基于冲击大电流测量断路器回路电阻的方法研究

夏小飞

（广西电网公司电力科学研究院，南宁 530023）

回路电阻是断路器性能的重要特性参数。若回路电阻增大，会导致断路器触头电损耗增大，温度升高。断路器的触头设计都有其热容量的限制，一旦超过触头所能承受的热容量的范围，断路器就会处于非常危险的状态，造成开关故障，影响系统安全。因此，定时检测断路器回路电阻是十分重要的[1-4]。

目前，普遍采用直流电流进行断路器回路电阻检测。断路器回路电阻阻值很小，一般为几十到几百微欧。若测量电流较小，则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，而且小电流不能消除触头上的氧化膜，所以不仅使测量难度增大，也很难做到精确测量。这就要求使用大电流进行断路器回路电阻检测。一般直流大电流检测装置的体积，会随着输出电流的提高而显著增大，对装置元件的散热能力也提出很高的要求[5-7]。

为了解决这一问题，本文提出了一种采用冲击大电流检测回路电阻的方法。该方法测量电流峰值达1000A以上，可以有效提高测量回路电阻的精度，并结合实验和仿真对这一方法进行研究。

1 基于超级电容器的冲击大电流测量方法

本文采用电压比法进行断路器回路电阻测量。测量原理如图1所示，测量回路电阻电压UR和标准电阻上的电压Ur。由欧姆定律可得回路电阻值为R =，其中r是阻值已知的标准电阻[5-7]。

图1 电压比法测量原理

为了实现冲击大电流检测方法，本文提出采用超级电容器作为冲击电流检测电路电源。

超级电容器顾名思义就是超大容量电容器，也称为双电层电容器，为被动式静电双层储能器件。超大容量电容器由表面多孔活性炭和有机电解液组成，外部通过氩弧焊方法焊接外壳密封，并通过电极与外部环境联接。超级电容器容量最大可达1000F，使用寿命长达500000次，且充电速度快，大电流放电能力强，是理想的冲击电流发生电源[8-9]。

2 测量方法实验研究

为了研究超级电容器作为冲击电流发生电源、电压比法作为测量原理的测量模型的可行性，利用两个分流器分别作为标准电阻和断路器回路电阻进行试验研究，模拟实验电路如图2所示。其中BN-CDJ33V25A作为超级电容器的充电器，最大充电电压为33V，最大充电电流为25A；SCPM321546超级电容器模块作为电源，该模块内阻为10mΩ，电容器容量为54F，最大额定电压为32V（电压可在范围内任意调整）；继电器SSR-10DD控制超级电容器充电；晶闸管MTC200控制超级电容器放电；分流器1（75mV/750A）作为标准电阻；分流器2（75mV/1000A）用作模拟断路器回路电阻。

图2 实验电路图

1）冲击大电流检测方法的实现

图3为实验测得两分流器电压波形图，由图可知其呈现为冲击波形，由于分流器为纯电阻，由欧姆定律可知电压波形与电流波形一致，故回路电流波形亦为冲击波形。

图3 分流器电压波形图

表1为当电容器冲击电压变化时，回路电流峰值。由表可知，当充电电压达到12V时，主回路电流就已经达到了千安级，试验证明利用超级电容器作为电源，可以实现冲击大电流检测的目的。

表1 电容器充电电压与回路电流峰值关系

2）采用冲击大电流测量回路电阻的测量精度验证

利用分流器1作为标准电阻，分流器2模拟断路器回路电阻。充电电压用V0表示，分流器1测量电压峰值用V1表示，分流器2测量电压用V2表示，实验结果如表2所示。

表2 冲击大电流测量回路电阻方法的精度

由表中数据可知，分流器2的测量相对误差非常小，可见采用冲击大电流测量μΩ级的小电阻，其测量精度非常高。

然而，实际测量电路中并不仅仅只有电阻。多断口断路器为了使断口的电压分布均匀，以充分发挥每个灭弧室的作用，每个灭弧室均并联一个均压电容。由于均压电容与断路器回路电阻为并联关系，若电容上电流过大，会导致标准电阻与回路电阻间电流不相等，导致测量不准确[10-12]。

由于断路器一般都比较高，实际检测装置的电流引线都较长，电压检测线与回路电流引线上都会存在电感，而实际采集时电压检测线与回路电流引线一般都是挂在断路器两端，呈平行布置，这样回路电流引线于电压测试线间会存在互感，使实际采集到的电压为回路电阻电压与互感电压之和，这将使测量值偏大。

这些测量回路参数都可能对回路电阻的精确测量产生影响，本文将利用EMTP-ATP仿真软件对这些回路参数的影响进行仿真研究。

3 冲击大电流测量方法仿真模型

超级电容器等效电路如图4所示[13]。

图4 超级电容器等效模型

ESR是等效串联电阻，C是理想电容，EPR表征超级电容器的漏电流效应，EPR是影响超级电容器长期储能的参数。EPR通常很大，可以达到几10kΩ，漏电流很小，只有几10～100μA，EPR可以忽略不计，视为开路，故在仿真研究时超级电容器采用图5所示模型。

图5 超级电容器仿真模型

GB/T 787—1996《断路器电容器》中规定断路器并联电容器的电容在下列数值中选取：1000pF，1500pF，1800pF，2000pF，2500pF，3000pF，4000pF，5000pF。

圆直导线电感计算公式为[14]

式中，lw为导线长度；rw为导线截面半径；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7（H/m）。

断路器测量装置引线采用规格为50mm2，长度取为20m，根据公式可计算得引线电感为24.6μH。

根据电压比法，标准电阻与回路电阻呈串联关系，超级电容器在电路中作为电源，标准电阻与回路电阻串联，均压电容与回路电阻并联，引线电感与回路电阻串联。

如图6所示，为单断口断路器回路电阻检测仿真电路，其中1为超级电容器等效电容C=54F，2为超级电容器等效内阻R=10mΩ，3为时控开关，t=0.008ms时闭合，4为标准电阻r=100μΩ，5为检测装置引线电感，取为24.6μH，6为断路器回路电阻，取为100 μΩ。

图6 单断口断路器回路电阻检测仿真电路

目前，多断口断路器主要为双断口断路器，双断口断路器回路电阻检测仿真电路如图7所示，其中1、2、3、4、5与图6所示仿真电路元件相同，7、8为断路器各断口回路电阻，均取为50μΩ，9、10为断路器均压电容。

图7 双断口断路器回路电阻检测仿真电路

4 均压电容对冲击大电流测量断路器回路电阻的影响

电压比法的前提是标准电阻与回路电阻上电流相等，由于均压电容与回路电阻并联后再与标准电阻串联，标准电阻上的电流实际为均压电容电流与回路电阻电流之和，若均压电容电流过大，则会使回路电阻检测不准确。因此有必要对均压电流的影响进行仿真分析。

当超级电容器充电电压设为15V时，均压电容上波形如图8所示，均压电容峰值为30nA，而由3中得仿真结果可知回路峰值高达1442A，可见均压电容上电流可忽略不计。表3为当均压电容变化时标准电阻、回路电阻和均压电容上的电流，可见由于均压电容上电流非常小为纳安级，标准电阻与回路电阻上的电流可视为相等，故当电路中有均压电容时，均压电容对于回路电阻的检测没有影响。

图8 电容器充电电压设为15V时，均压电容上波形

分别对图6和图7两种断路器回路电阻检测电路进行仿真，发现当均压电容取0～5000pF之间的值时回路电流波形相同。又由表3可知，均压电容值与测量回路电流峰值没有关系。仿真也表明有无均压电容并不改变测量电流波形。

表3 均压电容与回路元件电流峰值关系

5 引线电感对冲击大电流测量断路器回路电流及回路电阻的影响

由4的分析可知，不论是无均压电容的单断口断路器回路电阻测量电路还是有均压电容的多断口断路器回路电阻测量电路，均可用图7所示的仿真模型进行仿真计算，故研究引线电感时采用该仿真模型。

1）引线电感对回路电流的影响

改变仿真电路中的串联电感，可得到放电电流波形数据如表4所示。由表中可以看出当引线电感L达1000μH时，检测回路放电电流峰值可达到千安级。当L=200μH时，回路电流波形如图9所示，可见回路电流波形亦为冲击大电流波形。而当引线长度达100m时，引线电感才155μH，可见引线电感不影响冲击大电流的产生。

表4 放电电流峰值与引线电感关系

图9 当L=200μH时，回路电流波形

2）引线电感对于断路器回路电阻检测的影响

断路器回路电阻检测，普遍采用四端子法进行检测，接线如图10所示，其中电流线为主放电回路接线，电压线是检测断路器电压的信号线。这样接线是为了消除接线处接触电阻的影响。由于断路器一般都很高，所以电流线和电压线都悬挂在断路器断口两端，电流线与电压线基本呈平行紧贴状态。电流线与电压线之间存在互感。

由于电压检测线为信号线，电流可视为零，所以电压检测线对电流线的互感对于回路电流的检测没有影响。而电流线中流过千安级的电流，且该电流为冲击电流，电流时刻在变化，故电流线对电压线的互感将使电压检测线测得的电压值改变。

图10 回路电阻检测现场接线图

电流线对电压线的互感，可以通过计算互感系数的方法得到。设电流回路编号为1，电流为I，磁通为Φ11，电感为 L，电压检测回路编号为 2，电流回路1的电流 I，其所产生并与回路 2所交磁通为Φ21。由于电流线与电压线呈平行紧挨状态，故Φ11=Φ21，故互感M ==L，则电压检测线检测到的电压值为回路电阻电压和电感电压之和。

仿真时采用常用的引线尺寸，即长 20m，截面积50mm2。则通过公式1的计算可知引线电感L=24.6μH。

图11是断路器电压测试线实际测得电压波形，也就是断路器回路电阻与引线电感电压之和。图12为回路电阻上电压波形。对比两个图发现因为引线电感的影响，实际检测得电压波形将严重失真，若不消除引线电感的影响，测得的回路电阻值将不准确。因此，有必要研究消除引线电感影响的措施。

图11 断路器电压测试线实际测得电压波形

图12 回路电阻的电压波形

消除引线电感影响的措施：

1）图13为检测回路的电流波形，当t=21.2ms时电流达到峰值，此时电流变化率di/dt=0。由于电感电压满足u=L ×，其中 L为电感值，u为电感电压，i为回路电流。则电感的压降在电流达到峰值处为0。则该时刻测得断路器两端的电压就是断路器接触电阻r上的电压。仿真计算亦表明，当t=21.2ms时，电感上电压为0，测试电压线测得电压值为回路电阻电压值，此时回路电阻电压Ug=0.1442V，标准电阻电压Ur=0.1442V，而标准电阻阻值r=100μΩ，则根据电压比法R =，得回路电阻R=100 μΩ与预设值相同，回路电阻阻值得到精确测量。可见若要得到准确测量断路器回路电阻，只需要采集检测回路电流达到峰值时电压线测得的电压值即可，而标准电阻上电压波形达到峰值时刻即为检测回路电流达到峰值时刻。

图13 检测回路的电流波形

2）在实际测量时，由于现场强电磁干扰，以及其他未知因素的影响，单个采集点可能存在较大误差，应多采集若干点进行计算再取平均值[15]。观察图11波形，发现电压信号线实际检测得到的电压波形变化范围非常大，最大达电源充电电压15V，若采用电压传感器进行数据采集，要求电压传感器输入范围很大，而电压传感器的测量精度为测量范围乘以一个系数，这样就会使电压传感器测量精度较低，影响测量结果。若要彻底消除引线电感的影响，可采用屏蔽线消除互感的影响，以及消除现场的电磁干扰，避免干扰信号进入测量线。

6 结论

为了精确测量断路器回路电阻，本文提出了一种冲击大电流检测方法，并通过模拟实验和仿真计算，验证了该测量方法的可行性与测量的精确性，分析了实际测量时回路参数对于该测量方法的影响，得到如下结论：

1）本文提出了基于超级电容器产生千安级冲击大电流，用于测量断路器回路电阻的方法。该方法测量精度非常高。

2）多断口断路器均压电容上的电流值非常小为纳安级，而检测回路电流为千安级，因此均压电容对于检测回路的影响可忽略不计。均压电容并不影响测量电路电流波形与电流峰值。

3）引线电感不会影响测量电路冲击大电流的产生，但会使实际检测得到的断路器电压为引线电感电压与回路电阻电压值和，导致测量结果偏大。当回路电流达到峰值时，此时的测量值为真实回路电阻电压值，可通过这样的方法进行回路电阻测量，也可以通过采用屏蔽导线的方法消除引线电感的影响。

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