母排接触电阻测量方法的研究

张怀亮，吉新科

（1.海装装备项目管理中心，北京 100071；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

近几年来，随着人工智能技术的发展和日益成熟，船舶电力系统也逐渐复杂化和智能化[1-2]。配电板作为船舶电站中的重要组成部分，其包含的设备种类和数量繁多，因此也将面临设备管理，多种故障检测及维护等问题。配电板故障不仅影响着船舶的安全运行、威胁船员人身安全，还可能造成极大的经济损失，在此形势下，配电板的故障监测成为了紧迫之需。母排是配电板中的关键组成设备之一。而母排与母排连接处的接触电阻则是母排的主要参数[3]。因此，对母排连接处接触电阻的测量是至关重要的。本文通过对母排连接处接触电阻形成的原因分析，并根据接触电阻诊断测量方法的对比，设了一种实时测量接触电阻的方法[4]。其是通过采集连接处两端的电势差和流经母排连接处的电流，再根据欧姆定律即可得到接触电阻[5]。并对该方法进行了整体结构方案设计和软件方案设计。最后，通过分析表明，此方法能够对母排接触电阻进行实时监测。

在船舶配电板中，多处地方的铜母排都是分段的，通过螺栓加固，将铜母排之间相互连接起来，如图1所示，铜母排连接示意图。

图1 铜母排连接示意图

铜母排相互连接的接触面实际上并不是光滑的，而是粗糙的、凹凸不平的。这是由于在微观层面生产制造过程中加工工具的运动轨迹造成的，这就导致了两个接触面不是面接触或线接触，而是无数个斑点接触形成的。并且氧气和其他腐蚀性气体还会进入母排接触区域，和暴露的金属发生反应形成金属膜层，进一步减少金属接触面积，从而导致导电区域再次减小。由于接触表面并不是理想状态，且电流受到氧化膜等影响，接触电阻(Rj)可认为由收缩电阻(Rs)和膜电阻(Rm)构成[5-6]。

如图2所示，由于相连的铜母排是通过接触斑点A进行导电的，当电流流经接触斑点A时，电流线收缩使电阻增加，这个增加的电阻定义为收缩电阻。

单个接触斑点收缩电阻为

式中：ρ1和ρ2为接触金属电阻率，Ω·m；r为接触区域的半径，m。

图2 收缩电阻形成示意图

母排接触表面受到氧气和其他腐蚀性气体的影响形成膜层，膜层导致导电接触面积减小，增加了电流通过的难度，引起接触点的电阻增大，即产生膜层电阻。单个接触斑点的膜层电阻为

式中：σ为膜层单位面积的电阻，Ω·m2。

因此，根据上述对接触电阻产生的原因进行分析，可知配电板中母排通过螺栓加固进行连接，自身就会存在一个固有的接触电阻。然而由于船舶配电板长期运行在海上或者沿海地区，环境会比较恶劣。在高温、高湿、盐雾、霉菌的环境下，母排接触表面就会发生氧化、腐蚀等现象，使得膜层电阻增大；在冲击、振动、倾斜摇摆等环境下，母排与母排连接的螺栓会发生松动，导致压力过小，使得导电的接触面积变小。最终造成接触电阻增大。

2 接触电阻的诊断及测试方法

2.1 接触电阻诊断方法

配电板正常运行时，母排连接处流经的电流达到千安级别。随着母排连接处导电区域的减小，接触电阻增大，电流流经接触面，就会产生电火花和电弧现象，造成接触表面烧蚀。当达到一定运行时长，在母排连接处就会产生大量的热，温度快速上升，使得连接母排处的表面层软化或熔化，从而导致设备损坏，甚至全船失电。产生的热量可近似由式(4)表示。接触电阻的温度与电流大小和通电时间关系可通过式(5)表示。

式中：T0为接触件接触点初始温度，℃；α为接触件材料的温度传导系数；λ为接触电阻长度，m。

从上面分析可知，母排接触电阻的预防和诊断是紧迫之需的。目前，对接触电阻进行检测的普遍方法有两种：通过红外检测连接处的温度和直接测量接触电阻值。

通常情况下，检测接触电阻一般借助于红外热像仪来检测金属接触处是否存在过热现象[7]。但是当用红外热像仪检测到温度过热时，这时母排连接处接触电阻已经很大，并且过热也较为严重，就需要采取措施减负荷、甚至停电检修；还有一种情况就是在电流过小时，通过温度很难判断母排连接处的接触电阻是否过大。尤其是在船上的狭小空间，母排安装于配电板内部，这就增加了测量母排连接处温度的难度。因此，母排连接处出现氧化、腐蚀、松动等问题时，除了检修维护时容易发现外，其他时刻很难察觉到。

直接测量接触电阻是诊断母排连接处接触情况和导电性能最为直接、有效的方法[6,8]。通过测量母排连接处的端电压，以及流进连接处的电流，利用欧姆定律计算得到接触电阻阻值。将电阻值数据传给监控系统，直观的显示出接触电阻的阻值。当接触电阻达到预设的报警值时，值班人员就可以采取措施，对母排连接处进行检修，从而提高母排连接的可靠性，降低配电板的故障率，保证供电系统的安全稳定运行。

2.2 直接测量接触电阻的方法

由于母排连接处的接触电阻非常小，用普通的测电阻方法测取的电阻值会有很大的误差，难以得到准确的电阻值。目前，对小电阻的测量方法有以下几种：

直流恒流源法，此方法被广泛应用于接触电阻的测量[9-10]。其是通过一个恒流源为金属接触处提供一个恒定的电流，然后再通过测量电路得到接触处两端的电压差，之后利用欧姆定律计算得到接触电阻的电阻值。直流恒流源测接触电阻原理图如图3所示。

图3 直流恒流源测接触电阻原理图

脉冲电流法[11-13]，是通过大电流流经接触部分，但是通电时间很短只有几百微秒，此时接触电阻产生的热量使连接处的温度升高不多，根据式(6)，可知接触电阻值大小变化也不大。此方法电流值较大，在连接处由接触电阻产生的电压降较高，这种情况下得到的测量精度也相对较高。

式中：R0为温度为0时的接触电阻，Ω；Rθ为温度为θ时的接触电阻，Ω；β为电阻温度系数。

除了上述2种方法已经在工程实践中得以应用外，还有电解槽法、三次谐波法等方法也在实验室条件下完成了接触电阻的测量研究。

根据对接触电阻测量方法的对比分析，并结合船舶的环境条件，可知直流恒流源法需要使用大电流发生器来提供大电流用于测量接触电阻，而大电流发生器的体积和重量都很大,不方便安装在配电板内部，使用场地受到了限制。脉冲电流法可以通过电路设计满足需求，并且其体积和重量都要小，但是此方法更适合测试静态接触电阻。为了满足配电板有限的空间，又可以实时的检测母排接触电阻，我们需要提出一种适用于船舶配电板母排接触电阻测量的方案。

3 母排接触电阻测试系统的方案设计

3.1 母排接触电阻测试系统整体结构方案设计

通过上述对接触电阻测量方法的分析，目前的方法并不适用于配电板中母排接触电阻的测量。因此我们提出了一种新的测试母排接触电阻的方案。该方法是在配电板正常工作时，利用配电板中已有的电流互感器，得到流经母排连接处的电流 I。再通过测量图4中母排连接处a，b两端电压U，之后通过欧姆定律得到接触电阻R。此方案与直流恒流源法原理相同，都是利用欧姆定律，但是该方案省去了大电流发生器，更易于集成到配电板之中。

图4 接触电阻测量等效电路图示意图

接触电阻带电测量为典型的伏安电阻测量。然而由于母排连接处接触电阻的量级非常小，所以当电流流经接触电阻时，则连接处两端的电压降很小，故要求测试电压的电路要具有较高灵敏度。因此，可以得到接触电阻测量系统框图，如图5所示，其中包括电压、电流信号数据采集电路，信号调理电路，A/D转换电路，中央处理器CPU，监控系统等。

电流值是通过电流传感器采集并输入到电流信号调理电路之后再进行A/D转换；电压信号是通过采集连接处接触电阻两端a，b的电势，通过放大电路将接触电阻两端的电压进行放大，同样也进行A/D转换。然后，将A/D转换得到的数字信号输出到中央处理器CPU。中央处理器CPU对A/D转换输出的数字信号进行采集、处理，从而计算得到接触电阻的阻值，并与预设报警电阻值进行比较。随后，将电阻值和报警信号通过串口通讯传给监控系统，进行统一的数据显示、报警、数据管理等。

图5 接触电阻测量系统框图

3.2 信号调理电路的方案设计

配电板正常运行时，电流通过母排流入不同的用电设备，而母排连接处由于接触电阻的存在，会产生一个压降。接触电阻的量级很小，压降也就很小，所以采集到的电压降需要进行放大处理。采集信号处于高压环境，电磁干扰也相对严重，连接处a，b两端的对地电势很大，但是两者的差值非常小，因此电压采集电路可以采用差分放大电路[14-15]，如图 6a)所示。微弱信号放大通常采用的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。放大器通过外接一个精密电位器Rg，通过改变Rg电阻值的大小来改变增益G，如关系式(7)所示。

母排连接处流经的电流可以通过电流互感器测得，之后采集得到的电流信号利用采样电阻得到电压信号，利用运算放大器将电流信号转化为电压信号[16]，再进行A/D转换，如图6b)所示。

图6 信号检测与调理电路

3.3 接触电阻测量系统的软件方案设计

软件程序是接触电阻测试系统中不可或缺的部分，其不仅要实现系统硬件的初始化，还要根据测试要求实现整个系统的控制和算法等功能。

母排连接处接触电阻测量系统的软件功能模块主要由以下部分组成：主程序、系统初始化、A/D转换、数据处理计算、阻值判断、串口通信等部分。该软件功能设计实现了电压、电流信号采集，数据处理计算，串口通讯等功能。其程序流程图如图 7所示，主要包括以下方面的程序：

初始化程序：完成对系统的初始化、数据缓冲区初始化、I/O 口的初始化等。

数据采集子程序：完成电压、电流参数的采集；

A/D转换子程序：电压、电流参数进行A/D转换；

数据处理子程序：参数计算，得出电阻值；

串口通信子程序：完成 CPU 和 监控系统互相通信。

接触电阻测量系统启动，程序开始，各功能模块进行初始化。初始化完成后，正式进入主程序处理环节。第一步采集电压、电流参数信号，并进行信号调理；第二步将信号调理后的数据进行A/D转换；第三步对A/D转换的数据进行处理计算，得到电阻值；第四步将所得电阻值与预设报警电阻值进行比较，之后将电阻值和报警信号通过串口通讯传给监控系统；第五步监控系统显示接触电阻的阻值，并根据报警信号做出报警。

4 结论

基于船舶电站智能化的需求，能够对配电板参数进行实时监测，并对故障做出预警提示，是目前的发展趋势。本文提出了一种带电测量母排接触电阻的方法，并对测试系统进行了整体结构方案设计和软件方案设计。通过对母排连接处接触电阻形成的原因分析，并根据接触电阻诊断测量方法的对比，设了一种实时测量接触电阻的方法。该方法是通过采集母排连接处两端的电势，得到连接处两端的电势差，同时测得流经母排连接处的电流，再根据欧姆定律即可得到接触电阻。利用该方法可以对正在运行的母排连接处实时的进行状态监测、数据采集，从而获得接触电阻参数，使得值班人员更加直观的了解到母排连接处接触电阻的情况，及时做出维护处理。即使在战时或高速航行状态下，如果接触电阻过大，可以通过对母排连接处接触电阻的实时监测，提醒操作人员控制流经该母排的电流大小，保证母排连接处温度不会过高，从而保证配电板处于可用状态。最后，通过分析表明，此方法能够对母排接触电阻进行实时测量，并且可以预防母排接触电阻过大造成的安全事故，保证船舶供电系统的安全可靠运行。

图7 接触电阻测量系统软件程序流程图