电力二次接线端子紧固可靠性的检测和分析

沈琼妹，王建勇，张睿，邝玉芳

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海，519000）

1 绪论

电缆作为电网的重要组成部分，承担着设备间连接、电能以及信号传输等重要作用。因此电气连接的可靠性，直接关系到电力企业的供电可靠性与安全性。

变电站中继电保护装置的正确动作，离不开二次回路的正确走向和紧固可靠。二次回路的驳接主要靠接线端子来实现，二次接线端子的紧固可靠决定了二次回路是否可以发挥作用，也就是继电保护能否告别拒动、误动等现象[1]。

在长期运行过程中，开关触头、母线排连接处及电缆接头等机械连接点会因氧化、松动等连接可靠性问题而导致接触电阻过大而发热，并可能形成恶性循环。温升、膨胀、收缩、氧化，电阻增大、再度升温，由此最终可能酿成火灾事故，造成大面积的停电。

开关触头、母线排连接处及电缆接头等机械连接点会因氧化，形成金属的非线性结点。而基于谐波雷达技术可以有效检测金属结点的非线性特性，尤其是金属结点不带电的情况下。谐波雷达是一种通过发射基波信号，接收来自目标再辐射的2次、3次甚至是更高次的谐波/组合波回波信号，并对目标进行判断、识别和探测的雷达系统。该项特性则可以应用在检测电缆与各机械连接点上，特别是二次接线端子。当电缆或机械连接点出现不可靠连接时，由于中间存在一定成分的松散氧化物，谐波雷达将会接收到大量2或3次谐波，反之则不会出现。利用金属结点的非线性特性，结合谐波雷达反射值反向推断金属结点的导通电阻数值，研制出一种针对电力二次接线端子紧固可靠性的检测和分析的装置。通过本装置和一系列测量措施，可以让电力开关、电缆等设备在运行条件下，利用谐波雷达反射值反向推断金属结点的导通电阻数值，从而可依据行标判定接触性是否良好，使其具有一个统一的判断法则，能与行业判断标准相匹配。从而解决继保自动化专业施工验收以及日常运维过程中，对二次接线端子连接可靠性无法进行有效检测的问题，减少工作量，提高工作效率。

2 二次接线端子紧固可靠性的检测原理

2.1 金属结点的非线性特性

二次接线端子会形成金属结点，根据现有研究[2]，带有金属结点的非线性目标，其伏安特性曲线为：

图1 金属结点的伏安特性曲线

当结点两端的电压小于1.5V时，电流可近似表示为：

其中，β为伏安特性的非线性系数，单位是[1/V2]；R0为金属结初始电阻，即当结点两端电压为零时的电阻，单位为[Ω]。随着金属结点氧化程度的加深，β发生变化，而R0不变。

当使用单频率（频率为f0，即角频率ω0= 2πf0）的电磁波进行照射时，非线性结点的感应电压可以写做：

将式（2）带入式（1），则可得到非线性结点上的电流为：

基波幅值中，由于βU30导致的非线性分量较弱，因此基波幅值：

三次谐波与基波的幅值的三次方之比为：

2.2 二次端子紧固可靠性测试分析原理

（1）首先在电力开关、电缆等电力设备停电的状态下，对非线性金属结点施加直流激励电压U1，产生直流激励电流I1，并控制U1的大小，使得激励电流I1大于100A，以满足行标对于电力开关的测试电流的要求。将此值带入公式（1）中可得到：

因此导通电阻：

为了后文描述的方便，采用电导G进行计算来替代电阻R。由电学知识可知G=1/R，电导信息与电阻信息完全等价。令G0=1/R0，因此在激励电压U1下，金属结点电导G1：

上式中G1、U1为已知量，G0、β为未知量。一般G0不变，而随着时间推移，金属结点氧化物发生变化，β随之发生变化。

相近时段内，加载直流激励电压U2，并控制U2不等于U1，且使得响应电流I2大于100A。

此时

上式中G2、U2为已知量，G0、β为未知量。

联立式（8）和式（9）上述两个计算公式，求解二元一次方程，可得G0和β：

（2）在步骤1的基础上，距离被测设备距离R处，照射雷达电磁波，通过雷达反射信号捕捉到3次谐波幅值与1次谐波幅值，令k为3次谐波幅值与1次谐波幅值的三次方之比，则存在如下关系：

上式中，测量反射信号中的三次谐波幅值U(3ω)和基波幅值U(ω)，从而求得k，k为已知量。

（3）通过步骤1和步骤2，得到了停电条件下，金属结点的相关信息：G1、U1、G0、k，将上述信息记录，作为后续判定在线判定导通电阻的数据基础。

同样，上式中，测量得到三次谐波幅值U′(3ω)和基波幅值U′(ω)，因此K′也为已知量。而β′存在如下关系：

（5）等效换算。因此，在运行一段时间后，可在线测得金属结点的导通电导为：

进一步变换：

其中：

G1为已知的中间量，可由步骤1停电时的激励电压U1和响应电流I1得到，G1=I1/U1；

G0为已知的中间量，可由步骤1停电时施加两次不同的激励电压，测量并计算得到；

（1）术前普及。术前护理人员严格执行术前体征监测以及标记、正确备皮工作，完成远离手术区域的标记，且完成消毒处理，依据患者身体状况选定的麻醉方式，指导患者禁食禁饮且在术前6 h帮助患者完成非固体食物进食，术前4 h协助病房护士完成超前镇痛[1] 。

k值为已知的中间量，可由步骤2测量谐波雷达反射值得到；

k’值为已知的中间量，可由步骤4测量谐波雷达反射值得到。

所以，G1’可通过上述中间量带入式（16）求得。

亦可将测量原始量U1、I1、U2、I2、U(ω)、U(3ω)、U′(ω)、U′(3ω)带入，得到 ：

根据电阻和电导的倒数关系。导通电阻R1’为：

因此，电力开关在运行一段时间后，不需要停电，可在带电条件下，通过谐波雷达测量得到。

3 二次端子紧固可靠性测试装置简介

3.1 装置结构单元

本装置主要有四大单元构成：

(1)MCU单元，主要用于控制和信号处理。

图2 装置结构单元

(2)基波雷达发射单元，主要产生2.4GHz的基波射频信号。

(3)基波雷达和3次谐波雷达接收单元，接收反射的2.4GHz基波信号和3次谐波信号（即7.2GHz）。

(4)直流激励与采样单元，主要产生直流大电流激励，加载于被测品上，同时测量激励电压和电流。

3.2 各单元功能简介

（1）MCU单元，主要用于控制和信号处理。

（2）基波雷达发射单元。MCU控制DAC电路产生基带信号后，通过频率合成电路和调制电路调制得到2.4GHz信号，功率放大电路调节发射信号的功率，低通滤波电路滤除发射通道产生的干扰信号，经过滤波后的射频信号通过天线发射出去。

（3）基波雷达和3次谐波雷达接收单元。接收单元的主要过程为：通过天线接收反射的基波信号和3次谐波信号，先进行滤波，再经过解调电路得到基带信号。由于接收的谐波信号功率较小，因此在ADC处理前，需要将其进行功率放大处理。

（4）直流激励与采样单元。主要通过开关变换电路，产生大电流输出。此时激励电压和激励电流，可通过电压采样调理模块、电流采样调理模块进行处理，最后送入ADC中采样。

3.3 在线测量流程

采用本装置进行在线测量电力二次接线端子的流程为：

（1）停电条件下，在被测品上，以有线的方式加载直流激励电压和电流，并测量得到电压为U1，电流为I1。

相近时间段内，停电条件下，改变激励电压，测量得到电压为U2，电流为I2，通过前述技术方案中的方式，计算得到G0、β。

（2）相近时间段，在（1）和（2）的基础上，断开本装置与物品的有线连接，距离被测设备距离R处，照射雷达电磁波，得到反射后的基波幅值U()ω和3次谐波幅值U(3)ω，进而得到基波与三次波幅值三次方比值k。将G0、β、k保存至本装置中存储，用于后续计算。

（3）若干时间后（如被测品运行一年后），在被测品停电或者运行的条件时，天线与被测品距离同样为R时，采用谐波雷达方式照射被测品，得到反射后的基波幅值U′()ω和3次谐波幅值U′(3)ω，进而得到基波与三次波幅值三次方比值k’。

（4）将停电条件下本装置存储的G0、β、k，和本次测量得到的k’带入式中，进行计算，得到此时的电导G1’，同时进行电导-电阻变换，得到导通电阻R1’=1/ G1’。

（5）将计算得到R1’与行标中规定的阈值进行比较，从而判断开关触头连接可靠性。

图3 测量流程图

4 结论

上述二次接线端子紧固检测方法主要基于谐波雷达，通过发射基波信号，接收来自目标再辐射的2次、3次甚至是更高次的谐波、组合波回波信号，再对目标进行判断、识别和探测。与仅接收基波信号的一般基波雷达相比，谐波雷达除得到来自目标的基波通道信息外，还可得到2次、3次及更高次的信息。同时也比一般的雷达更加具有杂波抑制和过滤能力。

根据相关研究证明，两个不同的金属接触后产生的氧化物会产生谐波信号，一般称之为环境二极管。但是由于氧化物质地松散，不会形成可预测且稳定的时间响应函数。该项特性则可以应用在二次接线端子连接点上，当连接点出现不可靠连接时，由于中间存在一定成分的松散氧化物，谐波雷达将会接收到大量2或3次谐波，反之则不会出现。

现有技术中，基于谐波雷达识别金属结点非线性目标时，主要通过2次或者3次谐波的幅值、功率等信息判断结点接触性好坏，此种判定带有一定的主观性和判定法则的多样性（如有研究者主要研究3次谐波和2次谐波的比值，判断金属连接可靠性，对于判定阈值的取舍，存在一定的主观性），难以形成一个行业公认的判定法则和判定结果。且现有技术无法将谐波雷达所测幅值、功率等数据，进行转换得到导通电阻，从而依据电力行业标准（如《DL/T 596-2005 电力设备预防性试验规程》）中规定的导通电阻的阈值，判定接触性是否良好。而本装置将有线测量功能与谐波雷达功能进行组合，通过一系列测量后，可以将谐波雷达测量结果换算为导通电阻结果，从而可以利用行标中对于导通电阻的规定，以公认的法则对金属结点可靠性进行判断。

本文论述的电力二次接线端子紧固可靠性的检测方法，可以实现在不停电条件下，对二次接线端子紧固情况进行检测。传统的二次回路状态检测，长期依靠作业人员的经验进行检测和分析。[3]相对于传统的检测方法而言，本装置可以很好地定位虚接或断开的端子，解决继保自动化专业施工验收以及日常运维过程中，对二次接线端子连接可靠性无法进行有效检测的问题。