母線槽綜合特性測試系統

柴龍，董紀圣，孫云龍，金濤，俞奕君

（浙江方圓電氣設備檢測有限公司，浙江嘉興，314000）

0 引言

根據國標GB/T 7251.6-2015《低壓成套開關設備和控制設備 第6 部分：母線干線系統（母線槽）》定義[1]，母線槽是為所有類型的負載配電和控制電能，適用于工業、商業和類似用途，導體系統形式的封閉成套設備。為保證電能安全可靠的輸送，設計人員和使用人員需要掌握母線槽每米的相導體特性參數。標準規定，在進行母線槽電氣性能（相導體特性）試驗時需要通以額定電流達到母線槽溫升穩定時測量母線槽的電阻、電抗、阻抗等參數，傳統的相導體特性測量時需要用到電流表、電壓表、功率表，分別進行電流、電壓和功率的讀數，然后根據換算公式計算出電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）等參數；在進行母線槽電氣性能（故障零序阻抗）測量時同樣需要通以試驗電流，在測量電流、電壓和功率基礎上，然后根據換算公式計算出電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）等參數。

上述的測量方法，存在兩個不足，一是電流表、電壓表、功率表數據在不同儀表上獲取，無法保證是同一時刻的數據，而電壓、電流的數據是動態變化的，另一方面是通過讀取數據，還需要后續的公式換算，才能得出電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）等參數，因此所得的數據精度和科學性都有待提高。

針對上述不足，我們在移動式程控交流穩流試驗裝置的基礎上，研制開發了母線槽綜合特性測試系統，可以實現在同一時刻，直接讀出電壓、電流、有功功率，并通過計算機軟件，按電阻、電抗、阻抗與電壓、電流、有功功率的相互關系的公式運算，從而直接獲得電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z），提高了測試精度和測試效率。

1 基本原理

■1.1 電壓、電流、有功功率的相互關系

母線槽綜合特性測試系統直接測量每相電路的電壓、電流和功率因數，采用下式：

其中各相的功率因數，通過測量電壓超前電流的相位角獲得。既可以計算出總功率，也可以計算出各相的功率。

■1.2 電阻、電抗、阻抗與電壓、電流、有功功率的相互關系[1]

L 為母線槽的長度；θ 為周圍空氣溫度；Δθ 為相導體平均溫升；V12，V23，V31分別為相間電壓降的有效值；I1，I2，I3分別為各相電流的有效值；Zθ、Rθ分別為周圍空氣溫度為θ 時的單位長度阻抗、電阻；X 為單位長度電抗，其值與溫度無關的。

Z(0)bθx和R(0)bθx分別為周圍空氣溫度為θ 時，母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻；X(0)bx為母線槽故障回路的單位長度零序電抗，其值與溫度無關；Z(0)b20x、R(0)b20x分別為不運行且其導體溫度為20℃時，母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻；Z(0)bx和R(0)bx分別為母線槽在周圍空氣溫度為35℃下穩定運行時，母線槽故障回路的單位長度零序阻抗和零序電阻。

2 母線槽綜合特性測試系統的總體方案設計

母線槽綜合特性測試系統主要由移動式程控交流穩流試驗裝置[2]和電量采集測量系統組成。

移動式程控交流穩流試驗裝置主要由人機界面觸摸屏、可編程控制器(PLC)、帶伺服系統的兩級調壓器、低壓大電流變壓器、電流采樣單元(電流互感器、電流變送器、A/D轉換器)等組成[2]。

電量采集測量系統工作原理是先通過電壓和電流的實時采樣，采用專用集成電路，對采樣電壓和電流信號進行處理，并轉換成與電能成正比的脈沖輸出，然后通過單片機進行處理、控制，把脈沖顯示為用電量并輸出。

電量采集測量系統由電流采樣單元、電壓采樣單元、計量芯片及單片機等組成。電流采樣單元采用電流互感器，計量芯片采用ATT7022B，它集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路，是一個通用性強的計量芯片。單片機采用意法半導體集團公司設計的增強型STM32F103xx。

基于移動式程控交流穩流試驗裝置，采用的是低電壓恒流工作方式，其電壓是毫伏級或僅幾伏，因此，電壓采樣采用直接輸入方法。電量采集測量系統結構設計示意圖見圖1。

圖1 電量采集測量系統結構設計示意圖

3 母線槽綜合特性測試系統的軟件設計

母線槽綜合特性測試系統的軟件設計由兩大部分組成：穩流控制系統軟件和電量采集測量系統軟件組成。系統軟件結構框見圖2。

圖2 系統軟件結構框圖

■3.1 穩流控制系統軟件

穩流控制系統軟件采用模塊化設計方法，由試驗參數設置模塊、特性參數計算模塊、動作控制模塊組成。試驗參數設置模塊的設計包含系統參數設定和試驗參數設定，包含電流互感器參數設定、自動轉換參數設定、時間設置等項目；特性參數計算模塊包含電量參數計算和通電時間計算，通過對電流、時間等參數比較、運算，由動作控制模塊控制輸入側的電源電壓，自動調整輸出電流，達到穩定輸出電流。

測試系統采用威綸通WEINVIEW MT6070iE型觸摸屏，應用 EasyBuilder Pro 威綸通觸摸屏軟件，設計上位機人機交互系統。設置顯示界面見圖3；穩流顯示界面見圖4。

圖3 設置顯示界面

圖4 穩流和通電顯示界面

■3.2 電量采集測量系統軟件

將電流電壓采集信號，通過電量采集測量系統，將各相電壓、電流、功率、功率因數、頻率等數據，通過RS485RTU 傳輸送到位機。

特性參數計算模塊采用本文基本原理的相應計算公式，通過輸入冷態環境溫度、熱態環境溫度、母線槽溫升θ△、母線槽最高溫度θ 及母線槽長度等，選擇試驗模式，實現同一時刻采集的電壓、電流、有功功率、功率因數、頻率等電性能參數進行自動運算和顯示，實現實時動態輸出相應的功率、電阻（R）、電抗（X）、阻抗（Z）。母線槽綜合特性測試系統顯示界面見圖5。

圖5 母線槽綜合特性測試系統顯示界面

4 實際應用與數據比對

■4.1 實際應用

通過對300A 母線槽在母線槽綜合特性測試系統試驗，直接獲得以下數據。見圖6。

說明：圖 6 為300A 母線槽實際測量數據。其中顯示屏上部分的電壓、電流、有功功率、功率因數、頻率為實際動態測量顯示數值，顯示屏中間部分是根據實際測量數值和人工輸入值計算得出的結果值，顯示屏左下部分為人工輸入數值，包含冷態環境溫度和熱態環境溫度為周圍空氣溫度，θΔ表示為母線槽的溫升，θ1表示為母線槽的溫升加上基準環境溫度（一般為35℃），L 和LPN為母線槽的長度。

圖6 300A 母線槽測試數據

■4.2 數據比對

為了分析本裝置的測量結果的準確性，我們在母線槽通電試驗時，在采用本試驗系統記錄數據的同時，分別采用傳統表頭法和日本橫河WT1804E 高精度功率分析儀（0.5 級）測量電壓、電流和功率，并根據本文基本原理中的公式進行電阻、阻抗、電抗計算。具體數據見表1。

表1 不同測試裝置的數據結果比較

由表1 可見，本試驗系統和日本橫河WT1804E 高精度功率分析儀獲得的數值比較接近，而與傳統的電壓表、電流表、功率表表頭獲得的數據比較，數值的誤差比較大，但在5%以內。

5 結語

母線槽綜合特性測試系統將低壓大電流穩流系統和測量系統主要功能集成一體，為母線槽溫升試驗的恒流條件及其相導體特性參數（電阻、電抗、阻抗）的測量精度提供保障；本系統通過同一時刻實時測量電壓、電流、有功功率的方案，彌補了不同電表無法同一時刻測量數據的不足。同時，可以通過采集的參數自動運算并集中顯示在人機界面上，自動化程度提高，測量結果更加科學可靠。該測試系統將操作方便，有效提高檢測效率。