影响超级电容回路电阻测试仪放电电流的参数分析

影响超级电容回路电阻测试仪放电电流的参数分析

王　祥，王　伟，刘　浩，唐华东，田　靖

（）中国南方电网超高压输电公司贵阳局，贵州贵阳５５０００１

摘　要：新型超级电容回路电阻测试仪具有体积小、放电电流大等特点。利用ＭＡＴＬＡＢ软件，对影响超级电容回路

电阻测试仪放电电流大小的参数进行分析，得出应选择电容量大、额定电压高、内阻小的超级电容设计回路电阻测试仪的结论。

关键词：超级电容；回路电阻；放电电流中图分类号：ＴＭ９３３

ＡｎａｌｓｉｓｏｆｔｈｅＰａｒａｍｅｔｅｒｓＡｆｆｅｃｔｉｎＤｉｓｃｈａｒｅＣｕｒｒｅｎｔｏｆＳｕｅｒＣａａｃｉｔａｎｃｅＬｏｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＴｅｓｔｅｒ　　　　　　　　　　ｙｇｇｐｐｐ　　

，ＷＡＮ，，，ＷＡＮＧＸｉａｎＧ　ＷｅｉＬＩＵ　ＨａｏＴＡＮＧ　ＨｕａｄｏｎＴＩＡＮＪｉｎ　　ｇｇｇ

（，）ＣｈｉｎａＳｏｕｔｈｅｒｎＰｏｗｅｒＧｒｉｄＳｕｅｒＨｉｈＶｏｌｔａｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＣｏｍａｎＧｕｉａｎＢｕｒｅａｕＧｕｉａｎ５５０００１，Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　ｐｇｇｐｙｙｇｙｇ　　　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｎｅｗｓｕｅｒｃａａｃｉｔｏｒｃｉｒｃｕｉｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔｅｒｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｍａｌｌｖｏｌｕｍｅａｎｄｌａｒｅｄｉｓｃｈａｒｅｃｕｒ　　　　　　　　　　　　　　　－ｐｐｇｇ

，ｒｅｎｔ．Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅａｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｅｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｅｒｃａａｃｉｔｏｒｃｉｒｃｕｉｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔｅｒａｒｅａｎａａｅｒａｒａｍｅｔｅｒｓ　　　　　　　　　　　　　　－ｇｇｐｐｐｐｐ　ｌｚｅｄｂａｓｅｄｏｎＭＡＴＬＡＢ．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔｅｒｓｈｏｕｌｄｂｅｄｅｓｉｎｅｄｂｃｈｏｏｓｉｎｔｈｅｓｕｅｒｃａａｃｉ　　　　　　　　　　　　　　　－ｙｇｙｇｐｐ　　，ｔｏｒｗｉｔｈｌａｒｅｃａａｃｉｔａｎｃｅｈｉｈｒａｔｅｄｖｏｌｔａｅａｎｄｓｍａｌｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．　　　　　　　　　ｇｐｇｇ

：；；ＫｅｗｏｒｄｓｓｕｅｒｃａａｃｉｔｏｒＬｏｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｉｓｃｈａｒｅｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｐｐｇｙ　　

DOI:10.19768/j.cnki.dgjs.2019.09.050

０引言

回路电阻是断路器的重要性能参数，直接影响到断路器通载额定工作电流时的温升及短路状态下的动、热稳定

１］

。回路电阻主要由导电材料本身的电阻，固定连接电性［

压比法

ＲｘＵｘ

计算得到断路器回路电阻Ｒｘ。＝

Ｒ０Ｕ０

阻及动、静触头间的接触电阻组成，其中接触电阻占主要部分。回路电阻增大，会导致触头发热，严重时动静触头烧熔在一起，直接影响到断路器动作的可靠性，因此准确测量断路器回路电阻是电气从业人员的一项重要工作。

在实际工作中，回路电阻测量仪常采用开关恒流源，输出１００～３００Ａ电流，而回路电阻是微欧级，产生的压降

２］

。现场测量环境中都是高压带电设备，特别是对于很小［

由时域分析可得，回路电流表达式为：

Ｉ＝

靠近母线的断路器，其较小的信号易被电磁场干扰，引起较大的测量误差。若增大电流，则测量仪器体积和重量都将大幅增加，不方便现场工作。最新提出的提高测量电流的方法是利用超级电容的放电特性，产生ｋＡ级的电流来测量回路电阻。

Ｕ－

ｅＲ０＋Ｒｘ

电流峰值为：

ｔ（）ＲＲＣ＋０ｘ

Ｉｍａｘ＝

ＵＲ０＋Ｒｘ

时间常数为

１基于超级电容放电特性的回路电阻测量仪的原理

　　在理想状态下，超级电容Ｃ与测量标准电阻Ｒ０、断路器回路电阻Ｒｘ串联组成回路电阻测量仪的放电回路，如图１所示。通过测量ＲＲｘ两端电压Ｕ０、Ｕｘ，采用电０、

收稿日期：２０１８１０－１－１

Ｒ０＋Ｒｘ）Ｃτ＝（取Ｕ＝８Ｖ，Ｒ０００００Ｆ，得Ω，Ｒｘ＝７Ω，Ｃ＝２０＝１μμ

。由此可见在理想状态下，基于Ｉ４７０５８Ａ，４ｍｓτ＝３ｍａｘ＝

超级电容放电特性的回路电阻测量仪能瞬间产生极大的电流峰值，但由于时间常数很小，因此在ｔ＝５７０ｍｓ时τ＝１电流已衰减为０．００７Ｉｍａｘ。

２实际测量时影响放电电流的因素

在回路电阻测量仪放电回路的实际电路中，存在各种影响放电电流特性的因素。如图２所示，由于时域分析非

１３７　　　

电工技术　电气测试

常复杂，因此将其转换到复频域分析，其中Ｃ为超级电容，ＲＣ为超级电容串联等效电阻，Ｒ０为测量标准电阻，

ＲＬ为测量引线等效电阻，Ｌ为测量引线等效电感，Ｒｘ为断路器电阻，Ｃｘ为断路器均压电容，Ｅ为超级电容放电初始电压，等于充电电压。

超级电容存在串联等效电阻和漏电电阻。漏电电阻通常很大，但因为回路电阻测量仪工作时不需要长期储存电

荷，所以漏电电阻可忽略［

３］

；而串联等效电阻一般为ｍΩ级，远大于标准电阻及正常断口电阻之和，故不能忽略。

测量引线自身存在电阻，由于引线电阻一般为ｍΩ级，同

样远大于标准电阻及正常断口电阻之和，因此不能忽略，同时测量引线还存在电感。由于断路器均压电容的存在，断路器断口电阻存在分流，因此测得的电压与实际值有偏差，需进一步研究其对测量精度的影响。此外还有充电电压、超级电容的电容量也对超级电容的放电电流特性有着不同的影响；标准电阻及断路器回路电阻为μΩ级，可忽略。综上所述，影响放电回路电流的参数有Ｃ、Ｃｘ、Ｅ、

Ｌ、ＲＣ＋ＲＬ。

根据图２，由回路电流法得：

烄（ＲＣ＋Ｒ０＋ＲＬ＋Ｒｘ＋ｓＬ＋１ＥｓＣ）Ｉ－ＲｘＩＣｘ

＝烅ｓ１（１）烆－ＲｘＩ＋（Ｒｘ＋ｓＣ）ＩＣｘ

ｘ

＝０整理式（１

）可得：Ｉ＝ＣＥ（ＣｘＲｘｓ＋１）／［ＣＣ３

ｘＬＲｘｓ＋（

ＣＬ＋ＣＣ２

ｘＲ０Ｒｘ＋ＣＣｘＲＣＲｘ＋ＣＣｘＲＬＲｘ）ｓ＋（２

）（ＣＲ０＋ＣＲＣ＋ＣＲＬ＋ＣＲｘ＋ＣｘＲｘ）ｓ＋１

］取ＲＣ＝１０ｍΩ、Ｒ０＝１００μΩ、ＲＬ＝７ｍΩ、Ｒｘ＝７０μ

Ω、Ｌ＝３３．８μ

Ｈ、Ｃ＝２００Ｆ、Ｃｘ＝１０００ｐＦ、Ｅ＝８Ｖ作为基准，逐个参数进行分析。

均压电容电容量Ｃｘ对放电电流的影响

ＧＢ／Ｔ　

４７８７—２０１０《高压交流断路器用均压电容器》中规定，断路器均压电容优先选取１０００、１５００、１８００、

２０００、２５００、３０００ｐ

Ｆ［４］。模型中Ｃｘ为两均压电容串联，故取Ｃｘ＝｛０，５００，１０００，１５００，２０００｝ｐＦ。在此情况下，利用ＭＡＴＬＡＢ计算得到的放电电流曲线如图３所示，曲线几乎完全重合，说明均压电容在２０００ｐＦ以下时对放电电流几乎无影响，可忽略，所以流经断路器回路电阻Ｒｘ的电流等于放电电流Ｉ。

１３８４测量引线电感Ｌ对放电电流的影响

圆直导线的电感计算式为：

Ｌ＝μ０

ｌ２π

（ｌｎ２ｌｒ－０．７５）式中，μ０为真空磁导率，４π×１０－７。由于现场测量断路器回路电阻所使用的导线单根长度一般不超过４０ｍ，５００ｋＶ断路器长度约为４ｍ，因此４～８０ｍ长测量引线电感为５．４８～１５７．５μＨ，取Ｌ＝｛０，５，５０，１００，２００｝μ

Ｈ。在此情况下，利用ＭＡＴＬＡＢ计算得到的放电电流曲线如图４所示。由此可知０～２００μＨ电感对放电电流峰值影响很小，说明４～８０ｍ测量线的电感对放电电流峰值的影响很小，可忽略。

由于断路器均压电容及测量引线电感对放电电流的影

响可忽略，因此放电电流峰值ＩＥｍａｘ≈

ＲＲ，时间常数

Ｃ＋Ｌ

τ≈（

Ｒ０＋Ｒｘ）Ｃ。５超级电容Ｃ对放电电流的影响

由于电容越大，质量就越重，因此取Ｃ＝｛５０，１００，２００，３００，４００｝Ｆ，利用ＭＡＴＬＡＢ计算放电电流曲线。不同超级电容Ｃ下的放电电流曲线如图５所示，超级电容越大，放电电流Ｉ衰减越慢，τ≈（Ｒ０＋Ｒｘ）Ｃ。超级电容取值对放电电流峰值影响不大，可忽略。为了击穿开关表面的氧化膜，准确测量出开关的接触电阻，按照等功率原则，电流维持时间应满足ｔ≥

１００Ａ×６０ｓ［５］Ｉ。由于超级电容放电电流非恒定值，因此取

电阻测试仪能长时间输出大∫

ｔ０

Ｉ≥１００Ａ×６０ｓ。为了保证

电流，击穿开关表面的氧化

３电气测试　电工技术

膜，提高测量准确度，应选择大电容。

放电电流曲线，如图７所示。由此可知，充电电压Ｅ对放电电流峰值有极大的影响。为了得到较高的放电电流，应选择较高的充电电压，相应地选择额定电压高的超级电容。

６超级电容电阻ＲＣ和测量线电阻ＲＬ对放电电流的影响

８－／７５×１０ｍ，由圆直导线的电　　根据铜的电阻率ρ＝１．Ω

／阻计算式Ｒ＝ｌＳ计算得４～８０ｍ测量引线电阻为１．４～ρ８结语

综上分析可知，断路器均压电容Ｃｘ对放电电流的影响可忽略；测量引线电感Ｌ对放电电流峰值几乎无影响；影响放电电流峰值的参数有超级电容电阻和测量引线电阻之和ＲＣ＋ＲＬ、充电电压Ｅ，影响放电时间的参数有超级电容的电容量、超级电容电阻和测量引线电阻之和ＲＣ＋

２８ｍΩ。由于超级电容电阻ＲＣ约为１０ｍΩ，因此取ＲＣ＋

｝ＲＬ＝｛５，１０，１７，２３，３０ｍΩ。利用ＭＡＴＬＡＢ计算得放电电流曲线如图６所示，电阻越小，放电电流峰值就越

Ｅ，故应选取内阻较小的超级电容。由大，Ｉｍａｘ≈

ＲＣ＋ＲＬ于现场测量时放电电容内阻是固定的，影响放电电流的只有测量引线长度和横截面，因此应使用电阻测试仪配套的测量引线或内阻相近的测量引线。电阻越小，放电电流衰减越快，但考虑到等功率原则，只要电流峰值足够大，在放电电流大于２００Ａ时，内阻小时的放电电流积分面积仍大于内阻大时。

ＲＬ。因此，在设计以超级电容放电特性为基础的回路电阻

测量仪时，应选取额定电压大、内阻小的超级电容以提高放电电流峰值，选取电容量大的超级电容以延长放电时

Ｅ和τ＝（Ｒ０＋Ｒｘ）Ｃ选ＲＣ＋ＲＬ

取，最后从电压、内阻、电容量、重量四个维度综合考间。具体参数可根据Ｉｍａｘ≈

量。由于测量引线的电阻与超级电容内阻为同一数量级，测量引线的等效电阻对放电电流影响很大，因此使用电阻测试仪时应对测量引线有明确要求，以免影响测量精度。

参考文献

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］（）：电测与仪表，研究［Ｊ．２０１４，５１５６７７２．－［］罗容波，王岩，黄松波，等．基于冲击电流的Ｇ２ＩＳ导电杆回路

］（）：高压电器，电阻测量方法研究［Ｊ．２０１３，４９１０４６５０．－［］夏小飞，陈锐，张博，等．冲击电流法测试断路器回路电阻的３

７充电电压Ｅ对放电电流的影响

取Ｅ＝｛３、４、８、１２、１６｝Ｖ，利用ＭＡＴＬＡＢ计算得（上接第１３６页）

］（）：，电工电气，研究［Ｊ．２０１３７３７４１４６．－［］／］４ＧＢＴ４７８７—２０１０高压交流断路器用均压电容器［Ｓ．　［］］直阻仪［５ＪＪＧ１０５２—２００９回路电阻测试仪、Ｓ．　

高生产控制质量，改进制造流程，保证设备质量。

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［］／１ＧＢＴ５０１５０—２０１６电气装置安装工程电气设备交接试验　

］标准［Ｓ．

［］／２ＧＢＴ１１０２２—２０１１高压开关设备和控制设备标准的共用技　

］术要求［Ｓ．

［］／］３ＤＬＴ５９６—２０１５电力设备预防性试验规程［Ｓ．　

４结语

拆解全变电站中同类型、同厂家高压开关的灭弧室，发现存在相同的问题。在对回路电阻超标的高压开关处理后，每台开关的整体和分段回路电阻测试数据均能达到技术要求。此次开关设备的缺陷处理，给开关设备制造厂家提供了现场实际经验，生产厂家据此改进生产工艺，可提

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