交流采樣回路接觸阻抗原理及仿真分析

孫蓓俊，徐麗青，陳新之

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

交流采樣回路接觸阻抗原理及仿真分析

孫蓓俊，徐麗青，陳新之

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

分析了智能變電站中保護控制裝置交流采樣回路的阻抗特性，提出了交流采樣回路接觸阻抗模型。采用Matlab Simulink軟件建立交流采樣回路接觸阻抗仿真模型，分析了接觸阻抗變化對信號傳輸的影響，通過調整端子之間的阻抗參數進行仿真驗證。提出防止連接器接觸故障的一些合理化建議。

連接器；接觸阻抗；交流采樣；保護裝置；智能變電站

0 引言

在智能變電站二次設備領域，大量的保護、測控、穩控、過程層裝置的結構廣泛采用背板式即插即用模件，連接器大量使用在單模件上，如交流模件、CPU模件、通信模件等，母板模件帶有連接器插座，并作為所有模件的連接橋梁，因此連接器的好壞直接影響到各模件之間的信號傳輸質量[1]。

連接器作為信號質量的傳輸紐帶，對裝置的可靠運行起關鍵作用。文獻[2]根據接觸表面的特性，研究了高頻特性及其在通信傳輸線路中的影響；文獻[3]研究了鍍金接觸材料表面出現微孔對電接觸性能的影響；文獻[4]設計了一種高速傳輸信號連接器抑制相鄰接觸插件間的干擾；文獻[5]研究了USB3.0端子之間設置電容效應來調整特性阻抗的方法；文獻[6]提出了射頻同軸插接器的高頻接觸阻抗模型，研究它對高速信號傳輸的影響；文獻[7]提出一種基于應變能密度的分析和優化方法，通過對此方法進行優化設計，增強了結構性能。

雖然國內已有文獻研究了連接器的設計改進[8-10]，但較少針對交流采樣回路連接器接觸阻抗方面進行研究。為降低連接器的故障率，提高連接器的可靠性，本文重點分析了交流采樣回路連接器的阻抗特性，通過Matlab Simulink建立交流采樣回路接觸阻抗模型，分析其對信號傳輸的影響，并提出一些實用性建議。

1 交流采樣回路

1.1 功能介紹

在變電站中，保護控制設備的交流采樣回路，主要功能是采集一次設備PT、CT的二次模擬量，通過A/D轉換，經數據前置處理后，給保護控制設備中的功能模塊使用[11]。

1.2 連接器設計

交流采樣回路通常由交流模件、母板模件、CPU模件3種模件組成。交流模件的連接器端子通常選用多針HARTING端子(如96針)，分為插座和插頭。

1.3 對傳輸信號的影響

在試驗中發現，當交流模件、CPU模件與母板模件存在接觸不良時，常造成保護、測控等裝置采集的模擬電壓值幅值變小。

1.4 交流采樣回路接觸阻抗模型

交流模件主要包括互感器回路；CPU模件主要包括RC濾波回路、A/D采樣回路[12]。母板模件作為連接交流模件與CPU模件的橋梁，常通過端子A，B與各模件之間連接構成電氣回路，如圖1所示。圖1中，虛線為母板端子插頭與單模件端子插座之間的接觸阻抗，在理想狀態下，其接觸阻抗為0 Ω。

圖1 交流采樣回路框圖

1.5 接觸阻抗分壓回路原理

交流采樣分壓回路等效電路圖如圖2所示。接觸電阻R41，R42與RC濾波電路前端的匹配電阻R3構成一個分壓回路，如圖2中的虛線部分。

輸出電壓Uo與輸入電壓Vi1的計算公式為

(1)

式中：R3=47.0 kΩ。從式(1)得出，輸出電壓會隨著接觸阻抗的變化而變化。

1.6 接觸阻抗仿真模型

采用Matlab Simulink軟件，依照圖2搭建交流采樣回路接觸阻抗仿真模型，如圖3所示。其中，交流電壓U模擬輸出為1.760 0 V，母板模件的連接器端子之間的兩個接觸電阻分別為R41，R42；CPU模件的A/D采樣回路前端為二階RC濾波回路，其中，R1=8.6 kΩ，R2=2.0 kΩ，C1=5.6 nF，C2=3.3 nF。

圖2 交流采樣分壓回路等效電路

圖3 仿真電路

輸入電壓Ui和輸出電壓為Uo的相對誤差ε為

(2)

本文根據ε的大小來評價接觸阻抗變化對信號傳輸的影響。

2 接觸阻抗變化分析

2.1 接觸阻抗為零的仿真分析

在理想狀態下，連接器的接觸電阻為0 Ω。仿真中取R41=0.001 Ω，R42=0.001 Ω，仿真結果見表1。因為ε=±0.057%，數值非常小，對輸出的影響可以忽略不計。

表1 仿真結果

2.2 接觸阻抗開路的仿真分析

在連接器端子開路狀態下，電路的接觸阻抗為∞ Ω。在仿真中接觸電阻設為100 MΩ，對R41，R42分別取極值進行仿真，即：狀態1，R41=0 Ω，R42=∞ Ω；狀態2，R41=∞ Ω，R42=0 Ω；狀態3，R41=∞ Ω，R42=∞ Ω。狀態1～3的仿真結果見表2。從表2中得出，當交流采樣回路連接器在任一連接器端子開路時，輸出電壓接近0 V，ε在 99.900%左右，誤差非常大，對輸出電壓值有很大影響。

表2 狀態1～3的仿真結果

在連接器端子開路狀態下，狀態1、狀態2、狀態3的仿真圖形基本一致，如圖4所示。

圖4 狀態1～3的仿真波形

2.3 接觸阻抗與匹配阻抗等值的仿真分析

在接觸阻抗與匹配電阻等值時，在仿真中接觸電阻、匹配電阻都取值47.0 kΩ。對以下3種狀態進行仿真：狀態4，R41=0 Ω，R42=47.0 kΩ；狀態5，R41=47.0 kΩ，R42=0 Ω；狀態6，R41=47.0 kΩ，R42=47.0 kΩ。狀態4～6的仿真結果見表3。從表3中得出，狀態4、狀態5的ε在 50.200%左右，狀態6的ε在 66.900%左右，誤差大，對輸出影響較大。

表3 狀態4～6的仿真結果

在連接器端子任一端子與匹配電阻等值時，如狀態4、狀態5，其仿真圖形基本一致，如圖5所示。

在連接器兩個端子都與匹配電阻等值時，狀態6的仿真圖形如圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，狀態6波形變形更為嚴重，即當連接器端子的兩端都出現接觸阻抗變化時，對信號的傳輸質量影響更大。

圖5 狀態4和狀態5的仿真波形

圖6 狀態6的仿真波形

3 合理化建議

為了提高連接器傳輸信號的質量，需要確保連接器接觸阻抗的一致性。在結構上，交流模件對應母板模件上的連接器插座，應安裝緊固螺釘螺母，無滑絲，連接器安裝要規范；在工藝上，連接器插座內無堆錫，連接器插頭、插座無污漬；在生產上，連接器的焊盤無虛焊。通過多方面的一致性檢查，降低連接器的失效率，提高信號傳輸的質量，保證出廠裝置的合格率。

4 結束語

交流采樣回路的連接器對交流信號傳輸質量的好壞起著關鍵作用，本文通過分析交流采樣回路的阻抗特性，采用Matlab Simulink搭建交流采樣回路接觸阻抗仿真模型，驗證了連接器的接觸阻抗變化對信號傳輸的影響，并提出了一些合理化建議，通過對出廠裝置的一致性檢查，提高產品質量。

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(本文責編：劉炳鋒)

2017-02-13；

2017-03-01

TM 743

A

1674-1951(2017)03-0009-03

孫蓓俊(1982—)，男，江蘇南京人，工程師，工學碩士，從事電力系統繼電保護方面的研發工作(E-mail:beijun-sun@sac-china.com)。

徐麗青(1983—)，男，山東臨沂人，工程師，工學碩士，從事電力系統嵌入式硬件平臺方面的研發工作(E-mail:xuliqing28@126.com)。

陳新之(1976—)，男，江蘇南京人，高級工程師，工學碩士，從事電力系統裝置硬件方面的開發工作(E-mail:xinzhi-chen@sac-china.com)。