高压断路器回路电阻测试
本文针对高压断路器回路电流测试无法接近实际工况的问题，设计了一种基于超级电容器的千安级电流放电系统，通过对系统电磁兼容问题和电压传感器超量程问题的重点研究，得出结论如下：通过采用数字滤波的方法可解决在复杂电磁环境下测量高压断路器的回路电阻不准确的问题，满足在强电磁干扰现场测量微电阻的需要；通过在测试回路中串联0.2mH电感的方法可解决在测试中出现端电压测试超量程的问题，同时不影响回路电流幅值的要求；系统可产生的电流大小接近运行工况。
关键词：高压断路器；回路电阻；放电；系统设计
高压断路器回路电阻是指动静触头的接触电阻值，一般为几十到几百微欧[1-5]。回路电阻值可通过伏安法测定，既可以采用直流法又可以采用交流法。传统的测量方法是采用直流法，直流双臂电桥是直流法的一种，测试电流一般是几安培，这样在高压断路器动静触头上产生毫伏级的压降，对电压测量元件的灵敏度要求很高，而且几安培的电流不能消除触头上的氧化膜，所以不但难做到精确测量，而且测量结果难以反映真实情况。直流压降法是直流法的另外一种方法，也是目前业内普遍采用的方法，测试电流为100A，虽然测量电流较电桥有数量级上的提高，但仍然不足以烧坏触头上的氧化膜，如果继续提高电流那仪器体积将会大至不可承受，同时大电流产生的温度效应使测量结果偏大。同样，若采用交流法，则仪器笨重，难以在现场推广使用，这也是为什么业内一直采用直流压降法的原因。若测试电流能够与实际工况维持在一个数量级，但又必须将通电时间控制得很短，利用超级电容器产生冲击电流恰恰可以满足这一要求[6-10]。
1放电回路设计
高压断路器回路电阻检测设备包括主放电回路和测量回路两部分[11-16]。主放电回路部分包括：超级电容器、电容器充电器，MTC-1200A/600V型可控硅、触发信号线2对、100mV/1500A分流器（阻值为66.67μΩ）、75mV/3000A分流器（阻值为25μΩ）、测量导线若干。测量回路部分包括：高精度示波器2台、开关电源1块、引出线若干、限流电阻1个、充电开关1个、触发放电开关1个，后备放电开关1个（300Ω放电电阻）、WBV121S07型电压隔离传感器3个（最高输入信号值分别为100mV、100mV和0.6V，最高输出均为5V）。测试放电回路如图1所示，从左至右是依次是超级电容器、晶闸管、分流器1、分流器2，以及待测高压断路器。工作过程如下：设定目标充电电压后，空气开关闭合，此时由充电器开始向超级电容器充电，充电完成后，空气开关断开，切断充电回路；充电完成断开充电开关的同时，打开触发放电开关，晶闸管导通，超级电容器向主回路放电，主回路是一个电阻和电感串联的一阶电路，回路电流为冲击电流；电压隔离传感器分别测量作为标准电阻的分流器1和分流器2的端电压以及待测高压断路器的端电压。
2电磁兼容设计
通过多次现场测试，表明现场背景噪声都是频率在3kHz以上的高频干扰，这比实际放电回路电压、电流波形频率要大很多，通过高频滤波处理可以滤除。考虑数字滤波比模拟滤波更具优势，本文采用数字滤波器进行软件滤波处理，对被测电压信号进行降噪处理，最大程度的消除噪声干扰。采用数字滤波器滤去3kHz以上的高频干扰信号后，被测电压信号波形非常平滑，接近测试回路真实放电波形，便于测量数据的读取与计算，滤波前后波形分别如图2、图3所示。
3电压传感器超量程处理
在试验过程中当电容器充电电压达到5V时，测量高压断路器电压所用传感器超量程，这严重影响了测量的准确性与安全性，必须采取措施解决这一问题。通过研究表明，在放电回路串联纯电感可以解决上述问题，现进行仿真论证。仿真电路如图4所示，为了提高放电电压值，超级电容器选用容量165F，充电电压48V，测量回路内阻R1取为15mΩ。标准电阻R2为25μΩ分流器，标准电阻R3为67μΩ分流器，L1为回路分压电感，回路内阻R4为340μΩ，高压断路器回路电感5μH。由于串联电感的存在必然会影响放电电流幅值，所以既要考虑解决传感器超量程问题，又要考虑回路电流大小满足测试要求。将分压电感L1分别取值0.01mH、0.1mH、0.2mH、0.3mH开展仿真研究，被测高压断路器两端电压波形、回路电流波形仿真结果分别如图5、图6所示。通过图5、图6可以发现：当串联电感为0.01mH，电压依然超量程，回路电流可以达到达到3102A；当串联电感为0.1mH，电压峰值电压峰值为2.28V，小于数据采集输入上限10V，超量程问题已经解决，回路电流基本不变，达到3070A；当串联电感为0.2mH时，电压峰值为1.18V，远远小于数据采集输入上限10V，电流基本不变，达到3041A；当串联电感为0.3mH时，电压峰值为1.03V，而分压电感为0.2mH时为1.18V，减小幅度不大，可见继续加电感效果不明显。通过以上分析表明，在测量回路中串联一个值为0.2mH的纯电感，这样可以有效解决超量程问题，且此时电流能达到3000A，满足项目要求。
4结论
设计一种基于超级电容器的千安级电流放电回路，可以用于高压断路器的回路电阻测试，在实际测量过程遇到两个问题需要解决：一是测量电压会受干扰信号的影响，波形测量过程中存在毛刺，导致电压数值难以准确读取；二是电压测量时存在超量程问题，导致回路电阻无法准确计算。本文针对上述问题重点予以探讨和解决，结论如下：1）由于干扰信号频率远高于放电回路电压、电流信号频率，通过数字滤波可以滤除干扰信号，因此通过电磁兼容设计解决了在复杂电磁环境下测量高压断路器的回路电阻不准确的问题。2）由于电感的存在，在回路放电时将使阻抗压降接近电源电压，超过传感器量程，通过在测试回路中串联0.2mH电感的方法解决了在测试中出现端电压测试超量程的问题，同时不影响回路电流的测试要求。3）本文设计的放电回路可供新型回路电阻测试仪器设计时参考，满足在强电磁干扰现场测量微电阻的需要，可用于高压断路器合闸回路电阻测试甚至是电力系统导电连件的连接状态评估。
作者：王俊波 武利会 李国伟 谢志杨 李新 王志刚
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