0 引言
高壓開關(guān)主要是用于關(guān)合及開斷正常的或有故障的電路?也可以用來隔離高壓電源?它是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備。由于高壓開關(guān)在電力系統(tǒng)中肩負(fù)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)?其性能的可靠性程度將對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用?所以對(duì)高壓開關(guān)的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)的可靠性進(jìn)行評(píng)估十分必要?其中導(dǎo)電回路電阻即接觸電阻是這些參數(shù)中*重要的參數(shù)之一。高壓開關(guān)的觸頭接觸面經(jīng)過多次的開斷、關(guān)合電流后逐漸被電磨損?導(dǎo)致接觸電阻增大?這對(duì)高壓開關(guān)的開斷和導(dǎo)電性能都會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響。而通過測(cè)量接觸電阻阻值可以估計(jì)出觸頭的磨損程度和回路的接觸狀況。
接觸電阻一般是微歐級(jí)的小電阻。目前*常用的接觸電阻測(cè)量方法是直流電壓降法?即向高壓開關(guān)通入100 A 以上的恒定大電流?測(cè)量高壓開關(guān)兩端的電壓降?根據(jù)歐姆定律計(jì)算出高壓開關(guān)的接觸電阻值。然而?在長(zhǎng)時(shí)間通入恒定大電流時(shí)?容易使觸頭過度發(fā)熱和加速氧化?從而引起接觸電阻測(cè)量值的附加誤差?而且通常使用的大電流發(fā)生器體積和重量都比較大（一般在幾千克到十幾千克左右）?不利于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用。因此?設(shè)計(jì)一種既能保證在接觸電阻上引起的附加電阻非常小、又能夠減小測(cè)試儀器的體積和重量的新型電源工作方式?有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
筆者采用脈沖電源測(cè)量接觸電阻、智能化嵌入式系統(tǒng)采集和處理數(shù)據(jù)的方法?設(shè)計(jì)出一種在**度和穩(wěn)定度都滿足要求的前提下便于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)使用的高壓開關(guān)接觸電阻測(cè)試儀。
1 高壓開關(guān)接觸電阻測(cè)試儀原理
脈沖電源接觸電阻測(cè)量方法即采用脈沖電源對(duì)電容充電?然后該充電電容對(duì)串聯(lián)的二階電路進(jìn)行放電?產(chǎn)生的沖擊電流即為脈沖電源的脈沖輸出電流?測(cè)量原理框圖如圖1所示（虛線框內(nèi)為脈沖電源部分）。測(cè)量過程主要分為充電過程、放電過程、數(shù)據(jù)采集處理過程（數(shù)據(jù)采集是在放電過程中完成的）以及結(jié)果顯示。
圖1中?首先由 LPC2378控制充電回路繼電器開關(guān) K1 閉合?放電回路可控硅開關(guān) K2 斷開?使得可控電源給電容器 C 充電?充電完成后?LPC2378控制充電回路繼電器開關(guān) K1 斷開?放電回路可控硅開關(guān) K2 閉合?此時(shí)電容器 C 放電產(chǎn)生一個(gè)沖擊電流至高壓開關(guān)和分流器?同時(shí) LPC2378通過A／D轉(zhuǎn)換器連續(xù)采集分流器兩端電壓和高壓開關(guān)兩端電壓?并通過軟件編程來判斷放電電流是否達(dá)到峰值。
峰值電壓是通過采集高壓開關(guān)兩端的電壓得到的?峰值電流是通過采集分流器兩端的峰值電壓除以分流器電阻得到的?這樣?就可得到高壓開關(guān)接觸電阻
兩端的電壓和通過的電流?進(jìn)而得到高壓開關(guān)的接觸電阻阻值。
電流、電壓信號(hào)采集部分均使用了四端子接線技術(shù)：使用2對(duì)測(cè)試夾測(cè)量高壓開關(guān)兩端電壓?電流引線接在導(dǎo)電桿外側(cè)（圖1中2和2＇ 點(diǎn)處）?電壓引線接在導(dǎo)電桿內(nèi)側(cè)（圖1中1和1＇ 點(diǎn)處）；測(cè)量放電回路電流時(shí)?采用具有4個(gè)端子的標(biāo)準(zhǔn)電阻－－－分流器?分流器中2個(gè)大的端子是電流端子?與被測(cè)高壓開關(guān)串聯(lián)?2個(gè)小的端子是電壓端子?通過采集這2個(gè)小的端子之間的電壓信號(hào)可確定放電回路的電流。采用四端子接線技術(shù)可有效地消除引線電阻和測(cè)試夾接觸電阻的影響?提高測(cè)量精度。
2 高壓開關(guān)接觸電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)
為了提高測(cè)量精度和儀器的抗干擾能力?該測(cè)試儀在硬件上選用的是飛利浦公司生產(chǎn)的 ARM7核的工業(yè)級(jí)32位處理器 LPC2378?LPC2378具有512KB 的片內(nèi) FLAS H?*高頻率可達(dá)72 M Hz；在軟件上采用平滑濾波方法?以消除部分受干擾的數(shù)據(jù)。
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
該測(cè)試儀的硬件電路主要分為2個(gè)部分：一是脈沖電源部分?主要包括充、放電回路和可控硅及繼電器等；二是以 LPC2378為中心的數(shù)據(jù)采集部分?主要包括信號(hào)調(diào)理、A／D 轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、人機(jī)接口等電路。
（1） 脈沖電源部分
如圖2所示?220V 交流電先經(jīng)過隔離變壓器進(jìn)入到 J1 兩端?然后經(jīng)二極管 D0 進(jìn)行半波整流?通過 LPC2378的 P2．1口控制繼電器開關(guān) K1 對(duì)電解電容 C1 進(jìn)行充電。二極管 D2 用來限制 C1 放電電流的方向?防止 C1 被反向充電。電阻 R1 為充電限流電阻。充電過程中?繼電器開關(guān) K1 閉合?可控硅開關(guān) K2 斷開?當(dāng) C1 兩端電壓達(dá)到所需的電壓值時(shí)?通過 A／D 轉(zhuǎn)換器不斷檢測(cè)分壓電阻 R3 兩端電壓以判斷充電是否完成。斷開繼電器開關(guān) K1、閉合可控硅開關(guān) K2?則 C1 便開始對(duì)后面的電路進(jìn)行放電。放電開始的同時(shí)進(jìn)行分流器和被測(cè)高壓開關(guān)兩端電壓信號(hào)的采集任務(wù)。
（2） 數(shù)據(jù)采集部分
由于分流器兩端電壓信號(hào)為毫伏級(jí)?為減少測(cè)量誤差?選用 INA114儀用放大器?INA114具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、低溫漂、高共模抑制能力、低
失調(diào)電壓、高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。A／D 轉(zhuǎn)換器選用12位的逐次逼近型 MCP3204?MCP3204具有4個(gè)通道?可分別檢測(cè)分壓電阻 R3 兩端電壓、分流器兩端電 壓 和 高 壓 開 關(guān) 兩 端 電 壓?采 樣 速 率 達(dá)100kbit／s。信號(hào)隔離采用常用的 T LP512隔離芯片。人機(jī)接口電路選用 HG240128液晶顯示模塊?該模塊支持字符顯示?帶溫度補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)解背光?抗干擾性較強(qiáng)?有240×128個(gè)點(diǎn)?可直觀顯示測(cè)量結(jié)果。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
由于在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集數(shù)據(jù)?還要處理采集的數(shù)據(jù)、判斷電流、電壓峰值?所以軟件設(shè)計(jì)是該測(cè)試儀的一個(gè)重要部分?其主程序流程如圖3所示。
主程序的功能主要是進(jìn)行脈沖電源的充放電控制?調(diào)用各子程序模塊并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出所要測(cè)量的高壓開關(guān)接觸電阻阻值。
（1） 初始化：包括 CPU 的輸入、輸出端口初始化、液晶顯示初始化以及定時(shí)器初始化等。
（2） 采集信號(hào)：不斷采集分流器、高壓開關(guān)（斷路器）兩端電壓?進(jìn)行 A／D 轉(zhuǎn)換后送入 CPU?由于要判斷電流峰值?所以放電過程中要連續(xù)采集20次
分流器兩端電壓?采集次數(shù)主要與 CPU 頻率和A／D轉(zhuǎn)換頻率有關(guān)?采集次數(shù)越多?結(jié)果越**。采集的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)以供數(shù)據(jù)處理用。
（3） 處理數(shù)據(jù)：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理?然后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理?*后得到放電回路中的峰值電流和峰值電流時(shí)刻高壓開關(guān)兩端電壓值?進(jìn)而得到高壓開關(guān)接觸電阻阻值。
（4） LCD 顯示結(jié)果：主要調(diào)用顯示子程序?qū)z測(cè)到的電流值繪制成曲線以及顯示接觸電阻阻值。
3 高壓開關(guān)接觸電阻測(cè)試儀的技術(shù)性能指標(biāo)
供電電壓：AC220V；
測(cè)試對(duì)象：高壓開關(guān)、接觸器等開關(guān)器件的接觸電阻；
測(cè)量范圍：1～5000μΩ；
測(cè)試電流（峰值）：100～500A；
分辨率：1μΩ；
準(zhǔn)確度：0．2％。
4 結(jié)語
本文采用脈沖電源?結(jié)合嵌入式系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理中的速度優(yōu)勢(shì)?設(shè)計(jì)出一種在**度和穩(wěn)定度都滿足要求的前提下?便于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)使用的高壓開關(guān)接觸電阻測(cè)試儀。實(shí)際應(yīng)用表明?該測(cè)試儀在測(cè)量精度和穩(wěn)定性上比采用傳統(tǒng)測(cè)量方法有了較大的提高?且體積小、重量輕?給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試帶來了方便?有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。
