電力二次接線端子緊固可靠性的檢測和分析

沈瓊妹，王建勇，張睿，鄺玉芳

（廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東珠海，519000）

1 緒論

電纜作為電網的重要組成部分，承擔著設備間連接、電能以及信號傳輸等重要作用。因此電氣連接的可靠性，直接關系到電力企業的供電可靠性與安全性。

變電站中繼電保護裝置的正確動作，離不開二次回路的正確走向和緊固可靠。二次回路的駁接主要靠接線端子來實現，二次接線端子的緊固可靠決定了二次回路是否可以發揮作用，也就是繼電保護能否告別拒動、誤動等現象[1]。

在長期運行過程中，開關觸頭、母線排連接處及電纜接頭等機械連接點會因氧化、松動等連接可靠性問題而導致接觸電阻過大而發熱，并可能形成惡性循環。溫升、膨脹、收縮、氧化，電阻增大、再度升溫，由此最終可能釀成火災事故，造成大面積的停電。

開關觸頭、母線排連接處及電纜接頭等機械連接點會因氧化，形成金屬的非線性結點。而基于諧波雷達技術可以有效檢測金屬結點的非線性特性，尤其是金屬結點不帶電的情況下。諧波雷達是一種通過發射基波信號，接收來自目標再輻射的2次、3次甚至是更高次的諧波/組合波回波信號，并對目標進行判斷、識別和探測的雷達系統。該項特性則可以應用在檢測電纜與各機械連接點上，特別是二次接線端子。當電纜或機械連接點出現不可靠連接時，由于中間存在一定成分的松散氧化物，諧波雷達將會接收到大量2或3次諧波，反之則不會出現。利用金屬結點的非線性特性，結合諧波雷達反射值反向推斷金屬結點的導通電阻數值，研制出一種針對電力二次接線端子緊固可靠性的檢測和分析的裝置。通過本裝置和一系列測量措施，可以讓電力開關、電纜等設備在運行條件下，利用諧波雷達反射值反向推斷金屬結點的導通電阻數值，從而可依據行標判定接觸性是否良好，使其具有一個統一的判斷法則，能與行業判斷標準相匹配。從而解決繼保自動化專業施工驗收以及日常運維過程中，對二次接線端子連接可靠性無法進行有效檢測的問題，減少工作量，提高工作效率。

2 二次接線端子緊固可靠性的檢測原理

2.1 金屬結點的非線性特性

二次接線端子會形成金屬結點，根據現有研究[2]，帶有金屬結點的非線性目標，其伏安特性曲線為：

圖1 金屬結點的伏安特性曲線

當結點兩端的電壓小于1.5V時，電流可近似表示為：

其中，β為伏安特性的非線性系數，單位是[1/V2]；R0為金屬結初始電阻，即當結點兩端電壓為零時的電阻，單位為[Ω]。隨著金屬結點氧化程度的加深，β發生變化，而R0不變。

當使用單頻率（頻率為f0，即角頻率ω0= 2πf0）的電磁波進行照射時，非線性結點的感應電壓可以寫做：

將式（2）帶入式（1），則可得到非線性結點上的電流為：

基波幅值中，由于βU30導致的非線性分量較弱，因此基波幅值：

三次諧波與基波的幅值的三次方之比為：

2.2 二次端子緊固可靠性測試分析原理

（1）首先在電力開關、電纜等電力設備停電的狀態下，對非線性金屬結點施加直流激勵電壓U1，產生直流激勵電流I1，并控制U1的大小，使得激勵電流I1大于100A，以滿足行標對于電力開關的測試電流的要求。將此值帶入公式（1）中可得到：

因此導通電阻：

為了后文描述的方便，采用電導G進行計算來替代電阻R。由電學知識可知G=1/R，電導信息與電阻信息完全等價。令G0=1/R0，因此在激勵電壓U1下，金屬結點電導G1：

上式中G1、U1為已知量，G0、β為未知量。一般G0不變，而隨著時間推移，金屬結點氧化物發生變化，β隨之發生變化。

相近時段內，加載直流激勵電壓U2，并控制U2不等于U1，且使得響應電流I2大于100A。

此時

上式中G2、U2為已知量，G0、β為未知量。

聯立式（8）和式（9）上述兩個計算公式，求解二元一次方程，可得G0和β：

（2）在步驟1的基礎上，距離被測設備距離R處，照射雷達電磁波，通過雷達反射信號捕捉到3次諧波幅值與1次諧波幅值，令k為3次諧波幅值與1次諧波幅值的三次方之比，則存在如下關系：

上式中，測量反射信號中的三次諧波幅值U(3ω)和基波幅值U(ω)，從而求得k，k為已知量。

（3）通過步驟1和步驟2，得到了停電條件下，金屬結點的相關信息：G1、U1、G0、k，將上述信息記錄，作為后續判定在線判定導通電阻的數據基礎。

同樣，上式中，測量得到三次諧波幅值U′(3ω)和基波幅值U′(ω)，因此K′也為已知量。而β′存在如下關系：

（5）等效換算。因此，在運行一段時間后，可在線測得金屬結點的導通電導為：

進一步變換：

其中：

G1為已知的中間量，可由步驟1停電時的激勵電壓U1和響應電流I1得到，G1=I1/U1；

G0為已知的中間量，可由步驟1停電時施加兩次不同的激勵電壓，測量并計算得到；

（1）術前普及。術前護理人員嚴格執行術前體征監測以及標記、正確備皮工作，完成遠離手術區域的標記，且完成消毒處理，依據患者身體狀況選定的麻醉方式，指導患者禁食禁飲且在術前6 h幫助患者完成非固體食物進食，術前4 h協助病房護士完成超前鎮痛[1] 。

k值為已知的中間量，可由步驟2測量諧波雷達反射值得到；

k’值為已知的中間量，可由步驟4測量諧波雷達反射值得到。

所以，G1’可通過上述中間量帶入式（16）求得。

亦可將測量原始量U1、I1、U2、I2、U(ω)、U(3ω)、U′(ω)、U′(3ω)帶入，得到 ：

根據電阻和電導的倒數關系。導通電阻R1’為：

因此，電力開關在運行一段時間后，不需要停電，可在帶電條件下，通過諧波雷達測量得到。

3 二次端子緊固可靠性測試裝置簡介

3.1 裝置結構單元

本裝置主要有四大單元構成：

(1)MCU單元，主要用于控制和信號處理。

圖2 裝置結構單元

(2)基波雷達發射單元，主要產生2.4GHz的基波射頻信號。

(3)基波雷達和3次諧波雷達接收單元，接收反射的2.4GHz基波信號和3次諧波信號（即7.2GHz）。

(4)直流激勵與采樣單元，主要產生直流大電流激勵，加載于被測品上，同時測量激勵電壓和電流。

3.2 各單元功能簡介

（1）MCU單元，主要用于控制和信號處理。

（2）基波雷達發射單元。MCU控制DAC電路產生基帶信號后，通過頻率合成電路和調制電路調制得到2.4GHz信號，功率放大電路調節發射信號的功率，低通濾波電路濾除發射通道產生的干擾信號，經過濾波后的射頻信號通過天線發射出去。

（3）基波雷達和3次諧波雷達接收單元。接收單元的主要過程為：通過天線接收反射的基波信號和3次諧波信號，先進行濾波，再經過解調電路得到基帶信號。由于接收的諧波信號功率較小，因此在ADC處理前，需要將其進行功率放大處理。

（4）直流激勵與采樣單元。主要通過開關變換電路，產生大電流輸出。此時激勵電壓和激勵電流，可通過電壓采樣調理模塊、電流采樣調理模塊進行處理，最后送入ADC中采樣。

3.3 在線測量流程

采用本裝置進行在線測量電力二次接線端子的流程為：

（1）停電條件下，在被測品上，以有線的方式加載直流激勵電壓和電流，并測量得到電壓為U1，電流為I1。

相近時間段內，停電條件下，改變激勵電壓，測量得到電壓為U2，電流為I2，通過前述技術方案中的方式，計算得到G0、β。

（2）相近時間段，在（1）和（2）的基礎上，斷開本裝置與物品的有線連接，距離被測設備距離R處，照射雷達電磁波，得到反射后的基波幅值U()ω和3次諧波幅值U(3)ω，進而得到基波與三次波幅值三次方比值k。將G0、β、k保存至本裝置中存儲，用于后續計算。

（3）若干時間后（如被測品運行一年后），在被測品停電或者運行的條件時，天線與被測品距離同樣為R時，采用諧波雷達方式照射被測品，得到反射后的基波幅值U′()ω和3次諧波幅值U′(3)ω，進而得到基波與三次波幅值三次方比值k’。

（4）將停電條件下本裝置存儲的G0、β、k，和本次測量得到的k’帶入式中，進行計算，得到此時的電導G1’，同時進行電導-電阻變換，得到導通電阻R1’=1/ G1’。

（5）將計算得到R1’與行標中規定的閾值進行比較，從而判斷開關觸頭連接可靠性。

圖3 測量流程圖

4 結論

上述二次接線端子緊固檢測方法主要基于諧波雷達，通過發射基波信號，接收來自目標再輻射的2次、3次甚至是更高次的諧波、組合波回波信號，再對目標進行判斷、識別和探測。與僅接收基波信號的一般基波雷達相比，諧波雷達除得到來自目標的基波通道信息外，還可得到2次、3次及更高次的信息。同時也比一般的雷達更加具有雜波抑制和過濾能力。

根據相關研究證明，兩個不同的金屬接觸后產生的氧化物會產生諧波信號，一般稱之為環境二極管。但是由于氧化物質地松散，不會形成可預測且穩定的時間響應函數。該項特性則可以應用在二次接線端子連接點上，當連接點出現不可靠連接時，由于中間存在一定成分的松散氧化物，諧波雷達將會接收到大量2或3次諧波，反之則不會出現。

現有技術中，基于諧波雷達識別金屬結點非線性目標時，主要通過2次或者3次諧波的幅值、功率等信息判斷結點接觸性好壞，此種判定帶有一定的主觀性和判定法則的多樣性（如有研究者主要研究3次諧波和2次諧波的比值，判斷金屬連接可靠性，對于判定閾值的取舍，存在一定的主觀性），難以形成一個行業公認的判定法則和判定結果。且現有技術無法將諧波雷達所測幅值、功率等數據，進行轉換得到導通電阻，從而依據電力行業標準（如《DL/T 596-2005 電力設備預防性試驗規程》）中規定的導通電阻的閾值，判定接觸性是否良好。而本裝置將有線測量功能與諧波雷達功能進行組合，通過一系列測量后，可以將諧波雷達測量結果換算為導通電阻結果，從而可以利用行標中對于導通電阻的規定，以公認的法則對金屬結點可靠性進行判斷。

本文論述的電力二次接線端子緊固可靠性的檢測方法，可以實現在不停電條件下，對二次接線端子緊固情況進行檢測。傳統的二次回路狀態檢測，長期依靠作業人員的經驗進行檢測和分析。[3]相對于傳統的檢測方法而言，本裝置可以很好地定位虛接或斷開的端子，解決繼保自動化專業施工驗收以及日常運維過程中，對二次接線端子連接可靠性無法進行有效檢測的問題。