缩，即无法测出收缩电阻；而在大电流 或正常电流通过时，却会使该接触处的电阻增加，从而引起触头的过度发热和加速氧化 ”“。另外一般的双臂电桥还要手动调节电桥的平衡，在精密电阻箱上得到读数，所以此 种方法既慢又不准确。 目前在工程实际中，对接触电阻测量经常采用的方法是直流电压降法( 电流一电压 表法) 和微欧仪法。微欧仪的工作原理仍是直流电压降法。由于直流电压降法更能反映 断路器的实际情况，所以g b 7 6 3 9 0 等规范中已明确规定：对接触电阻的测试采用直流 电压降法，通入的电流不得小于1 0 0 a 【1 7 】。 近些年来，断路器参数智能化检测仪器的发展比较快，国内外已有多家公司、单位 断路器导电网路电阻智能测试的研究 开发出各类产品。而对接触电阻的测量大都采用微欧仪，其具有的恒流源电流等级一般 为1 0 0 a 或者2 0 0 a 。由于这些微欧仪大多采用高频开关电源和大电流变压器来实现大 电流的恒流效果，所以测试仪的体积和重量都很大，一般都在几千克到十几千克左右， 现场使用不方便，并且其成本也相对较高。使用这些仪器进行测试时，由于电流通过接 触电阻的时闯较长，对被测电阻有温升的影响，所以降低了测量的精度。 通过对接触电阻测试理论和测试方法的分析和研究，总结出接触电阻测试仪今后的 发展趋势是： ( 1 ) 微型化：体积、重量都要小，便于携带； ( 2 1 精确化、稳定化：由于开关导电回路的接触电阻很小，所以测量的精度和稳定 度显得尤为重要； ( 3 ) 智能化：便于操作，多量程测量范围，可与计算机接口； ( 4 ) 低成本化：低成本才能提高市场竞争能力。 1 3 新型回路电阻测试仪 本研究工作旨在开发一种新型回路电阻测试仪，包括设计新的电源，智能化的数据 采集和处理系统。在精确度和稳定度都满足要求的前提下，其体积和重量都要小，便于 携带和现场测试。 1 3 1 脉冲电源的选择 断路器接触电阻阻值很小，一般为几十到几百微欧。若用传统的直流双臂电桥对其 进行测量，由于此时通过的电流一般是几个安培，所以在断路器上产生的电压降就很小， 这样对测量压降仪器的灵敏度要求就会很高，面且，几个安培的电流不能消除触头上的 氧化膜，所以不仅使测量难度增大，也很难做到精确。如果使用大恒流源的微欧仪进行 测量，虽然能够降低测量压降仪器的灵敏度要求，还可容易的烧坏触头上的氧化膜，但 是因为测量时，通电时间较长，被测电阻的温度随之升高，出现电阻的负载效应，这样 也会产生较大的影响，从而使测量结果有一定的偏差。另外，这些仪器体积和重量很大， 非常不便于携带和现场测试试用。若仍使用大电流，但能将其通过电阻的时间控制的很 短，那么，根据温升与通电时间成正比例的关系，则可大大减少电阻温度的升高，从而 减少阻值的改变，综合猷上的影响因素，想到使用脉宽较窄的大脉冲电流作为电源来测 量接触电阻的方法。 本文提出一种新型的电源一脉冲电源测量方法，即采用对电容充电，然后该充电电 容对一串联的二阶电路进行放电作为脉冲电源主电路。放电回路中电流的峰值根据国标 g b 7 6 3 9 0 标准中的规定，不小于1 0 0 a 。用此脉冲电源取代目前多数微欧仪中的大恒流 电源，在测量精度和稳定度满足要求的前提下，通过智能化的数据采集、处理和显示， 设计出一种体积和重量都比较小、便于现场测试使用的回路电阻测试仪。 1 3 2 研究中考虑的主要问题及解决方法 设计中所要考虑的主要问题及解决方法有： ( 1 ) 脉冲电源充、放电回路中各种元器件参数的选择。 首先通过仿真软件m a t l a b 对放电回路进行软件仿真，在理论上确定放电回路中 4 断路器导电网路电阻智能测试的研究 开发出各类产品。而对接触电阻的测量大都采用微欧仪，其具有的恒流源电流等级一般 为1 0 0 a 或者2 0 0 a 。由于这些微欧仪大多采用高频开关电源和大电流变压器来实现大 电流的恒流效果，所以测试仪的体积和重量都很大，一般都在几千克到十几千克左右， 现场使用不方便，并且其成本也相对较高。使用这些仪器进行测试时，由于电流通过接 触电阻的时闯较长，对被测电阻有温升的影响，所以降低了测量的精度。 通过对接触电阻测试理论和测试方法的分析和研究，总结出接触电阻测试仪今后的 发展趋势是： ( 1 ) 微型化：体积、重量都要小，便于携带； ( 2 1 精确化、稳定化：由于开关导电回路的接触电阻很小，所以测量的精度和稳定 度显得尤为重要； ( 3 ) 智能化：便于操作，多量程测量范围，可与计算机接口； ( 4 ) 低成本化：低成本才能提高市场竞争能力。 1 3 新型回路电阻测试仪 本研究工作旨在开发一种新型回路电阻测试仪，包括设计新的电源，智能化的数据 采集和处理系统。在精确度和稳定度都满足要求的前提下，其体积和重量都要小，便于 携带和现场测试。 1 3 1 脉冲电源的选择 断路器接触电阻阻值很小，一般为几十到几百微欧。若用传统的直流双臂电桥对其 进行测量，由于此时通过的电流一般是几个安培，所以在断路器上产生的电压降就很小， 这样对测量压降仪器的灵敏度要求就会很高，面且，几个安培的电流不能消除触头上的 氧化膜，所以不仅使测量难度增大，也很难做到精确。如果使用大恒流源的微欧仪进行 测量，虽然能够降低测量压降仪器的灵敏度要求，还可容易的烧坏触头上的氧化膜，但 是因为测量时，通电时间较长，被测电阻的温度随之升高，出现电阻的负载效应，这样 也会产生较大的影响，从而使测量结果有一定的偏差。另外，这些仪器体积和重量很大， 非常不便于携带和现场测试试用。若仍使用大电流，但能将其通过电阻的时间控制的很 短，那么，根据温升与通电时间成正比例的关系，则可大大减少电阻温度的升高，从而 减少阻值的改变，综合猷上的影响因素，想到使用脉宽较窄的大脉冲电流作为电源来测 量接触电阻的方法。 本文提出一种新型的电源一脉冲电源测量方法，即采用对电容充电，然后该充电电 容对一串联的二阶电路进行放电作为脉冲电源主电路。放电回路中电流的峰值根据国标 g b 7 6 3 9 0 标准中的规定，不小于l o o a 。用此脉冲电源取代目前多数微欧仪中的大恒流 电源，在测量精度和稳定度满足要求的前提下，通过智能化的数据采集、处理和显示， 设计出一种体积和重量都比较小、便于现场测试使用的回路电阻测试仪。 1 3 2 研究中考虑的主要问题及解决方法 设计中所要考虑的主要问题及解决方法有： ( 1 ) 脉冲电源充、放电回路中各种元器件参数的选择。 首先通过仿真软件m a t l a b 对放电回路进行软件仿真，在理论上确定放电回路中 4 断路器导电回路电阻智能测试的研究 的电容、电感和电阻三个主要参数之间的相互影响关系，据此关系初步选择相应的元器 件；搭接好电路之后，通过实验进一步确定各个参数的确定值。其过程主要是用数字示 波器检测放电回路中的电流波形，再根据波形要求( 如放电电流上升时间、峰值电流大 小等) ，调节各个参数的数值，从而达到预期的放电效果。 因为放电回路中电流的峰值在1 0 0 a 以上，所以放电回路中的电阻的功率是要仔细 t 2 一 考虑的，可以根据公式尸= 二一矗i z ”来近似计算一下( 矿是脉冲峰值电压，是脉冲重 矗 复频率，f 是脉冲宽度时间) 。由于电感是通过在铁氧体上缠绕漆包线得到的，所以要 考虑漆包线的粗细程度和铁氧体的磁饱和情况。另外，放电回路中连接导线的粗细程度 也是要考虑的。 充电回路中的限流电阻的阻值和功率要适当选择，电阻值过大，充电时间慢，电阻 值过小，充电瞬间的电流就会非常大，要考虑p c b 板是否能够承受；电阻的功率过大， 其体积就要随之变大，若功率过小，电阻就会很快发热。 ( 2 ) 电信号的精确采集、测量以及处理。 由于需要测试的信号均是很小的电压信号( 毫伏级) ，很容易受到外界各 种因素的干扰，而且各种元器件之间还存在电磁干扰和电磁兼容问题( 尤其是在p c b 板的设计中) ，所以微小电信号的精确采集、测量以及处理是本设计所要解决的主要问 题之一。电信号的采集方法主要是采用工程实际中经常使用的四端子接线技术! 采用此 种接线方法可以减小引线电阻的影响，使用精密的仪用放大器来放大微小的电信号。同 时还将使用光电耦合器件? 继电器和滤波电路等来减小各秘干扰，最后要将本次设计的 测试仪测量的结果与具有恒流源的微欧仪的测量结结果进行比较和分析。为保证该测试仪 器结果的精确度，还将使用标准化仪表( 标准电阻、示波器) 进行校验、校正工作。 ( 3 ) 提高测试仪器的测试性能，并尽量减小其体积和重量。 在测试电路部分的设计中，将尽量使用软件，能用软件编程实现的功能就 尽量用软件来实现，减少硬件电路的使用。因为硬件电路长期使用会使其性能下降，从 而会导致整个仪器的测试性能下降，而软件则不会出现性能下降情况，并且软件易于调 试和修改a 另外，若硬件电路中使用的元器件数量较少，则便于印刷电路板的绘制，并 且减轻了硬件调试的工作量。使用较少硬件电路的另一个好处就是可以使测试仪的体积 和重量进一步的减小。当然由于软件使用较多，所以对软件编程的要求会相应提高。在 软件中要采取一定的措施来减少干扰和防止程序跑飞等等，从而可以提高测试结果的准 确度。 1 3 3 本文所要完成的工作 本论文中主要完成以下工作： 对断路器导电回路电阻进行分析，并简要介绍国内外对其的测试方法 在理论上对脉冲电源进行研究，设计电路原理图，制作实际电路； 对测试部分的硬件电路进行原理图设计，绘制印刷电路板： 完成新型回路电阻测试仪的软件设计： 对新型回路电阻测试仪进行整机调试； 对新型回路电阻测试仪的测试结果进行误差分析和校正； 5 断路器导电回路电阻智能测试的研究 与同类产品的测试结果进行比较和分析： 对工作进行总结，提出测试仪器改进方向。 断路器导电回路电阻智能测试的研究 2 断路器导电回路电阻的测试原理 2 1 引言 断路器在关合电流和空载操作时触头之间有可能会发生或轻或重的熔焊或者冷焊， 拉裂焊点时，触头的表面将会生成微小的毛刺，导致耐压强度的降低。在一定条件下， 在较低电压下就有可能导致触头之间的击穿，成为产生故障的隐患1 2 “。尽管决定断路器 是否需要检修的原因涉及机械、电气、绝缘等多方面的因素，但是灭孤室内触头的烧蚀、 磨损及介质的劣化显然是解体检修的主要目标，尤其是灭弧室中的状态因其不可见而难 以判断，因而如何评估触头的烧损已成为人们十分关注的问题。 实行状态检修可以有效的提高设备的可用率和使用寿命，减少人力、财力的浪费， 增大设备的维修保养周期，因而具有重要经济意义。 新型回路电阻测试仪的测试对象主要是指高压开关中的断路器，对于接触电阻呈现 阻性或者感性的其他种类的电器也可以使用本测试仪进行测量。在样机调试过程中是以 真空断路器为主要实验对象的。 2 2 接触电阻计算公式 一段导体内通以电流，时，用电压表测出其两端的电压降为矿，根据欧姆定律可得 这一段导体的电阻为 r ， r = 二f 2 1 1 如果将该导体切成两半再让其接触，则形成电接触。仍在此导体内通以电流时，再测 量其两端的电压降u 。，就会发现u 比u 大得多，用虬与之比求得到的电阻r 。也将比 且大得多，把电阻r ，就称为接触电阻。如图2 1 所示。 峪峪 ( a )( b ) 图2 1 接触电阻 f i g ，2 ，lc o n t a 髓r e s i s t a 玎c e ( a ) 导体电阻：( b ) 接触电阻 ( a ) e l e c 订i cr e s i s t a n c e ( b ) c o n t a c tr e s i s t c e 整个断路器导电回路的电阻是动、静触头问的接触电阻和线路中其它连接线的电阻 之和，其中接触电阻阻值远远大于连接线的电阻值，所以导电回路电阻阻值近似约等于 接触电阻阻值，即回路电阻主要是取决于触头的接触电阻。接触电阻是由收缩电阻和表 7 断路器导电i 匐路电阻智s 测试的研究 面电阻组成的。由于导体表面的加工不可能“绝对”光滑和平坦，因此两个导体接触时， 不可能在整个接触表面上接触，而只能在其中的一些点上接触，这就使得导体中的电流 在接触处发生剧烈收缩，使实际接触面积大大缩小，因而接触处的电阻就会增加，由这 个原因引起的接触电阻称为收缩电阻；当导体加工后，各导体的接触表面由于尘埃的覆 盖、气体分子或者水分子的吸附、金属表面的氧化或者硫化等原因会存在一层薄膜，这 层薄膜的导电性能很差，又不容易在接触过程中完全去掉，因此将使接触过渡区域的电 阻增大，由这种原因引起的接触电阻称为表面电阻，又称膜电阻【2 z j 。 接触电阻的存在，增加了导体在通电时的损耗，使接触处的温度升高。为了保证电 器的可靠工作，无论是导体本身还是接触处的温升都不允许超过规定值，这就要求必须 控制接触电阻的数值，使它不超过允许值1 2 ”。 影响接触电阻的因素很多，如材料性质、接触形式、接触压力和接触表面加工情况 等等p j ，所以要想准确地计算接触电阻是非常困难的，通常只能用经验公式估算，如下 式所示： 弘志 ( 2 2 ) 式中： 尸一接触压力叫】： m 与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取o 5 ，o 7 ，1 ； 足。一与接触材料、表面情况、接触方式等有关的系数，通常由实验得出。 经验公式中只用了足，、历两个系数来概括各种因素的影响，当然是很不充分的。 正因为如此，不同研究者得出的丘值往往差别很大。 由经验公式可以看出，接触电阻的改变反映的是触头接触形式和表面状态的改变， 最终可以归结为触头磨损的结果。触头有机械磨损和电磨损。断路器在空载操作时，动、 静触头间发生碰撞和摩擦，会造成触头的变形以及触头材料的损耗，这一现象称为机械 磨损。一般说来，断路器触头的机械磨损并不严重。但是电磨损对触头的影响就非常 严重。断路器开断电路时，触头间要产生电弧，电弧的高温作用会使触头表面烧损、变 形、金屑材料流失，造成触头的电磨损，这一现象在断路器开断短路电流时尤为严重1 3 】。 因此，提高触头抗磨损能力是关系到断路器工作可靠性的一个重要问题。 断路器的触头接触面经过多次的开断、关合电流后逐渐被电磨损，导致接触电阻增 大，这对断路器的开断和导电性能都会产生非常不利的影响。而通过对接触电阻阻值的 测量可以估计出触头的磨损程度和回路的接触状况，所以对接触电阻进行测量的重要性 越来越为人们所认识。 2 3 真空断路器触头 断路器的种类繁多。由于设计的智能仪器在调试过程中以真空断路器为实验对象， 故在此对真空断路器做一简单介绍。 断龆器导电回路电阻智能测试的研究 耻( 净圳，。帆2 ( 净屿式中礅口，砌悃路电阻阻值与电流无关所以在电 路中通过的电流即使稍有偏差，也不会对测量结果产生影响。每次测试，合上微欧仪电 源，按下测试按钮，便可将被测回路电阻( 接触电阻) 自动测出，并显示结果。在测试 过程中不需调节电流。 i 亍 睦刊 l微欧仪f 图2 _ 3 微欧仪测量 f i g 2 3c u r r e l l ta n dv o i t a g em e a s u r e m e m 微欧仪中对被测断路器采用四端子接线技术，将电压引线( 细线) 接内侧，电流引 线( 粗线) 接外侧。四端子接线的连线方式如图2 4 所示。采用此种方法可以有效的减 少引线电阻带来的影响。 ( 内侧) 电压线电压线( 内侧) 图2 4 四端子接线 f i g 2 4f b u 卜t e m l i n a lc o n n e c t i o n 微欧仪与传统的直流双臂电桥和普通电阻测试仪相比较，主要区别是测试电流大小 不同，微欧仪的测试电流大，至少是1 0 0 a ，而直流双臂电桥和普通电阻测试仪器的测 试电流一般仅为几个安培，因此电桥法和微欧仪法( 直流电压降法) 的测量是有差别的， 而微欧仪法更能反映断路器的实际工作状况。目前用来测量接触电阻的设备中，微欧仪 是较为常用的设备，但是由于它的测试电流大，测试时间长，所以对被测电阻来说有温 升的影响，增加了电阻的负载效应，从而降低了测量的精度。另外这些测试仪大都采用 开关电源技术来产生大的恒流，所以仪器的体积和重量都比较大，一般在十几千克左右， 现场测试很不方便，而且成本也比较高。 2 5 新型回路电阻测试仪的测量原理 根据上面的分析，本设计将提出一种新的测试方法，即采用脉冲放电作为电源，使 用单片机系统控制信号的采集和处理的方法来实现对断路器接触电阻的智能测试。 当被测触头结构为纵向磁场触头时，由于触头上增加了轮状线圈，故呈现电感特性， 所以在测量具有该种触头结构的断路器接触电阻时，在设计中考虑了触头线圈电感的影 l o 断路器导电回路电阻智能测试的研究 响。采用测量放电电流峰值时刻断路器两端的电压就可以消除触头电感的影响。纵向触 头接触电阻可等效为电阻r 和电感，串联的阻抗z ( 断路器接触电阻阻抗z = r 十j “， 其中r 为实部，耐为虚部) ，而电阻，则是需要测量的参数值。因为在脉冲电流的峰值 时刻d 形+ = o ，所以触头上等效电感的压降，( d 纥) = o 。由于触头电感上的压降为零， “， 因此该时刻测得断路器灭弧室两端的电压就是断路器接触电阻r 上的电压。 采用由二阶振荡电路构成的脉冲电源对被测断路器进行放电，放电电流脉冲峰值在 1 0 0 a 以上。由单片机系统分别控制继电器和可控硅实现对电容的充、放电过程。通过 与电容并联的分压电阻来保证电容上充电的电压值。 在电流、电压信号采集部分，均使用四端子接线技术，具体的电路连接如图2 5 所 示。使用两对测试夹对断路器灭弧室两端电压进行测量，电流引线接在导电杆外测( 2 和2 点处) ，电压引线接在导电杆内侧( 1 和1 点处) 。测量放电回路电流时，采用具有 四个端子的标准电阻一分流器。分流器两个大的端子是电流端子，与被测断路器串联， 两个小的端子是电压端子，通过对这两个端予之间电压信号的采集来确定放电回路的电 流。采用四端子接线技术可以有效地消除引线电阻和测试夹接触电阻的影响，提高测量 精度。 图2 5 断路器和分流器的连接 f 睡2 5b r e a k e r 狮ds h u n t sc o 衄e c t i o n 电压、电流信号均采用仪用放大器进行放大，同时使用低通滤波电路和滤波电容来 去除高频信号的干扰。从放大器出来的信号经过模拟线性光电耦合器进行光电隔离，处 理后的信号输入到模数转换器进行转换。模数转换后的数据送入单片机中进行数学处 理，计算出断路器韵接触电阻，最后用l e d 数码管显示被测电阻值( 单位是微欧) 和 放电回路中的电流峰值( 单位是安培) 。这部分电路原理图如图2 6 所示。 电 光模 电数 雠 隔 4 转 离换 图2 6 电信号的处理 f j 9 2 6e l e c 订i c a 】s i g n a lp r o c e s s j n g 通过软件编程来判断二阶振荡电路中放电电流是否达到峰值，在峰值时刻测得的灭 弧室两端电压即为接触电阻上的电压。在软件编程中，将采用数字滤波和指令冗余等方 断路器导电回路电阻智能测试的研究 法来减少丁扰的影响。 为防止程序跑飞，在硬件电路中还将采用硬件看门狗技术。 2 6 新型回路电阻测试仪预期的性能指标 新型回路电阻测试仪预期的性能指标为： 测试对象：接触电阻呈现感性或者阻性的断路器、接触器等开关器件； 测量范围：l 2 0 0 0 uq ； 测试电流( 峰值) ：1 0 0 a 以上； 分辨率：l “o ： 准确度：0 5 。 以上性能指标是对设计的新型回路电阻测试仪性能的最基本要求，在达到上述性能 指标的前提之下，再考虑对该种新型测试仪器的性能进行提高和完善。 断路器导电回路电阻智能测试的研究 r 图3 2r 、l 、c 放电电路 f i g 3 2r 、l 、cd i s c h a r g ec i r c u i t 设电容两端初始电压为乩。在t = 0 时，开关s 闭合，此时电路的放电过程即是二阶 电路的零输入响应。在设定的电压、电流参考方向下，列出k v l 方程 一”r + “+ “月= 0 ( 3 ，1 ) 电流汪c 警，电压u r = r i = - r c 警，驴三疵= - l c 争 把它们代入3 1 式，得 三c ! 二擎+ 月c 皇坠+ “，：0f 3 2 ) d t d l 、 式3 2 就是以 ，为未知量的r l c 串联电路放电过程的微分方程，这是一个常系数、 二阶、线性、齐次的微分方程。求解这个方程时，根据电路中的r 、和c 参数的不同 取值，可分为三种情况： 非振荡放电过程； 振荡放电过程 临界情况。 由于振荡放电电路比较容易实现，电路中元器件参数选择相对简单、成本低，所以 本次设计中就选择振荡放电过程作为脉冲电源的放电形式。 令：艿= 会= 去一( 匀2 嘲= 伊虿，卢= 蝴詈，则有万= o ) o c o s 6 ， = c o os i n f l 。、占、和尸相互关系可由图3 3 表示。 j 图3 3 c o 、占、国。和关系 f i g 3 3r e l a t i o nb e t w e e nf _ o 、j 、c o oa n d 解方程3 2 ，可得电容上电压和回路电流分别为 1 4 居店居 2 2 2 = r r 足 l 2 3 断路器导电回路电阻智能捌4 试的研究 ：坠堕p 4s i n 洄+ ) ( 3 3 ) 叫 扛e 4s i n ( 耐)( 3 4 ) 电感上的电压为 “。：工善：堕e as i n ) ( 3 5 ) 西出 、 将式3 4 对r 求导数得要：一一4s i n ( 删) + 纰一。c o s ( 耐) ，令要：o 可得出其极值点 n ld t ( 峰值点) ，即当埘= 卢时，电流f 达到峰值。由图3 3 可知 卢， 即”，等于o 之前，电流f 己达到峰值。 从上述表达式3 3 、3 4 和3 5 可知：卧、叱和f 的波形呈衰减振荡的状态，并且周 期性地改变方向，其波形如图3 4 所示。 u c ，i ，u l 滕 献。功 o 叁盐q “ 图3 4 振荡放电过程中l i c 、u l 和i 的波形 f i g 3 4 w a v e sd u r 加gt h eo s c j j l a t i n gd j s c h a 唱e 3 2 2 脉冲电源的硬件电路 与采用开关电源和高频变压器的大电流恒流源相比，使用脉冲电源可以减少温升对 被测电阻的影响，易于提高测试电流的等级，而且还可以有效地减小整个电源的体积和 重量。 利用二阶电路的零输入响应，产生脉冲电流，其硬件电路工作原理如图3 5 所示。 从外界进来盯2 2 0 v 交流电先经过隔离变压器，然后用二极管d 0 进行半波整流，通过 单片机控制继电器j z c - 2 3 f 对电解电容c o 进行充电。二极管d 2 用来限制c o 放电电流 的方向，防止电解电容器被反向充电。电阻r 2 是充电限流电阻。充电过程中，继电器 闭合，可控硅断开，通过对电阻r 1 两端电压u r l 的采集来确定c o 上的充电电压；当电 容两端电压充到所需电压值时，断开继电器，闭合可控硅，则电容c d 便开始对后面的 电路进行放电。放电开始的同时进行分流器和被测断路器灭弧室两端电压信号的采集。 断路器导i 乜回路电阻智能测试的研究 图3 5 脉冲电源 f i g 3 5p u l s op o w e rs u p p i y 继电器和可控硅的断开和闭合都是由单片机控制的。图3 6 即为具体的控制电路。 继电器和可控硅初始状态均处于断开状态( 单片机的p 2 6 和p 2 7 都是高电平信号) ，当 单片机的p 2 6 管脚送来低电平信号( 此时单片机的p 2 7 脚仍为高电平信号) 时，继电 器闭合，电路开始给电容充电，二极管d 1 起续流作用。当电容充到需要的电压值后， 单片机p 2 6 脚变为高电平，停止了对电容的充电。可控硅用来控制电容放电，其工作 状态是通过光电耦合器4 n 2 5 和一个n p n 三极管9 0 1 3 组合进行控制的。当电容停止充 电后，单片机p 2 7 脚变为低电平信号( 单片机的p 2 6 脚仍是高电平) ，光耦4 n 2 5 开始 工作，从其4 脚提供出来的电流经过n p n 三极管放大后，送到可控硅的门极，从而触 发可控硅导通，电容即对后面的电路开始放电。 图3 6 继电器、可控硅的控制电路 f i g | 3 6c o n 订o lc i r c u - to f r e l a y a n ds c r 实验时各元件取值为：电解电容器c o = 1 5 0 0 f 、电感l o m l 6 、分流器规格为 1 0 0 爿4 5 珑矿，电阻r 3 o 5 q 。图3 4 中电路参数l o 、r 3 和c o 的选择是以m a t l a b 仿真结果为指导。在振荡放电电路和放电电流峰值一定的前提下，r 3 、l o 和c o 之间的 关系是按以下的原则来考虑的： ( 1 ) r 3 和c o 不变时，l o 变化：l o 变大( 小) 时，放电电流上升时间变长( 短) ，电 1 6 气j 断路器导电回路电阻智能测试的研究 容上的初始电压值要加大( 减小) ： ( 2 ) r 3 和l o 不变列，c o 变化：c o 变大( 小) 日寸，放电电流上升时间变长( 短) ，电 容上的初始电压值要减小( 变大) ； ( 3 ) l o 和c o 不变时，r 3 变化：r 3 变大( 小) 时，放电电流上升时间变短( 长) ，电 容上的初始电压值要加大( 减小) 。 分析、比较上述各参数之间的相互影响关系，通过具体的实验最终确定r 3 、k 和 c o 值，其中电感l o 的制作是电路的难点所在。 电感l o 是通过在铁氧体上绕制漆包线获得的，这样制作出来的电感与无芯电感相 比较，可以使电感的体积很小，而电感值却可以达到很大。但是由于铁氧体有磁饱和现 象，所以如何选择合适型号的铁氧体是很重要的。本测试仪所选用的铁氧体是e i 型号 ( 其长约是6 c m ，宽和高大约都在4 5 c m 左右) 。在制作电感时，将e 型和i 型之间留 有一定的缝隙，这样就可以避免磁饱和现象，但是这样也会使在铁氧体上缠制而成的电 感值减少( 当然其电感值还是要比无芯电感值大) ，所以要增加缠绕的线圈匝数，使其 电感值达到需要数值。设计中的电感共在铁氧体上缠绕了1 8 0 匝左右的线圈。 实验中，当给电容c o 充电充到2 3 0 v 时( 即砜= 2 3 0 v ) ，放电电流峰值即可达到1 0 0 a 。 放电回路工作时，通过用示波器对分流器两端电压波形进行观察，可知当f = 2 3 川s 时放 电电流达到峰值。 3 3 单片机测试系统 单片机采用的是w 协b o n d 公司生产的w 7 8 e 5 8 ，它与5 1 系列的单片机管脚和指令 兼容。w 7 8 e 5 8 片内有3 2 k 字节的f l a s h e p r o m ，在系统开发的过程中非常容易进行 程序的修改，从而减少了系统的开发周期。内部可供用户使用的r a m 为2 5 6 个字节， 片内还有3 个1 6 位定时器计数器。外接晶振最快可达到4 0 m h z 。在本次设计中所选 择的单片机晶振就是4 咖z ，与晶振相连接的两个电容均为3 3 p f 。由于采集的数据和 设计的程序存储到单片机内部r a m 和r o m 中即可，所以没有对单片机进行外部存储 器的扩展，从而也简化了印刷电路板的绘制。 3 3 1 电流峰值采集 电流峰值采集部分是通过采集分流器两端电压获得的。因为分流器是一个纯阻性的 精密电阻，所以其电压和电流方向一致，当采集到其两端电压的峰值时，通过 r ， 。= 二警，即可获得电流峰值。 k 在仪器仪表制造中，对于微弱信号的放大，通常使用仪用放大器( 又称测量放大器) 。 仪用放大器是一种具有精密差动电压增益的放大器件，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、 低温漂、高共模抑制能力、低失调电压、高稳定增益等特点，所以能够较好地抑制包括 工频、静电和电磁耦合等共模干扰。 在本测试仪中，由于分流器两端电压信号是毫伏级的，为减少测量误差，选用仪用 放大器a d 6 2 3 。分流器两端的电压信号经a d 6 2 3 放大后，送入模拟线性光电耦合器件 中进行光电隔离，隔离后的电压信号送入模数转换器t l c 2 5 4 3 中，最后的数字信号送 入单片机中进行处理。通过单片机的控制信号不断的进行电信号的采集、转换和传输， 并将传输到单片机中的数据进行比较，判断出峰值电压，从而也就确定了放电回路的峰 断路器导电回路电阻智能测试的研究 容上的初始电压值要加大( 减小) ： ( 2 ) r 3 和l o 不变列，c o 变化：c o 变大( 小) 日寸，放电电流上升时间变长( 短) ，电 容上的初始电压值要减小( 变大) ； ( 3 ) l o 和c o 不变时，r 3 变化：r 3 变大( 小) 时，放电电流上升时间变短( 长) ，电 容上的初始电压值要加大( 减小) 。 分析、比较上述各参数之间的相互影响关系，通过具体的实验最终确定r 3 、k 和 c o 值，其中电感l o 的制作是电路的难点所在。 电感l o 是通过在铁氧体上绕制漆包线获得的，这样制作出来的电感与无芯电感相 比较，可以使电感的体积很小，而电感值却可以达到很大。但是由于铁氧体有磁饱和现 象，所以如何选择合适型号的铁氧体是很重要的。本测试仪所选用的铁氧体是e i 型号 ( 其长约是6 c m ，宽和高大约都在4 5 c m 左右) 。在制作电感时，将e 型和i 型之间留 有一定的缝隙，这样就可以避免磁饱和现象，但是这样也会使在铁氧体上缠制而成的电 感值减少( 当然其电感值还是要比无芯电感值大) ，所以要增加缠绕的线圈匝数，使其 电感值达到需要数值。设计中的电感共在铁氧体上缠绕了1 8 0 匝左右的线圈。 实验中，当给电容 x 断路器导电吲路屯阻智能测试的研究 值电流。 a d 6 2 3 是a d 公司的一种单电源、满电源幅度输出、低价仪用放大器。允许用户 通过一只外接电阻设置放大器增益，最大增益可达1 0 0 0 ，无外接电阻时，增益为1 。通 过提供极好的随增益而增大的交流共模抑制比而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由 于共模抑制比( c m r r ) 在频率达2 0 0 h z 时仍保持恒定而受到抑制。a d 6 2 3 具有较宽 的共模输入范围，还具有低功耗、较宽的动态范围、良好的线性、温度稳定性和可靠性 等特点。其在热电偶放大器、工业过程控制、传感器接口等领域中有广泛的应用。 虽然a d 6 2 3 是按照工作于单电源方式进行的优化设计，但是当它工作于双电源 ( 2 5 v 6 v ) 时，仍然能够提供优良的性能。在本设计中，我们采用的就是双电 源( 5 v ) 供电方式。稳压管d 】。和d 1 ，起保护作用；电阻置。和置，选择线性度为l 的 精密电阻；电容要尽量选择误差在5 的高性能电容；置。和c 1 ，( 墨和c ，) 构成低 通滤波器，用来减少高频信号对电路的影响i c 。有助于保持对高频信号的共模抑制。 具体电路连接电路如图3 7 所示。 v 1 ( 分流器 图3 7a d 6 2 3 具体接线方法 f i g - 3 7a d 6 2 3 sc o n n e c t i d “ 令且t ：= r 。，a d 6 2 3 的输入信号为，输出信号为p 乙，则其增益g 为： g = ”= ( 1 十1 0 0 ) 增益是通过1 脚和8 脚之间的可调精密电阻器r 。来决定。对于任意的增益值，r 。由 以下公式计算： 砖_ 1 0 0 _ 1 1 采用的分流器规格为1 0 0 a 4 5 m v 。当测试电流峰值达到1 0 0 a 时，分流器两端对应 的电压值为4 5 m v 。令放大倍数为6 0 倍，则输出为2 7 v 。取增益电阻r 。一1 6 9 5q 时， 放大倍数为g = 6 0 。 从a d 6 2 3 中放大出来的信号经过光耦器件h c m 也0 1 进行模拟信号的线性光电隔 离。之所以在此处使用光电耦合器件，是为了防止干扰信号由采集信道进入检测电路， 从而保证单片机系统正常工作。光电耦合器的突出优点就是能够有效地抑制尖峰脉冲及 各种嗓声干扰，可以使过程通道的信噪比大大提高。 h c n i 毪0 1 光电耦合器是一种由三个光电元件组成的器件，是h p 公司生产的一种 高线性度的模拟光电耦合器。它的最大非线性为o 0 5 ，最大带宽在1 m h z 以上，耐压 1 8 断路器导电刮路电阻智能测试的研究 了高速的转换器和通用的控制能力外，本器件还有个片内的1 4 通道多路器可以选择 1 1 个外部输入或者3 个内部测试电压中的任伺一个。由于t l c 2 5 4 3 本身具有自采样一 保持功能，所以在电路设计中就不必要再外加采样保持电路，从而简化了硬件电路。在 转换结束时，“转换结束”( e o c ) 输出端变成高电平以示转换的完成。开关电容的设计 可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。串行输入结构，能够节省单片机i o 资源， 减轻的单片机引脚的负担，从而也可以使印刷电路板布线简单。片内转换器使器件有高 速( 1 0 us 转换时间) ，高精度( 1 2 位分辨率，最大l l s b 的线性误差) 和低噪声的特 点。另外t l c 2 5 4 3 还具有较高的性价比。图3 9 为本次设计中所使用的t l c 2 5 4 3 的引 脚图。 l2 0 21 9 31 8 41 7 51 6 61 5 71 4 81 3 91 2 l o1 1 v c c e o c c l k d a t a t n d a t a o u t c s r e f + r e f a i l o a 1 9 图3 9t l c 2 5 4 3 引脚图 f i g 3 9t l c 2 5 4 3p i nc o n 行g u r “o n t l c 2 5 4 3 各引脚的具体功能说明见表3 1 。 表3 1t l c 2 5 4 3 引脚功能 t 曲3 1t l c 2 5 4 3 p i nd e s c r i p t i o n 颠餐掣喜韪苗鹱鬟薪稳l l 强j d 壹薹 一翼羹囊蠹萋鬻筵蘩薹襄鬈蓉熬鬟翟鎏羹羹萋藕婺 一霉会莎霎羹蚕鬻霎簪；一 措强啪善蓦；i j j 蓑霎氇旧痒荔；晰秸匠竖塞黛薹n 毫中l ；耄薷嬷撮= i ；啻m 莹霉 疆。茧酆班桐一谢一刚型鍪爷霎葶i i 耋| l 薹茬型蠢哟! i 蠹誊彗而肇寸篓i l 以l 鏊 掌囊蝥蠢若霪雾囊g 箭攀。j 囊k 九誊| r r薹薹粕轴翟位数据流到输入寄存器。其 中前4位为模拟通道地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和三个内部自测 电压中选通一路送到采样保持电路，该电路从第4个ioclock脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样，直到最后一个i o c l o c k 脉冲的下降沿。i o 周期的时钟脉冲个 数与输出数据长度(位数)同时由输入数据的d3、d2位选择为8、12或16。当工作于1 2 或1 6 位时，在前8 个时钟脉冲之后，d a t a i n 无效。在d a t a o u t 端串行输出 8、12或16位数据。当砑保持为低时，第一个数据出现在eoc的上升沿。若转换 由已君控制，则第一个输出数据发生在石季的下降沿。这个数据串是前一次转换的结果， 在第一个输出数据位之后的每个后续位均由后续的i o 时钟下降沿输出。； ) 转换周期：在i o 周期的最后一个i o c l o c k 下降沿之后，e o c 变低，采样值保持不变， 转换周期开始，片内转换器对采样值进行逐次逼近式ad转换，其工作由与ioc lock同步的内部对钟控制。转换完成后eoc变高，转换结果锁存在输出数据寄存器中， x 断路器导电回路电毗智能测试的研究 的数字噪声对转换精度的影响。 本设计中，t l c 2 5 4 3 引脚与单片机的引脚连接图如图3 1 0 所示 灭弧室两端电压放大信 分旋器两端电压放大信 监测充电电压信 图3 1 0 t l c 2 5 4 3 与单片机引脚的连接 f i g31 0c o n n e c t i o no f t l c 2 5 4 3a n d m c u t l c 2 5 4 3 的e o c 、c l k 、d a t a i n 、d a t a o u t 和c s 引脚分别按顺序与单片机的 p t3 p 1 7 引脚直接相连接。 当使用t l c 2 5 4 3 时，每个模拟i c 的电源端最好使用一个0 1uf ( 或者0 o luf ) 的陶瓷电容连接到地，用作去耦电容。在噪声影响较大的环境中，建议每个电源和陶瓷 电容端并一个l o “f 的钽电容，这样能够减小噪声的影响。 t l c 2 5 4 3 在电路中是分时使用的。即在某一时刻将模拟开关转换到分流器所在一路 进行分流器两端电压的采样，下一时刻将模拟开关转换到断路器所在的路进行端路器 两端电压的采样，如此反复工作。设计中之所以选择t l c 2 5 4 3 作为模数转换器，是因 为它的高速转换时间l o ps 。放电回路中电流上升到峰值时间为2 3 m s ，根据采样定理 可知，该模数转换器能够达到系统采样要求。另外它本身具有自采样一保持功能，这样 在电路设计中就不必要再外加采样保持电路，从而简化了硬件电路。此外在软件设计中 将会采取定的数学方法来弥补t l c 2 5 4 3 分时使用所带来的测量误差。 3 3 2 灭弧室两端电压采集 单片机控制系统不断的采集分流器两端的电压。当分流器两端电压达到峰值时( 在 软件程序中判断) ，单片机控制系统将该时刻采集到被测断路器灭弧室两端的电压作为 断路器接触电阻两端的电压。 之所以选择电流峰值时刻