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基于功率分析儀的微電阻測量技術(shù)

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  • 發(fā)布時(shí)間:2019/12/7 18:04:57
  • 作者:銀河電氣

引言

  在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中,經(jīng)常需要對微小電阻進(jìn)行測量,如馬達的線(xiàn)圈電阻,繼電器、開(kāi)關(guān)等的接觸電阻,超大功率發(fā)射機的接地電阻,飛機機體的電阻,開(kāi)關(guān)柜中銅排的直流與交流電阻測量等。1Ω以上的電阻測量通常采用萬(wàn)用表就能較為準確地測量出來(lái),但是對于微小電阻來(lái)說(shuō),接觸電阻和導線(xiàn)電阻的阻值是無(wú)法忽視的,它們將會(huì )對微小電阻的阻值測量造成嚴重的影響,進(jìn)而會(huì )導致微小電阻測量結果的較大誤差,所以微小電阻的測量一直是個(gè)較大的難題。這些電阻由于阻值太小,導致檢測到的信號十分微弱,而且還經(jīng)常淹沒(méi)在噪聲之中,常規的測量方式很難測量出微小電阻的阻值。根據目前國內外對微小電阻的研究,比較成熟的微電阻測量方法主要有三種:大脈沖電流測量微電阻、直流恒流源測量微電阻和恒頻交流電流源測量微電阻,其中基于恒頻交流電流源的測量方法又可分為伏安法和相關(guān)法。功率分析儀可通過(guò)傅里葉分析提取導體兩端的基波電壓U、流過(guò)導體的電流基波I以及兩者之間的相位差φ,故可通過(guò)下式來(lái)計算出導體的交流電阻RAC。

微電阻

  本文主要基于功率分析儀,利用式(1)對導體的微弱交流電阻測量技術(shù)進(jìn)行研究。構建基于功率分析儀的微電阻測量系統,給出典型銅排的交流電阻測量結果以及某工業(yè)現場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜的交流電阻測量結果。

基于功率分析儀測量微電阻的組成與結構

01微電阻的測量接線(xiàn)方式分析

  在微小電阻的測量中,由于其導線(xiàn)阻值和導體的阻值數量級上很接近,所以需要考慮到導線(xiàn)的電阻,在測量電路導線(xiàn)選材上,在測量中盡可能選擇如鍍銀線(xiàn)這類(lèi)導電率高的粗導線(xiàn),以盡量消除導線(xiàn)電阻對測量的影響。雙端測量等效電路如圖1所示。

 微電阻

圖1 雙端測量等效電路

  圖1中,R1表示待測電阻;R2,R3表示接觸電阻;R4、R5表示電壓測量回路電阻。實(shí)際測到的回路電阻中包含待測電阻R1,接觸電阻R2和R3,以及測量線(xiàn)電阻R4和R5,由于電壓表內阻非常大,遠大于待測電阻,在選取合適的測試線(xiàn)后將其等效于一個(gè)整體進(jìn)行校準計量,所以其流過(guò)該電壓測量回路的電流遠小于R1的上面流過(guò)的電流,可以忽略不計,所以雙端測量的電阻計算為(直流情況下):

微電阻

  由式(2)可知,采用雙線(xiàn)測量的方式測量到的電阻包含該測量回路的接觸電阻R2、R3,尤其是實(shí)際測量時(shí),電流回路可能是使用螺栓、鱷魚(yú)夾之類(lèi)機械緊固件進(jìn)行壓接,加上接觸面存在氧化等不干凈程度導致其接觸電阻較大,所以這種方式在測量微小電阻的情況下存在較大的誤差。既然誤差的來(lái)源為回路的接觸電阻,首先需要將電壓測量回路接到整體電流的機械安裝接觸點(diǎn)內,然后可以通過(guò)改變電壓測量回路的測量取樣點(diǎn)位置來(lái)盡量減少該測量誤差:當測量點(diǎn)逐步靠近待測電阻時(shí),測量的誤差將逐步減少。此方法稱(chēng)為四端測量法,四端測量法如圖2所示。

微電阻

圖2 四端測量等效電路

  在四端測量中是將電壓測量回路的取樣點(diǎn)選取在盡量靠近待測電阻的位置進(jìn)行電壓取樣。從而盡可能的減少導線(xiàn)及接觸部分對電阻測量的影響,待測電阻阻值計算為(直流條件下):

微電阻

02基于功率分析儀的微電阻測量系統構成

  以測量銅排為例,實(shí)際應用環(huán)境為微小電壓和大電流的高精度同步測量,由于小信號易受工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境影響,所以考慮減少模擬量傳輸線(xiàn)路來(lái)保證測量精度。因此儀器選用湖南銀河電氣研制的WP4000變頻功率分析儀及SP系列變頻功率傳感器組合搭建測試系統。分別對被測電阻為銅排的進(jìn)行單相和三相測試,單相接線(xiàn)框圖如圖3所示,三相接線(xiàn)框圖如圖4所示。

微電阻

圖3 單相電路銅排交流電阻測量接線(xiàn)框圖

微電阻

圖4 三相電路銅排交流電阻測量接線(xiàn)框圖

  圖3和圖4左邊為WP4000變頻功率分析儀,中間為SP系列變頻功率傳感器,兩者通過(guò)光纖連接。實(shí)際測試時(shí),可根據被測電壓和電流的大小選擇合適的一款SP變頻功率傳感器。鑒于一般功率分析儀僅針對自身進(jìn)行標定,在搭配使用各類(lèi)前端傳感器時(shí)未對傳感器、傳輸線(xiàn)路進(jìn)行系統的標定,從而引入了更多的不確定度,而該套系統由于其前端數字化和光纖傳輸型式的技術(shù)特點(diǎn),可進(jìn)行整體測試系統的校準和計量,進(jìn)一步提升測量的可信度。

測量結果處理與分析

01銅排的電阻測量

  基于上述測量系統,接入一個(gè)頻率為50Hz的交流信號,測量該典型銅排在不同電流幅值下的電阻,測試結果如表1所示,不同電流幅值下的交流電阻變化如圖5所示。

表1 該典型銅排在不同電流幅值下的交流電阻測試結果

序號 電流/A 電壓/mV 相位差/° 電阻/μΩ 電感/μH 有功功率/W
1 50.50 34.11 85.33 55.00 2.14 0.14
2 100.13 67.85 85.28 55.75 2.15 0.56
3 150.72 102.33 85.14 57.51 2.15 1.31

微電阻

圖5 不同電流幅值下的交流電阻和電感變化

(a)交流電阻變化;(b)電感變化

  從表1和圖5可以看出,隨著(zhù)測試電流的增加:

 ?。?)銅排的交流電阻RAC在增加;

 ?。?)銅排的損耗(有功功率)P在增加;

 ?。?)銅排的電感在緩慢增加,增加的速度小于交流電阻增加的速度,故相位差減小。

02開(kāi)關(guān)柜的交流電阻測量

 ?。?)開(kāi)關(guān)柜中單相交流電阻的測試結果

  將上述測量系統接在實(shí)際工業(yè)現場(chǎng),對某開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行實(shí)際測量,將設備接入到該開(kāi)關(guān)柜的A相中,測量結果如表2所示,不同電流幅值下的交流電阻變化如圖6所示。

表2 某開(kāi)關(guān)柜單相測試結果

序號 電流/A 電壓/mV 相位差/° 電阻/μΩ 電感/μH 有功功率/W
1 98.22 99.04 56.14 561.82 2.66 5.42
2 193.91 200.18 55.61 583.04 2.71 21.92
3 597.60 627.88 55.51 594.97 2.76 212.48

微電阻

圖6 不同電流幅值下的交流電阻和電感變化

(a)交流電阻變化;(b)電感變化

  從表2和圖6可以看出,開(kāi)關(guān)柜中單相測試與上節中使用某典型銅排測試結果基本一致,隨著(zhù)測試電流的增加:

 ?。?)開(kāi)關(guān)柜單相交流電阻RAC在增加;

 ?。?)銅排的損耗(有功功率)P在增加;

 ?。?)銅排的電感在緩慢增加,增加的速度小于交流電阻增加的速度,故相位差減小。


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