断路器触头接触电阻在线测量系统

摘要

本发明公开了一种断路器触头接触电阻在线测量系统，包括：触头电压差采样单元、电流采样单元、电压限幅保护单元、隔离运放单元、ADC单元和ARM处理器，触头电压差采样单元用于测量断路器触头两端产生的电压差；隔离运放单元用于电磁隔离；ADC单元用于将同一时刻的电流和电压差转换成离散的数字信号；所述ARM处理器用于计算接触电阻。该测量系统可实时监控和测量到断路器的触头接触电阻，为预测断路器电气寿命提供基础数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种接触电阻的测量系统，特别涉及一种在线式断路器触头的接触电阻的测量系统。

背景技术

断路器在电力的输配电系统中起着导通、分断电流作用，是一次电流的节点载体，断路器的触点间的接触电阻大小与断路器的触点寿命密切相关，接触电阻性能的好坏成为影响断路器电气可靠性的关键。

目前对断路器接触点接触是否可靠与否，除了检修时进行接触电阻检测外，在断路器正常运行期间是没有办法对其进行量化观测的，这样一来就无法实时掌握断路器触头工况的变化情况，一旦断路器触头的接触电阻增大，则导致动静触头的温升急剧上升，如果不尽快处理，放任情况继续恶化，很有可能使断路器动静触头间出现触体变形甚至粘连，从而影响了电连接器的性能甚至可能对整个电气系统造成危害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中在断路器正常运行期间无法检测断路器触头的接触电阻的缺陷，提供一种断路器触头接触电阻在线测量系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种断路器触头接触电阻在线测量系统，其特点在于，其包括：触头电压差采样单元、电流采样单元、与所述触头电压差采样单元相连的电压限幅保护单元、与所述电压限幅保护单元相连的隔离运放单元、和所述隔离运放单元以及所述电流采样单元相连的ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)单元以及和所述ADC单元相连的ARM处理器(英国ARM公司设计的RISC处理器)，其中，

所述电流采样单元用于获取流经断路器触头的电流；

所述触头电压差采样单元用于测量断路器触头两端产生的电压差；

所述电压限幅保护单元用于在断路器闭合时将电压差的信号送入所述隔离运放单元，而在断路器断开时断开与所述隔离运放单元的电连接；

所述隔离运放单元用于将上游的所述触头电压差采样单元和所述电压限幅保护单元和下游的所述ADC单元和所述ARM处理器电磁隔离；

所述ADC单元用于将同一时刻来自所述电流采样单元的电流和来自所述触头电压差采样单元的电压差转换成离散的数字信号；

所述ARM处理器用于根据同一时刻电流和电压差计算接触电阻。

由于断路器接触电阻在正常工况下仅有不到100μΩ，常规的对于断路器接触电阻的测量方式是利用直流电流测量法，根据国内GB763-1990、DL405-91等电力标准的要求，是采用不小于100A的直流电流法来测量，根据欧姆定律，有U＝I*R，如果测量到接触电阻两端的压降，根据当前流经断路器的电流大小，是可以反推出实际断路器接触电阻阻值的。本发明基于欧姆定律，利用隔离运放以及模拟数字转换(AD转换)，采用交流有效值计算算法，实时计算当前断路器接触电阻的阻值大小，可提供出具有直接参考意义的量化阻值数值，可用来分析和预测断路器的触头电气寿命，以保证负载供电的可靠性。

优选地，所述电压限幅保护单元包括信号采集继电器，所述信号采集继电器连接于所述触头电压差采样单元的输出和所述隔离运放单元的输入之间，所述信号采集继电器与断路器同步闭合或断开。当断路器当前处于闭合状态时，此时触头间由于接触电阻形成的压降很小，完全处于后级的隔离运放的工作范围内；但是当断路器处于断开位置时，此时电压会上升到系统的相电压，例如220VAC，此时对于后级的隔离运放来说由于输入电压已经远远超出运放可以承受的电压，会导致运放烧毁进而使整个采样系统失效。而所述电压限幅保护单元的设置则有效保护了下游的单元。

优选地，所述隔离运放单元包括连接于所述电压限幅保护单元输出的第一滤波电路和与所述第一滤波电路相连的隔离电路。经过隔离后的信号在电气上与高压侧完全隔离，从而保证采样系统和操作人员的人身安全。

优选地，所述电流采样单元包括电流互感器。由于有电流互感器(CT)的电磁隔离，电流可以直接送入二次回路进行采样。

优选地，所述ADC单元包括分别与所述电流采样单元相连的电流转换通道和所述隔离运放单元相连的电压转换通道，所述电流采样通道包括电压形成回路和与所述电压形成回路相连的第二滤波电路。

优选地，所述ADC单元包括6路AD输入通道的AD转换芯片。

优选地，所述ADC单元通过SPI(串行外设)总线连接至所述ARM处理器。

优选地，所述ARM处理器包括FPU(Float Point Unit，浮点运算单元)协处理器。

优选地，所述ARM处理器从所述ADC单元读取的电压和电流为离散的交流采样值，所述ARM处理器用于采用FFT(快速傅立叶变换，fast Fourier transform)进行有效值计算。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：提供了一种能在线精确测量断路器触头接触电阻的方法，可实时监控和测量到断路器的触头接触电阻，为预测断路器电气寿命提供基础数据，为负载供电可靠性提供技术基础。

附图说明

图1a和图1b分别为断路器A相一次回路示意图及其等效图示意图。

图2为采样限幅保护电路示意图。

图3为隔离运放电路示意图。

图4为AD采样输入的示意图。

图5为测量系统整体框图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参考图1a、图1b-图5，介绍了本发明一实施例所述的断路器触头接触电阻在线测量系统，其包括：触头电压差采样单元1、电流采样单元2、与所述触头电压差采样单元1相连的电压限幅保护单元3、与所述电压限幅保护单元3相连的隔离运放单元4、和所述隔离运放单元4以及所述电流采样单元2相连的ADC单元5以及和所述ADC单元5相连的ARM处理器6。所述电流采样单元2用于获取流经断路器触头的电流；所述触头电压差采样单元1用于测量断路器触头两端产生的电压差；所述电压限幅保护单元3用于在断路器闭合时将电压差的信号送入所述隔离运放单元4，而在断路器断开时断开与所述隔离运放单元4的电连接；所述隔离运放单元4用于将上游的所述触头电压差采样单元1和所述电压限幅保护单元3和下游的所述ADC单元5和所述ARM处理器6电磁隔离；所述ADC单元5用于将同一时刻来自所述电流采样单元2的电流和来自所述触头电压差采样单元1的电压差转换成离散的数字信号；所述ARM处理器6用于根据同一时刻电流和电压差计算接触电阻。

由于断路器的触头结构都相同，为了简化说明，在此只列出A相来讨论。具体来说，对于断路器的A相触头来说，当触头闭合时，在弹簧压力作用下，断路器动触头会紧贴于静触头表面，此时，触头的表面电阻为R1，触头的收缩电阻为R2，两者合起来构成了断路器触头的接触电阻R。当一次回路流过电流时，由于接触电阻R的存在，会在断路器触头两侧产生电压差Uab，此电压差在正常情况下为mV(毫伏)级。另外，为了测量电流，在A相上还需要布置一路CT采样A相电流Ia。Ia由于有CT的电磁隔离，可以直接送入二次回路进行采样。

在图2中所示为所述电压限幅保护单元，其包括信号采集继电器K，所述信号采集继电器连接于所述触头电压差采样单元的输出和所述隔离运放单元的输入之间，所述信号采集继电器与断路器同步闭合或断开。具体来说，此单元主要起采样电压限幅功能。根据图1a和图1b中所示，当断路器当前处于合闸状态时，此时触头间由于接触电阻形成的压降Uab很小只有几十mV的水平，完全处于后级的隔离运放的工作范围内；但是当断路器处于断开位置时，此时Uab电压会上升到系统的相电压220VAC，此时对于后级的隔离运放来说由于输入电压已经远远超出运放可以承受的电压，会导致运放烧毁进而使整个采样系统失效。要解决这一问题则最简单的办法就是再引入一个信号采集继电器K，此继电器的状态和断路器状态完全一致，断路器闭合时K也闭合，断路器分断时K也分断，这样就能保证当断路器闭合时，Uab电压可以送入后级隔离运放，当断路器断开时，Uab虽然升高，但是由于K的触点是断开状态，使此时的Uab无法送入后级运放，从而保证隔离运放不被烧毁。

所述隔离运放单元包括连接于所述电压限幅保护单元输出的第一滤波电路和与所述第一滤波电路相连的隔离电路。具体来说，图3所示为差分信号Uab的隔离运放电路，此电路作用是将高压侧的Uab差分信号经过电磁隔离后转换为低压侧的Uab’，经过隔离后的Uab’信号在电气上与高压侧完全隔离，从而保证采样系统和操作人员的人身安全。图中的R3、R4和C1均为用于输入滤波的RC滤波回路，具体的截止频率可以按照550Hz来设计，既能保证工频信号强度，同时也滤除了11次以后的高频谐波，有利于测量系统的稳定运行。

所述ADC单元包括分别与所述电流采样单元相连的电流转换通道和所述隔离运放单元相连的电压转换通道，所述电流采样通道包括电压形成回路和与所述电压形成回路相连的第二滤波电路。具体参见图4，ADC单元分为电压和电流两个通道，均为差分输入形式，图中的R5为电压形成回路，负责将电流互感器CT送过来的电流信号转换为电压信号，R6、R7、C2为RC滤波回路，和图3中的RC参数一致。Uab’为经过隔离运放后的断路器触头差分电压信号，经过AD采样后送入ARM处理器进行采样计算。AD与ARM之间的接口可以用并口总线也可以用SPI。

图5所示为断路器触头接触电阻在线测量系统的整体结构框图。整体还包括可以电源模块、DI和DO、RS485、LCD显示等几个主要部分。其中电源模块负责将外部接入的380VAC进行AC/DC转换，得到稳定的5VDC和3.3VDC给测量系统的电子模块使用。

ADC模块将前端采集到的电压和电流转换成离散的数字信号，为了保证精度，可以采用16位的ADC来进行数据转换。需要说明的是，由于计算触头接触电阻，需要同时对电压和电流进行同步转换，这样可以准确得到同一时刻的电压和电流值，有利于根据欧姆定律推算电阻值。此处可采用具有6路AD输入通道的AD转换芯片。

485接口模块为测量设备提供给客户使用的通讯接口，支持最高至115200bps波特率的隔离485总线接口。

DI和DO开入开出模块共有10路的开入以及10路的开出来对开关进行控制，开入及开出均采用隔离型设计，最大程度防止外部接线错误对测量装置本身的影响。

人机交互包括显示部分和按键部分，显示部分为一块128*32点阵的LCD显示器，用来显示各种当前测量值和参数。按键部分用来进行相关的参数录入。

ARM处理器部分负责通过SPI接口读取AD转换芯片的转换值，读取出的电压和电流为离散的交流采样值，在此可采用64点/周波的采样频率，交流有效值可采用FFT进行有效值计算。鉴于FFT需要进行大量乘法操作，此处可采用带有FPU协处理器的ARM芯片，可大幅度提高FFT的计算速度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。