柴龍，董紀(jì)圣，孫云龍，金濤，俞奕君

（浙江方圓電氣設(shè)備檢測有限公司，浙江嘉興，314000）

0 引言

根據(jù)國標(biāo)GB/T 7251.6-2015《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6 部分：母線干線系統(tǒng)（母線槽）》定義[1]，母線槽是為所有類型的負(fù)載配電和控制電能，適用于工業(yè)、商業(yè)和類似用途，導(dǎo)體系統(tǒng)形式的封閉成套設(shè)備。為保證電能安全可靠的輸送，設(shè)計(jì)人員和使用人員需要掌握母線槽每米的相導(dǎo)體特性參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在進(jìn)行母線槽電氣性能（相導(dǎo)體特性）試驗(yàn)時(shí)需要通以額定電流達(dá)到母線槽溫升穩(wěn)定時(shí)測量母線槽的電阻、電抗、阻抗等參數(shù)，傳統(tǒng)的相導(dǎo)體特性測量時(shí)需要用到電流表、電壓表、功率表，分別進(jìn)行電流、電壓和功率的讀數(shù)，然后根據(jù)換算公式計(jì)算出電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）等參數(shù)；在進(jìn)行母線槽電氣性能（故障零序阻抗）測量時(shí)同樣需要通以試驗(yàn)電流，在測量電流、電壓和功率基礎(chǔ)上，然后根據(jù)換算公式計(jì)算出電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）等參數(shù)。

上述的測量方法，存在兩個(gè)不足，一是電流表、電壓表、功率表數(shù)據(jù)在不同儀表上獲取，無法保證是同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，而電壓、電流的數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)變化的，另一方面是通過讀取數(shù)據(jù)，還需要后續(xù)的公式換算，才能得出電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）等參數(shù)，因此所得的數(shù)據(jù)精度和科學(xué)性都有待提高。

針對上述不足，我們在移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了母線槽綜合特性測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻，直接讀出電壓、電流、有功功率，并通過計(jì)算機(jī)軟件，按電阻、電抗、阻抗與電壓、電流、有功功率的相互關(guān)系的公式運(yùn)算，從而直接獲得電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z），提高了測試精度和測試效率。

1 基本原理

■1.1 電壓、電流、有功功率的相互關(guān)系

母線槽綜合特性測試系統(tǒng)直接測量每相電路的電壓、電流和功率因數(shù)，采用下式：

其中各相的功率因數(shù)，通過測量電壓超前電流的相位角獲得。既可以計(jì)算出總功率，也可以計(jì)算出各相的功率。

■1.2 電阻、電抗、阻抗與電壓、電流、有功功率的相互關(guān)系[1]

L 為母線槽的長度；θ 為周圍空氣溫度；Δθ 為相導(dǎo)體平均溫升；V12，V23，V31分別為相間電壓降的有效值；I1，I2，I3分別為各相電流的有效值；Zθ、Rθ分別為周圍空氣溫度為θ 時(shí)的單位長度阻抗、電阻；X 為單位長度電抗，其值與溫度無關(guān)的。

Z(0)bθx和R(0)bθx分別為周圍空氣溫度為θ 時(shí)，母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻；X(0)bx為母線槽故障回路的單位長度零序電抗，其值與溫度無關(guān)；Z(0)b20x、R(0)b20x分別為不運(yùn)行且其導(dǎo)體溫度為20℃時(shí)，母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻；Z(0)bx和R(0)bx分別為母線槽在周圍空氣溫度為35℃下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻。

2 母線槽綜合特性測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

母線槽綜合特性測試系統(tǒng)主要由移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置[2]和電量采集測量系統(tǒng)組成。

移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置主要由人機(jī)界面觸摸屏、可編程控制器(PLC)、帶伺服系統(tǒng)的兩級調(diào)壓器、低壓大電流變壓器、電流采樣單元(電流互感器、電流變送器、A/D轉(zhuǎn)換器)等組成[2]。

電量采集測量系統(tǒng)工作原理是先通過電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣，采用專用集成電路，對采樣電壓和電流信號進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出，然后通過單片機(jī)進(jìn)行處理、控制，把脈沖顯示為用電量并輸出。

電量采集測量系統(tǒng)由電流采樣單元、電壓采樣單元、計(jì)量芯片及單片機(jī)等組成。電流采樣單元采用電流互感器，計(jì)量芯片采用ATT7022B，它集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，是一個(gè)通用性強(qiáng)的計(jì)量芯片。單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型STM32F103xx。

基于移動(dòng)式程控交流穩(wěn)流試驗(yàn)裝置，采用的是低電壓恒流工作方式，其電壓是毫伏級或僅幾伏，因此，電壓采樣采用直接輸入方法。電量采集測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

圖1 電量采集測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3 母線槽綜合特性測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

母線槽綜合特性測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由兩大部分組成：穩(wěn)流控制系統(tǒng)軟件和電量采集測量系統(tǒng)軟件組成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框見圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

■3.1 穩(wěn)流控制系統(tǒng)軟件

穩(wěn)流控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊、特性參數(shù)計(jì)算模塊、動(dòng)作控制模塊組成。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊的設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，包含電流互感器參數(shù)設(shè)定、自動(dòng)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)定、時(shí)間設(shè)置等項(xiàng)目；特性參數(shù)計(jì)算模塊包含電量參數(shù)計(jì)算和通電時(shí)間計(jì)算，通過對電流、時(shí)間等參數(shù)比較、運(yùn)算，由動(dòng)作控制模塊控制輸入側(cè)的電源電壓，自動(dòng)調(diào)整輸出電流，達(dá)到穩(wěn)定輸出電流。

測試系統(tǒng)采用威綸通WEINVIEW MT6070iE型觸摸屏，應(yīng)用 EasyBuilder Pro 威綸通觸摸屏軟件，設(shè)計(jì)上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)。設(shè)置顯示界面見圖3；穩(wěn)流顯示界面見圖4。

圖3 設(shè)置顯示界面

圖4 穩(wěn)流和通電顯示界面

■3.2 電量采集測量系統(tǒng)軟件

將電流電壓采集信號，通過電量采集測量系統(tǒng)，將各相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等數(shù)據(jù)，通過RS485RTU 傳輸送到位機(jī)。

特性參數(shù)計(jì)算模塊采用本文基本原理的相應(yīng)計(jì)算公式，通過輸入冷態(tài)環(huán)境溫度、熱態(tài)環(huán)境溫度、母線槽溫升θ△、母線槽最高溫度θ 及母線槽長度等，選擇試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?shí)現(xiàn)同一時(shí)刻采集的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、頻率等電性能參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算和顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸出相應(yīng)的功率、電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）。母線槽綜合特性測試系統(tǒng)顯示界面見圖5。

圖5 母線槽綜合特性測試系統(tǒng)顯示界面

4 實(shí)際應(yīng)用與數(shù)據(jù)比對

■4.1 實(shí)際應(yīng)用

通過對300A 母線槽在母線槽綜合特性測試系統(tǒng)試驗(yàn)，直接獲得以下數(shù)據(jù)。見圖6。

說明：圖 6 為300A 母線槽實(shí)際測量數(shù)據(jù)。其中顯示屏上部分的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、頻率為實(shí)際動(dòng)態(tài)測量顯示數(shù)值，顯示屏中間部分是根據(jù)實(shí)際測量數(shù)值和人工輸入值計(jì)算得出的結(jié)果值，顯示屏左下部分為人工輸入數(shù)值，包含冷態(tài)環(huán)境溫度和熱態(tài)環(huán)境溫度為周圍空氣溫度，θΔ表示為母線槽的溫升，θ1表示為母線槽的溫升加上基準(zhǔn)環(huán)境溫度（一般為35℃），L 和LPN為母線槽的長度。

圖6 300A 母線槽測試數(shù)據(jù)

■4.2 數(shù)據(jù)比對

為了分析本裝置的測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們在母線槽通電試驗(yàn)時(shí)，在采用本試驗(yàn)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)，分別采用傳統(tǒng)表頭法和日本橫河WT1804E 高精度功率分析儀（0.5 級）測量電壓、電流和功率，并根據(jù)本文基本原理中的公式進(jìn)行電阻、阻抗、電抗計(jì)算。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同測試裝置的數(shù)據(jù)結(jié)果比較

由表1 可見，本試驗(yàn)系統(tǒng)和日本橫河WT1804E 高精度功率分析儀獲得的數(shù)值比較接近，而與傳統(tǒng)的電壓表、電流表、功率表表頭獲得的數(shù)據(jù)比較，數(shù)值的誤差比較大，但在5%以內(nèi)。

5 結(jié)語

母線槽綜合特性測試系統(tǒng)將低壓大電流穩(wěn)流系統(tǒng)和測量系統(tǒng)主要功能集成一體，為母線槽溫升試驗(yàn)的恒流條件及其相導(dǎo)體特性參數(shù)（電阻、電抗、阻抗）的測量精度提供保障；本系統(tǒng)通過同一時(shí)刻實(shí)時(shí)測量電壓、電流、有功功率的方案，彌補(bǔ)了不同電表無法同一時(shí)刻測量數(shù)據(jù)的不足。同時(shí)，可以通過采集的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)算并集中顯示在人機(jī)界面上，自動(dòng)化程度提高，測量結(jié)果更加科學(xué)可靠。該測試系統(tǒng)將操作方便，有效提高檢測效率。