周 蠡，魯鐵成，羅容波，張 博，萬家偉，余光凱，胡泰山

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.廣東供電公司 佛山供電局有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

氣體絕緣組合電器（GIS）由于具有體積小、占地面積少和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但每年因GIS故障而導(dǎo)致的電網(wǎng)事故，給國民經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的損失。2010年4月，佛山供電局轄區(qū)世龍站發(fā)生單相短路故障，導(dǎo)致GIS觸頭燒蝕；2010年6月丹桂站母線發(fā)生三相短路，電弧導(dǎo)致母線燒蝕。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，投運(yùn)前采用傳統(tǒng)回路電阻測量方法測量的回路電阻數(shù)據(jù)合格，但是在投運(yùn)后事故仍然發(fā)生[1-10]。因此，精確測量GIS觸頭的回路電阻，將有利于降低GIS故障的發(fā)生概率，對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行尤為重要。

目前，回路電阻測量主要難在測量電流較小導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測量GIS觸頭的接觸電阻，而提高測量電流將導(dǎo)致設(shè)備過重，不便于現(xiàn)場試驗(yàn)。常用的直流電流源回路電阻測量儀，雖然電流穩(wěn)定、便于測量，但只能輸出100～600 A的電流，要產(chǎn)生更大的電流，設(shè)備成本和重量都將大幅增加，導(dǎo)致其便攜性差，不利于現(xiàn)場檢修試驗(yàn)的開展?；陔娙蓦姼薪M成二階振蕩電路[11]的測量方法，雖可通過采樣電流峰值附近的信號(hào)消除電感對測量結(jié)果造成的影響，但是其產(chǎn)生的電流峰值也僅為100 A，而且持續(xù)時(shí)間較短，對消除觸頭的表面膜不利。工頻交流電流源進(jìn)行接觸電阻的測量時(shí)，感應(yīng)電壓會(huì)影響測量的準(zhǔn)確性。采用電解電容作為電源時(shí)，需要大量的電容串并聯(lián)才能輸出大電流，仍不能解決體積和重量的問題。

上述測量方法都有一定的局限性，因此本文提出采用基于超級電容器的沖擊電流源，對接觸電阻進(jìn)行測量。超級電容器具有特大電容量、內(nèi)阻小、充放電速率高、安全系數(shù)高和長期使用免維護(hù)等優(yōu)良特性，能夠滿足現(xiàn)場產(chǎn)生千安級電流的要求且方便攜帶[12-18]。

1 回路電阻測量原理

本文構(gòu)建的基于超級電容器的測量回路，如圖1所示。圖中，C為超級電容器的電容，C=165 F；r為超級電容器的內(nèi)阻，r=6.3 mΩ；VD0為晶閘管；R0為分流器，R0=75 μΩ；L1和R1分別為測量引線的電感和電阻；L和R分別為被測GIS的電感和電阻。

圖1 基于超級電容器的測量回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring circuit based on super-capacitor

首先將超級電容器充電到所需電壓，觸發(fā)VD0導(dǎo)通后，電容C經(jīng)主放電回路放電，測量回路將產(chǎn)生幅值為千安級的沖擊電流；將測量得到的分流器兩端的壓降轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)、GIS觸頭兩端的壓降作為電壓信號(hào)，可計(jì)算得到接觸電阻的大小。圖2為充電電壓為10V時(shí)放電電流幅值和被測元件的端電壓幅值。

圖2 充電電壓為10 V時(shí)放電電流及被測元件端電壓波形Fig.2 Waveforms of discharging current and terminal voltage when charging voltage is 10 V

被測元件的壓降 u（t）與回路作用電流 i（t）的關(guān)系為：

其中，R和L分別為某一時(shí)刻被測元件的電阻和電感。

圖1所示的測量回路中，回路電感主要是被測對象的連線電感，測量的前幾毫秒，測量端的電壓接近電容器的充電電壓，此時(shí)電感的壓降遠(yuǎn)大于接觸電阻的壓降；而當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)，di（t）／dt接近為 0，此時(shí)測量端的壓降信號(hào)為純電阻壓降，該電阻的大小將主要反映導(dǎo)電桿觸頭接觸狀況。根據(jù)式（1）進(jìn)行推導(dǎo)，得到接觸電阻的計(jì)算表達(dá)式為：

其中，m為采樣點(diǎn)；Δt為采樣間隔；L可通過不同幅值電流的測量結(jié)果計(jì)算得到；u（m）和i（m）可通過測量得到；Δt為采樣頻率的倒數(shù)。

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)主要由工控機(jī)、充電模塊、主放電回路、電壓隔離傳感器以及數(shù)字信號(hào)處理模塊等組成。圖3為系統(tǒng)硬件原理框圖。

圖3 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.3 Block diagram of system hardware

如圖3所示，工控機(jī)通過串口控制充電電壓與充電電流后發(fā)出充電指令，充電模塊對超級電容器充電；充電完畢后，充電回路自動(dòng)斷開；工控機(jī)發(fā)出觸發(fā)指令，晶閘管導(dǎo)通，超級電容器對回路放電；電壓與電流信號(hào)通過電壓隔離傳感器進(jìn)行放大；放大后的信號(hào)進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理模塊，并將接收到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)結(jié)果并生成報(bào)表。

2.2 超級電容器

超級電容器是構(gòu)成系統(tǒng)電源的核心部件，是一種介于電池與普通電容之間的無源器件，具有電容的大電流快速充放電特性，同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性，并且重復(fù)使用壽命長，放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源。

超級電容器的電容量（C）、超級電容器的內(nèi)阻（r）以及充電電壓（Uc）是影響放電電流波形以及幅值的主要因素。通過ATP仿真計(jì)算，得到不同因素對測量回路放電電流的影響。表1—3分別為不同條件下，回路中的放電電流峰值。由表1—3可知：當(dāng)超級電容器內(nèi)阻和充電電壓一定時(shí)，電容量越大，放電電流的峰值就越大；當(dāng)超級電容器電容量和充電電壓一定時(shí)，內(nèi)阻越小，放電電流的峰值就越大；當(dāng)超級電容器電容量和內(nèi)阻一定時(shí)，充電電壓越大，放電電流的峰值就越大。因此，選取超級電容器的原則是電容量要大且內(nèi)阻要小，并可以通過增加充電電壓提高放電電流的峰值[19-25]。

表1 不同超級電容器電容量下，回路中放電電流峰值（r=6.3 mΩ，Uc=30 V）Table 1 Peak value of discharging current for different values of C，when r=6.3 mΩ and Uc=30 V

表2 不同超級電容器的內(nèi)阻下，回路中放電電流峰值（C=165 F，Uc=30 V）Table 2 Peak value of discharging current for different values of r，when C=165 F and Uc=30 V

表3 不同充電電壓下，回路中放電電流峰值（C=165 F，r=6.3 mΩ）Table 3 Peak value of discharging current for different values of U，when C=165 F and r=6.3 mΩ

在充分考慮現(xiàn)場測量要求以及便攜性的基礎(chǔ)上，本文采用電容量為165 F、內(nèi)阻為6.3 mΩ的超級電容器，其質(zhì)量為13 kg。在一般現(xiàn)場試驗(yàn)條件下，該超級電容器能滿足產(chǎn)生千安級峰值電流的要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集

基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)，選用適當(dāng)量程和高響應(yīng)速度的電壓隔離傳感器保證數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度，提高數(shù)據(jù)采集卡的利用率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離。利用差分通道采集經(jīng)電壓隔離傳感器放大過的2路信號(hào)，并將信號(hào)接地連接到低電壓輸入端，以避免共模電壓引起的接地環(huán)路噪聲。數(shù)字信號(hào)處理模塊采用16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其采樣頻率為250 kHz，并采取“先采集、先存儲(chǔ)、后處理”的模式，保證了回路電阻測量系統(tǒng)抗干擾和高速采樣的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)的軟件部分采用Labview圖形化編程語言開發(fā)，系統(tǒng)主要功能模塊包括：充／放電控制、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生成報(bào)表等，程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flowchart of system software

試驗(yàn)時(shí)將測量的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)內(nèi)容包括變電站名稱、被測對象名稱、試驗(yàn)時(shí)間、回路電流波形、電壓波形以及回路電阻值，用戶可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)置測量參數(shù)。軟件集成了試驗(yàn)對象的歷史數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)年、季度、月份、日等選項(xiàng)查詢數(shù)據(jù)，以便用戶直觀了解GIS觸頭的歷史測量數(shù)據(jù)，方便安全維護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試

以100 μΩ分流器模擬被測導(dǎo)電連接件，試驗(yàn)?zāi)康脑谟谠u估基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。另外，在充電電壓為30 V時(shí)，測量不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，驗(yàn)證測量系統(tǒng)在不同測量范圍內(nèi)的測量準(zhǔn)確性，為測量裝置的主要技術(shù)指標(biāo)的提出提供依據(jù)。在不同的充電電壓下，分別進(jìn)行5組試驗(yàn)，放電電流峰值、回路電阻值以及測量相對誤差如表4所示。測量系統(tǒng)對60～1500 μΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻的測量結(jié)果及相對誤差如表5所示。

表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)的放電電流峰值，隨著充電電壓的增加而增大，當(dāng)充電電壓大于等于15 V時(shí)，放電電流峰值超過了千安級；測量數(shù)據(jù)的分散性較小，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。由于本系統(tǒng)計(jì)算回路電阻時(shí)選擇的是當(dāng)電流達(dá)到最大值的時(shí)刻，此時(shí)di（t）／dt接近為0，而不是完全等于0，因此測量結(jié)果有一定的誤差。但是根據(jù)測量結(jié)果，在不同充電電壓下，測量結(jié)果的相對誤差均在1%以內(nèi)，測量精度較高。

表4 100 μΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻的測量結(jié)果Table 4 Measuring results for standard resistor of 100 μΩ

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)電阻下測量結(jié)果Table 5 Measuring results for different standard resistors

由表5數(shù)據(jù)可知，在測量范圍為60～1500 μΩ、充電電壓為30 V時(shí)，測量結(jié)果的相對誤差均在0.5%以內(nèi)。而GIS觸頭的回路電阻范圍也正是位于此區(qū)間（幾十至幾百微歐），因此，該測量系統(tǒng)能夠滿足工程實(shí)際需要。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)布置

針對某在建500kV變電站的GIS進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)回路包括母線側(cè)接地刀閘、斷路器、電流互感器、線路刀閘和線路接地刀閘。試驗(yàn)中，還將可調(diào)節(jié)插入深度的彈簧觸頭與新建的GIS間隔串聯(lián)構(gòu)造故障狀態(tài)，并對GIS間隔的接觸狀態(tài)進(jìn)行評估。故障狀態(tài)示意圖如圖5所示。被測的GIS間隔總長為18.5m，測量引線共10 m，對B相進(jìn)行測量，其回路電阻允許的管理值范圍為225～345 μΩ。

為了驗(yàn)證基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)測量的有效性，將本文系統(tǒng)測量結(jié)果與常規(guī)直流回路電阻測試儀測量結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5 GIS故障狀態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram of GIS fault

5.2 測量結(jié)果及分析

5.2.1 GIS間隔測量結(jié)果

針對某在建500 kV變電站內(nèi)多間隔GIS設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，對比測量結(jié)果見表6。采用常規(guī)直流測試儀進(jìn)行測量時(shí)，隨著直流電流從100 A增至600 A，回路電阻逐漸增大；采用本文測量系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí)，隨著作用電流幅值達(dá)到千安級，回路電阻基本趨于穩(wěn)定。利用管理值判斷可知，2種測量系統(tǒng)測得的結(jié)果均在允許范圍之內(nèi)，表明GIS觸頭接觸狀態(tài)良好。

由表6可知，GIS觸頭接觸狀態(tài)良好時(shí)，采用常規(guī)直流測試儀測量的結(jié)果較分散，而采用本文測量系統(tǒng)測量的結(jié)果穩(wěn)定性高，回路電阻值基本不變。這是因?yàn)楫?dāng)GIS觸頭正常連接時(shí)，接觸面處的接觸點(diǎn)數(shù)足夠多，其呈現(xiàn)的回路電阻很小，在通過額定及以下電流時(shí)，接觸斑點(diǎn)處的溫升不超過允許值，回路電阻變化不大。其次基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)能產(chǎn)生千安級的作用電流，在復(fù)雜電磁環(huán)境下利用千安級的作用電流測量，抗干擾能力較強(qiáng)。

5.2.2 GIS間隔與觸頭串聯(lián)測量結(jié)果

將上述多間隔GIS設(shè)備與可構(gòu)造故障的彈簧觸頭串聯(lián)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。彈簧觸頭的接觸壓力主要體現(xiàn)在主觸頭里鑲嵌的2根彈簧上，由彈簧觸頭的結(jié)構(gòu)尺寸可知，當(dāng)插入深度為33～63 mm（63 mm時(shí)為完全插入）時(shí)，2根彈簧都作用在右側(cè)觸頭上，接觸壓力不變；當(dāng)插入深度小于33 mm時(shí)，只有1根彈簧作用在右側(cè)觸頭上，接觸電阻會(huì)有明顯的變化；當(dāng)插入深度小于21 mm時(shí)，觸頭不與彈簧接觸，接觸電阻會(huì)明顯增大。測量結(jié)果對比如表7所示。

當(dāng)該GIS間隔與彈簧觸頭串聯(lián)時(shí)，由于串聯(lián)連接處的連接電阻較大，導(dǎo)致測量時(shí)總的回路電阻阻值較大；當(dāng)觸頭插入深度為28mm時(shí)，由于常規(guī)直流測試儀的功率較小，不能夠產(chǎn)生600 A的放電電流。

當(dāng)GIS間隔與接觸良好的觸頭連接時(shí)，采用常規(guī)直流測試儀測量的回路電阻隨著直流電流幅值的增加逐漸增大，測量結(jié)果分散；采用本文測量系統(tǒng)，隨著作用電流幅值達(dá)到千安級，回路電阻的測量結(jié)果基本穩(wěn)定。

當(dāng)GIS間隔與故障觸頭連接時(shí)，隨著作用電流幅值的增加，回路電阻逐漸增大。相對常規(guī)直流測試儀，采用本文測量系統(tǒng)測量的回路電阻變化明顯，特別當(dāng)觸頭插入深度為28 mm時(shí)，測量值明顯增大，反映了觸頭存在故障。這是因?yàn)楫?dāng)GIS觸頭連接出現(xiàn)故障時(shí)，接觸處的接觸點(diǎn)數(shù)會(huì)大幅度下降，其呈現(xiàn)的回路電阻將增大；當(dāng)連接處通過的電流較大而接近額定電流時(shí)，由于局部溫度升高會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)變軟，失去導(dǎo)電性能，甚至導(dǎo)致接觸處的接觸斑點(diǎn)熔融，GIS觸頭的回路電阻變化明顯。

表6 本文系統(tǒng)與常規(guī)直流測試儀測量結(jié)果對比Table 6 Comparison of measuring results between proposed system and traditional DC loop resistance tester

表7 GIS故障狀態(tài)下，本文系統(tǒng)與常規(guī)直流測試儀測量結(jié)果對比Table 7 Comparison of measuring results between proposed system and traditional DC loop resistance tester when GIS is in faulty condition

6 結(jié)論

a.本文研制了以超級電容器為核心的回路電阻測量系統(tǒng)的充電模塊和基于千安級沖擊電流的回路電阻測量系統(tǒng)。

b.試驗(yàn)結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)能夠產(chǎn)生千安級的沖擊電流，測量穩(wěn)定性高，測量結(jié)果準(zhǔn)確，相對誤差在1%以內(nèi)。

c.現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)比常規(guī)直流測試儀有更高的測量精度與靈敏度，更容易發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電連接件接觸不良的問題，且抗干擾能力更強(qiáng)。