CN103487659A - 一种基于冲击大电流检测断路器回路电阻的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于冲击大电流检测断路器回路电阻的方法，其中断路器回路电阻检测电路包括有超级电容器和标准电阻，断路器回路电阻的测量采用电压比法，超级电容器被用作冲击大电流发生电源，用于产生检测用冲击大电流；若断路器多断口断路器，且断路器灭弧室并联有均压电容时，均压电容对于基于冲击大电流的回路电阻检测没有影响；为消除检测电路中引线电感的影响以准确测量断路器回路电阻，断路器回路电阻上的电压值只需采集检测回路电流达到峰值时电压线测得的电压值即可，也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。

Description

一种基于冲击大电流检测断路器回路电阻的方法

技术领域

本发明涉及断路器领域，具体涉及一种断路器回路电阻的检测方法。

背景技术

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***安全。因此，定时检测断路器回路电阻是十分重要的。

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。

发明内容

本发明提出了一种采用冲击大电流检测断路器回路电阻的方法。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。

本发明的基于冲击大电流检测断路器回路电阻的方法，其中断路器回路电阻检测电路包括有超级电容器和标准电阻，断路器回路电阻的测量采用电压比法，超级电容器被用作冲击大电流发生电源，用于产生检测用冲击大电流。

进一步，若断路器多断口断路器，且断路器灭弧室并联有均压电容时，均压电容对于基于冲击大电流的回路电阻检测没有影响。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。

更进一步，为消除检测电路中引线电感的影响以准确测量断路器回路电阻，断路器回路电阻上的电压值只需采集检测回路电流达到峰值时电压线测得的电压值即可，其中电压线是用于检测断路器电压的信号线。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。

更进一步，为完全消除检测电路中引线电感的影响以准确测量断路器回路电阻，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。其中电流线为主放电回路接线，电压线是用于检测断路器电压的信号线，电流线和电压线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。

更进一步，对电压值的采集可采集多次，而后进行回路电阻的计算，之后再取平均值。

本发明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，其测量精度非常高。

附图说明

图1电压比法测量原理

图2实验电路图

图3分流器电压波形图

图4超级电容器等效模型

图5超级电容器仿真模型

图6单断口断路器回路电阻检测仿真电路

图7双断口断路器回路电阻检测仿真电路

图8电容器充电电压设为15V时，均压电容上波形

图9当L＝200μH时，回路电流波形

图10回路电阻检测现场接线图

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

图13检测回路的电流波形

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

1.基于超级电容器的冲击大电流测量方法

本发明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U_R和标准电阻上的电压U_r。由欧姆定律可得回路电阻值为其中r是阻值已知的标准电阻。

为了实现冲击大电流检测，本发明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。

2.测量方法实验研究

本发明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，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MTC500(该晶闸管型号与图2中的型号不一致，需由申请人核实并修改为一致)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。

(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。

表1为当电容器冲击电压变化时，回路电流峰值。由表1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

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。

表2冲击大电流测量回路电阻方法的精度

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。

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，这样回路电流引线与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。

3.冲击大电流测量方法仿真模型

本发明中的超级电容器的等效电路如图4所示

ESR是等效串联电阻，C是理想电容，EPR(和图4中的ESP表示方式不一致，需申请人核实并修改)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，因此，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。

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： $L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{l}_w}{2\mathrm{\π}}(\ln {21}_w/r_w-3/4)---\left(1\right)$

其中中l_w为导线长度；r_w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，根据该园直导线电感计算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100μΩ。

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电路如图7所示，其中1、2、3、4、5与图6所示电路元件相同，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。

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，而由表3中可知回路峰值高达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。

分别对图6和图7两种断路器回路电阻检测电路进行实验研究，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。因此，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

由表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所示的电路模型进行分析计算，故研究引线电感时采用该电路模型。

(1)引线电感对回路电流的影响

改变电路中串联的引线电感，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仍可达到千安级。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

(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。

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

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。

实验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。

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×di/dt，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。实验计算亦表明，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U_g＝0.1442V，标准电阻电压U_r＝0.1442V，而标准电阻阻值r＝100μΩ，则根据电压比法得回路电阻R＝100μΩ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。

(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。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。

Claims (5)

1.一种基于冲击大电流检测断路器回路电阻的方法，其中断路器回路电阻检测电路包括有超级电容器和标准电阻，其特征在于，所述断路器回路电阻的测量采用电压比法，且所述超级电容器被用作冲击大电流发生电源，用于产生检测用冲击大电流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若断路器为多断口断路器，且断路器灭弧室并联有均压电容时，所述均压电容对于基于冲击大电流的断路器回路电阻检测没有影响。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为消除检测电路中引线电感的影响以准确检测断路器回路电阻，断路器回路电阻上的电压值只需采集检测回路电流达到峰值时由电压线测得的电压值即可，其中电压线是用于检测断路器电压的信号线。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为消除检测电路中引线电感的影响以准确测量断路器回路电阻，可采用屏蔽线以消除电流线与电压线之间的互感的影响，以及消除现场的电磁干扰，避免干扰信号进入电流线和电压线；其中电流线为主放电回路接线，电压线是用于检测断路器电压的信号线，电流线和电压线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。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，优选的，电压值的采集可采集多次，而后进行回路电阻的计算，之后再取平均值。

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