35kV及其以下电力电缆导体连接金具电阻测试设备设计与应用

／　Ｔ●ｕ　●Ｉ　３５ｋＶ及其以下电力电缆导体连接金具电阻测试设备设计与应用　ａ　Ｓ　ｎ　ｇ　Ｕ　华颖，鲍振宇　ｎ　Ｉ　Ｓ　　（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏南京，２１４２Ｏ０）　ｔ．１　　ｔＵ　Ｃ　ｅ　摘要：ＧＢ／Ｔ　９３２７—２００８规定了国内用于３５ｋＶ电力电缆导体的压接式、机械式连接金具相关试验方法和要求，其中关于连接　Ｏ　金具电阻测量给出了很高的要求。本文根据标准所提出的间接测量的方式，使用“欧姆定律”原理，利用ｓｔｍ３２作为嵌入式平台　Ｆ　ｐ　设计制作了全自动连接金具电阻测量装置，并与传统ＱＪ３６电桥进行了测量比对。　ｒ　关键字：连接金具；电阻测量；嵌入式开发　Ｏ　ｄ　Ｕ　Ｃ　Ｃ　Ｄｅｓｉｅｓｉｇ　ａ　ｑｎ　ｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆＯｔ　ｒｅｓｉｉｓｔａｎｃｅ　ｓｔａｎｃｅ　ｔｅｓｔｉｔｅｓｔ　ｎ　ｅ　ｕ　ｐｍｅｎｔｎｇ　ｅｑｕｉｌ　　ｆｏ　３５ｋＶ　ｔｏｒ　３５ｋＶ　ａｎｄａｎｄ　ｂｅｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃａ　ｂｌｅ　ｃｏｎｄ　ｕｃｔｏｒ　ｃｏｎ　ｎｅｃｔｏｒ　ｑ　Ｕ　Ｌ．ａ　　１　Ｈ　Ｕ　ｔ　Ｓ　ｙ　ａ　．１　ｙ　ｈ　Ｕ　ｎ　ｇ　，　ｅ　ｒ　●ＬＶ　　Ｂａ　　．１　Ｓ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＧＢ／Ｔ　９３２７—２００８　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｌｅｖａｎｔ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｔｙｐｅ　ａｎｄ　Ｏ　Ｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｆｉｔｔｉｎｇｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　３５ｋＶ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｂ１ｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｃｈｉｎａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｎ　Ｚ　ｏｆ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ“Ｏｈｍ’ｓ　ｌａｗ”ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＳＴＭ３２　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｓ　ｈ　ａ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｆｉｔｔｉｎｇｓ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｎ　ｄ　ｅ　ｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉ　ｔ　ｉｏｎａｌ　ＱＪ３６　ｂｒｉｄｇｅ．　Ｕ　．１　ｙ　ｎ　Ｓ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｈａｒｄｗａｒｅ：ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｄｅｖｅ１ｏｐｍｅｎｔ　ｐ　ｅ　Ｃ　　　ｔ●Ｌ０引言　Ｏ　ｎ　ＴＪ　．１　２装置设计思路　设计的装置主要用于３５ｋＶ及其以下的电力电缆导体连接金　ＧＢ／Ｔ　９３２７—２００８规定了国内用于３５ｋＶ及其以下电力电缆　ｇ　ａ　导体的压接式、机械式连接金具相关试验方法和要求，其中关于　具的电阻测量，目前我国常用的３５ｋＶ及其以下电力电缆截面一　ｎ　Ｓ　连接金具电阻测量可以选择使用间接式或直接式测量设备进行　般最大为６３０ｍｍ　，特殊情况下在这个电压等级会出现更大截面，　Ｕ　测量，综合考虑标准其他的各类要求，计划设计制造一款全自动　Ｎ　故装置测量的容量设计为最大适应１０００￣　铜导体测量，覆盖可　ａ　ｎ　间接式电阻测量装置，用于完成该项测量。　．１Ｊ　．１ｉ　能遇到的所有试验样品。　标准中提到了电阻间接测量及直接测量的两种方式，一般进　１标准要求的电阻试验方法及要求　【ｎ　ｇ　２　ＧＢ／Ｔ　９３２７—２００８的６．２章节“测量’，ｊｃ寸电阻试验方法做出了　　行导体电阻测量时使用的双臂电桥，其通过调节桥臂电阻使得检　流计平衡的方式，就是一种典型的电阻直接测量方式。而此次设　计的装置则是使用了标准推荐的问接法测量，即利用“欧姆定律”　原理，测量连接金具两端电压、电流后计算得出电阻值。　４　明确的要求，包括了：　度都需要稳定，环境温度应为１５℃～３０℃。　２　０　、　１）电阻测量需要在稳定无风环境中进行，环境及试验回路温　２）进行电阻测量时，应记录连接金具和基准导体的温度，并　将电阻值修正至２Ｏ℃。　３）电阻测量时，需要正反各测一次求平均，己消除热电势带　来的影响。　Ｏ　根据热循环试验的经验数据，ＹＪＶ　２６／３５ｋＶ　ｌ＊６３０ｍｍ。电缆　样品进行热循环试验时能够将导体温度稳定在９５℃所需的电流　为１０００　１２００Ａ（热循环试验不代表该电缆实际载流量）。则根据　ＧＢ／Ｔ　９３２７—２００８的要求，电阻测量时应使用热循环电流１０％的　直流电流，选择最大输出２Ｖ／２５０Ａ的可调恒流源，能够满足试验　需求，并具有良好的检测能力裕量。　查询ＧＢ／Ｔ　３９５６—２００８第２类圆形紧压铜导体，６３０ｍｍ。这　一４）电阻间接读取时，电压测量精度不低于±０．５％或　±１Ｏ　Ｖ，取精度较高值。电流测量精度不低于±０．５％或　±０．１Ａ，取精度较高值。　５）电阻直接读取时，电阻测量精度应不低于±１％或　±０．５　ｕ　Ｑ，取精度较高值。　电阻测量是在热循环试验将导体及金具加热至９Ｏ℃的情况　规格电阻最大值为０．０２８６　Ｑ／ｋｍ，我们用于试验测量的连接金　具一般长度短于３００ｍｍ，及所测目标电阻最大为８．５８　ｕ　Ｑ，施加　１２０Ａ电流后，需要测量的端电压为ｉ０２９．６　Ｖ，精度要求±０．５％　下进行的，停止热循环后导体及金具温度下降速度很快，只有使　用全自动的仪器才能够在最短时间内完成测量，并在测量后实时　将电阻值换算至２０℃，才能最大程度避免测得电阻与导体及金　具温度不匹配导致的试验无效。　或±１Ｏ　ｕ　Ｖ，取精度较高值。根据这样的要求和预计电气参数，需　要设计一只放大器，将微伏级信号至少放大至毫伏级用于直接测　量，而此类高倍率高灵敏度的放大装置往往存在温度波动带来的　偏差，所以还需要设计制作一个基准信号源用于在每次实验之前　对设备进行校准和调零。　２０ｌ７．０７　设计与研发　最后该套装置还应具有导体及连接金具温度实时采样的功　另一只用于反向输出，在总放大倍数的情况下放大“一１”倍。设计　能，以及可视化的操作界面。　双向输出主要是为了方便地进行正反向测量。第二级放大器及反　向输出放大器设计了“Ｚｅｒｏｌ、Ｚｅｒｏ２”两个调零电位器，用于每次　试验前的放大器调零。外接的５针接口通过板载继电器组由上位　３装置原理及组件设计　３．１恒流源　该套装置使用到的恒流源设计为：空载输出最大Ｄｃ　２Ｖ，最　机自动选择需要的放大倍数。　大输出电流ＤＣ　２５０Ａ，使用高精度分流器进行恒流采样，电流精　度±０．５％或±０．ＩＡ，取精度较高值。同时恒流源具有串口通讯　功能，适应Ｍｏｄｂｕｓ通讯协议，能够通过内部寄存器的读写确保上　位机有效控制电流输出及实际电流反馈。　此类恒流源有电源设计研发企业提供成熟稳定的产品，故不　做过多赘述。　３－３基准信号源　试验过程中，放大器需要使用该基准信号源进行调零和校　准。基准信号为微伏级，输出范围为微伏至百微伏。基准信号源设　计如图２所示。　３．２信号放大器　微伏级（ｕ　Ｖ）信号的准确测量是该装置的最大难题，由于信　号过小，常规的测量仪表都不能够直接测量，且接触热电势、热电　偶效应、通信信号干扰等都会对试验结果造成影响。　经过技术可行性分析，设计制作一个可以多档位调节，最大　可以放大１０００倍的信号放大器，然后使用ＡＤ转换进行读取。　为了避免电源纹波带来的干扰，放大器的设计使用了９ｖ电　池供电。根据功耗计算，２节９Ｖ电池可保证５００次以上的间断　使用（每次试验时实际使用时间很短，不超过５分钟）。　选用金属制密封盒作为电场屏蔽，安装电路板。　选用高精度仪表级运放作为放大器件，选用高精度的电阻，　并设计２级调零。放大器电路图如下图１所示。　图２基准信号源设计电路　基准信号源使用一节从电池供电，使用“ｉｍ３８５—１．２”作为　基准电压输出。“Ｉｍ３８５一１．２”是一款高精度的电压基准稳压管，使　图１放大器设计电路　电路设计有两级放大，并有一级放大倍数为　１”的反向输　出，能够输出正负两路被测信号。　用１．５Ｖ供电后，能够提供典型值为１．２０５～１．２６０Ｖ的基准电　压。需要对采购的“ｉｍ３８５—１．２’’进行测量，输出电压为１．２３８Ｖ。通　过外接的继电器组由上位机自动选择需要的校准信号值，输出　“１．１０５　ｕ　Ｖ、５．ｉ５８　Ｖ、ｉ０．３ｌ６　ｕ　Ｖ、２５．７９ｌ　Ｖ、５０５８１　Ｖ、　．输入信号使用二极管消除可能存在的高幅值的干扰信号，并　通过共模电感滤除共模干扰。第一级放大器选用了一片“ＩＮＡＩ２８”　仪表运算放大器，该级放大器直接将信号放犬　５００”倍之后输　出，至第二级放大器。第二级放大器同样选用了一片高精度运放，　１０３．１５８　ｕ　Ｖ”，基准信号覆盖范围较大，能够满足校准需求。　３．４上位机及界面显示　管理上位机选用ｓｔｍ３２ｆｌ系列单片机作为嵌入式平台核心，　内含２只运放主体。一只用于第二级放大，通过外接的５针接　口选择放大倍数，电阻匹配的放大倍率为　‘０．２Ｘ、一０．５Ｘ、一ｌＸ、一　ｓｔｍ３２是一款由“ｓＴ”公司出品的基于Ｃｏｎｔｅｘ－Ｍ３内核的３２位单　依托其便捷免费的开发环境，非常适　ｉ０￣”，与第一级配合总放大倍数为“ＩＯＯＸ、２５０Ｘ、５００Ｘ、１０００Ｘ”。　片机，近年来应用非常广泛，１　９】　Ｅ　２圃　设计与研发　２＂０，　０７　合用其作为中小运算量装置的运算管理核心。　此次设计的装置控制系统结构如图３所示。　图３控制系统结构　根据需求，选择了ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８这一型号的单片机，该型号　单片机具有６４Ｋ　ＲＯＭ、２０Ｋ　ＲＡＭ、３７１０、ＬＱＦＰ４８封装，工作最高　主频７２Ｍ，具有１０路１２位片载ＡＤ转换以及３个硬件串口控制器。　图３描述的控制系统结构中，使用串口１以通讯方式与显示　及触摸屏进行数据显示，对人员的操作进行响应。同时使用串口　２对恒流源进行控制，并读取恒流源实际电流值。　其中ＡＤＳ１２３２是一片使用非常广泛的２４位ＡＤ转换芯片，　由于我们要测量的电压信号在毫伏级，使用ＳＴＭ３２Ｆ１的片载１２位　ＡＤ转换后分辨率不够高，所以选用专用ＡＤ转换芯片进行转换。单　片机采用查询法使用ＧＰＩＯ口对ＡＤＳ１２３２进行控制，并读取数据。　基准信号源及放大器的档位设定使用ＧＰＩＯ口驱动三极管后　驱动继电器组进行档位的选择。　使用热电偶对导体及连接金具进行测温，经过热电偶专用放　大器，将０￣２００￣Ｃ对于Ｏ　３．３ＶＤＣ后，使用单片机片载ＡＤ进行采样。　显示屏选用市面上常见的带触摸的串口通讯屏，显示屏自带　显示及触摸控制器，减少单片机操作运算量。使用设计软件将设　计好的显示界面存在ＳＤ卡中，该显示屏即可自主显示，单片机只　需要将需要显示的动态数据通过串口与之通讯即可，同样的对于　触摸操作，显示屏自主完成识别，将相应的操作用通讯代码发送　至单片机进行处理。　整套装置在单片机的控制下以图４的逻辑进行运行，最终完　成测试。　４装置的校准及验证　在使用设计的装置之前，需要对基准信号发生器送校准机构　校准，得到准确的每一档输出电压值，手动存入单片机ＲＯＭ中待　用。实际进行试验时需要使用四端夹具，装置的放大器输入端连　　ｌ２０　＆ｇｇ圆　接四端夹具内侧端子，采样电压值。　图４装置执行逻辑　验证试验采用电力电缆直流电阻样品进行测试，有效长度　ｌＯ００ｍｍ，试验在恒温（２０±５℃）间内进行，试验前试验样品已经过　２４ｈ的平衡。针对同一样品分别使用本次设计制作的装置和ＱＪ３６　型电桥进行测量，并将结果进行比较（ＱＪ３６型电桥是典型的用于　导体直流电阻测量的精密仪器，搭配１０　Ｑ标准电阻时，其最小　分辨率为０．Ｏ１　ｕ　Ｑ。）。比对结果如下表１所示。　表ｌ对比试验结果　序母　Ｑ驺　果　霸砩装鬟雅　浸羞　蠢研装Ｉ参数　《　９）　粜　）　（％）　祥晶１　４５　３５　４　２　１　羁孽每　电流ｓＡ目色压１８４　ｖ　豉太湖催　翕２　６１。≯　Ｉ５　０　％　电流８Ａ奄　１２４　３ｍＶ　黢穴２　德　桴晶３　　，２　２１１　０４　０　％　曦摄　电压１１２＋２ｍＶ　放太湖倍　翕４　３鑫．１５　３矗３罩　Ｏ　电流ｇ，Ａ醺　１４Ｓ　§ｍｖ　黻５ｏｏ倍　襻赫５　３【托　９￥　Ｏ　５％　电漆ｓＡ电器１４５　０ｍＶ　放大２５０倍　通过该比对试验可以看出，此次设计的“间接式导体连接金　具电阻测试装置”具有较高的精度，能够有效完成微小电阻的精　密测量。　纵观整个装置的设计及制造过程，微小信号的高倍率放大以　及精密ＡＤ转换采样是最大的难点。主要的问题是系统抗干扰要　求非常高，经过反复研究后，采取了如下措施解决了相关的问题：　放大器及基准信号源采用干电池供电。采用全密闭的金属盒安装　放大器及基准信号源，仅预留输入输出开孔。２４位ＡＤ芯片需要　合理的ＰＣＢ布线。　此次设计制作的“间接式导体连接金具电阻测试装置”是模　拟电路技术、嵌入式技术与线缆检测技术经验的有效结合，通过　“欧姆定律”这一最基本的电学原理，最终完成了３５ｋＶ及其以下　电力电缆导体连接金具的微小电阻测量。　参考文献　【１】国家标准ＧＢ／Ｔ　９３２７—２００８　【２】国家标准ＧＢ／Ｔ　３９５６—２００８