35kV及其以下电力电缆导体连接金具电阻测试设备设计与应用

华颖，鲍振宇

（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏南京，214200）

35kV及其以下电力电缆导体连接金具电阻测试设备设计与应用

华颖，鲍振宇

（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏南京，214200）

GB/T 9327-2008规定了国内用于35kV电力电缆导体的压接式、机械式连接金具相关试验方法和要求，其中关于连接金具电阻测量给出了很高的要求。本文根据标准所提出的间接测量的方式，使用“欧姆定律”原理，利用stm32作为嵌入式平台设计制作了全自动连接金具电阻测量装置，并与传统QJ36电桥进行了测量比对。

连接金具；电阻测量；嵌入式开发

0 引言

GB/T 9327-2008规定了国内用于35kV及其以下电力电缆导体的压接式、机械式连接金具相关试验方法和要求，其中关于连接金具电阻测量可以选择使用间接式或直接式测量设备进行测量，综合考虑标准其他的各类要求，计划设计制造一款全自动间接式电阻测量装置，用于完成该项测量。

1 标准要求的电阻试验方法及要求

GB/T 9327-2008的6.2章节“测量”对电阻试验方法做出了明确的要求，包括了：

1）电阻测量需要在稳定无风环境中进行，环境及试验回路温度都需要稳定，环境温度应为15℃～30℃。

2）进行电阻测量时，应记录连接金具和基准导体的温度，并将电阻值修正至20℃。

3）电阻测量时，需要正反各测一次求平均，已消除热电势带来的影响。

4）电阻间接读取时，电压测量精度不低于±0.5%或±10μV，取精度较高值。电流测量精度不低于±0.5%或±0.1A，取精度较高值。

5）电阻直接读取时，电阻测量精度应不低于±1%或±0.5μΩ，取精度较高值。

电阻测量是在热循环试验将导体及金具加热至90℃的情况下进行的，停止热循环后导体及金具温度下降速度很快，只有使用全自动的仪器才能够在最短时间内完成测量，并在测量后实时将电阻值换算至20℃，才能最大程度避免测得电阻与导体及金具温度不匹配导致的试验无效。

2 装置设计思路

设计的装置主要用于35kV及其以下的电力电缆导体连接金具的电阻测量，目前我国常用的35kV及其以下电力电缆截面一般最大为630mm2，特殊情况下在这个电压等级会出现更大截面，故装置测量的容量设计为最大适应1000mm2铜导体测量，覆盖可能遇到的所有试验样品。

标准中提到了电阻间接测量及直接测量的两种方式，一般进行导体电阻测量时使用的双臂电桥，其通过调节桥臂电阻使得检流计平衡的方式，就是一种典型的电阻直接测量方式。而此次设计的装置则是使用了标准推荐的间接法测量，即利用“欧姆定律”原理，测量连接金具两端电压、电流后计算得出电阻值。

根据热循环试验的经验数据，YJV 26/35kV 1*630mm2电缆样品进行热循环试验时能够将导体温度稳定在95℃所需的电流为1000~1200A（热循环试验不代表该电缆实际载流量）。则根据GB/T 9327-2008的要求，电阻测量时应使用热循环电流10%的直流电流，选择最大输出2V/250A的可调恒流源，能够满足试验需求，并具有良好的检测能力裕量。

查询GB/T 3956-2008第2类圆形紧压铜导体，630mm2这一规格电阻最大值为0.0286Ω/km，我们用于试验测量的连接金具一般长度短于300mm，及所测目标电阻最大为8.58μΩ，施加120A电流后，需要测量的端电压为1029.6μV，精度要求±0.5%或±10μV，取精度较高值。根据这样的要求和预计电气参数，需要设计一只放大器，将微伏级信号至少放大至毫伏级用于直接测量，而此类高倍率高灵敏度的放大装置往往存在温度波动带来的偏差，所以还需要设计制作一个基准信号源用于在每次实验之前对设备进行校准和调零。

最后该套装置还应具有导体及连接金具温度实时采样的功能，以及可视化的操作界面。

3 装置原理及组件设计

3.1 恒流源

该套装置使用到的恒流源设计为：空载输出最大DC 2V，最大输出电流DC 250A，使用高精度分流器进行恒流采样，电流精度±0.5%或±0.1A，取精度较高值。同时恒流源具有串口通讯功能，适应Modbus通讯协议，能够通过内部寄存器的读写确保上位机有效控制电流输出及实际电流反馈。

此类恒流源有电源设计研发企业提供成熟稳定的产品，故不做过多赘述。

3.2 信号放大器

微伏级（μV）信号的准确测量是该装置的最大难题，由于信号过小，常规的测量仪表都不能够直接测量，且接触热电势、热电偶效应、通信信号干扰等都会对试验结果造成影响。

经过技术可行性分析，设计制作一个可以多档位调节，最大可以放大1000倍的信号放大器，然后使用AD转换进行读取。

为了避免电源纹波带来的干扰，放大器的设计使用了9V电池供电。根据功耗计算，2节9V电池可保证500次以上的间断使用（每次试验时实际使用时间很短，不超过5分钟）。

选用金属制密封盒作为电场屏蔽，安装电路板。

选用高精度仪表级运放作为放大器件，选用高精度的电阻，并设计2级调零。放大器电路图如下图1所示。另一只用于反向输出，在总放大倍数的情况下放大“-1”倍。设计双向输出主要是为了方便地进行正反向测量。第二级放大器及反向输出放大器设计了“Zero1、Zero2”两个调零电位器，用于每次试验前的放大器调零。外接的5针接口通过板载继电器组由上位机自动选择需要的放大倍数。

3.3 基准信号源

试验过程中，放大器需要使用该基准信号源进行调零和校准。基准信号为微伏级，输出范围为微伏至百微伏。基准信号源设计如图2所示。

图2 基准信号源设计电路

基准信号源使用一节AA电池供电，使用“lm385-1.2”作为基准电压输出。“lm385-1.2”是一款高精度的电压基准稳压管，使

图1 放大器设计电路

电路设计有两级放大，并有一级放大倍数为“-1”的反向输出，能够输出正负两路被测信号。

输入信号使用二极管消除可能存在的高幅值的干扰信号，并通过共模电感滤除共模干扰。第一级放大器选用了一片“INA128”仪表运算放大器，该级放大器直接将信号放大“-500”倍之后输出，至第二级放大器。第二级放大器同样选用了一片高精度运放，内含2只运放主体。一只用于第二级放大，通过外接的5针接口选择放大倍数，电阻匹配的放大倍率为“-0.2X、-0.5X、-1X、-10X”，与第一级配合总放大倍数为“100X、250X、500X、1000X”。用1.5V供电后，能够提供典型值为1.205～1.260V的基准电压。需要对采购的“lm385-1.2”进行测量，输出电压为1.238V。通过外接的继电器组由上位机自动选择需要的校准信号值，输出“1.105μV、5.158μV、10.316μV、25.791μV、50.581μV、103.158μV”，基准信号覆盖范围较大，能够满足校准需求。

3.4 上位机及界面显示

管理上位机选用stm32f1系列单片机作为嵌入式平台核心，stm32是一款由“ST”公司出品的基于Contex-M3内核的32位单片机，近年来应用非常广泛，依托其便捷免费的开发环境，非常适合用其作为中小运算量装置的运算管理核心。

此次设计的装置控制系统结构如图3所示。

图3 控制系统结构

根据需求，选择了STM32F103C8这一型号的单片机，该型号单片机具有64K ROM、20K RAM、37IO、LQFP48封装，工作最高主频72M，具有10路12位片载AD转换以及3个硬件串口控制器。

图3描述的控制系统结构中，使用串口1以通讯方式与显示及触摸屏进行数据显示，对人员的操作进行响应。同时使用串口2对恒流源进行控制，并读取恒流源实际电流值。

其中ADS1232是一片使用非常广泛的24位AD转换芯片，由于我们要测量的电压信号在毫伏级，使用STM32F1的片载12位AD转换后分辨率不够高，所以选用专用AD转换芯片进行转换。单片机采用查询法使用GPIO口对ADS1232进行控制，并读取数据。

基准信号源及放大器的档位设定使用GPIO口驱动三极管后驱动继电器组进行档位的选择。

使用热电偶对导体及连接金具进行测温，经过热电偶专用放大器，将0~200℃对于0~3.3VDC后，使用单片机片载AD进行采样。

显示屏选用市面上常见的带触摸的串口通讯屏，显示屏自带显示及触摸控制器，减少单片机操作运算量。使用设计软件将设计好的显示界面存在SD卡中，该显示屏即可自主显示，单片机只需要将需要显示的动态数据通过串口与之通讯即可，同样的对于触摸操作，显示屏自主完成识别，将相应的操作用通讯代码发送至单片机进行处理。

整套装置在单片机的控制下以图4的逻辑进行运行，最终完成测试。

4 装置的校准及验证

在使用设计的装置之前，需要对基准信号发生器送校准机构校准，得到准确的每一档输出电压值，手动存入单片机ROM中待用。实际进行试验时需要使用四端夹具，装置的放大器输入端连接四端夹具内侧端子，采样电压值。

图4 装置执行逻辑

验证试验采用电力电缆直流电阻样品进行测试，有效长度1000mm，试验在恒温（20±5℃）间内进行，试验前试验样品已经过24h的平衡。针对同一样品分别使用本次设计制作的装置和QJ36型电桥进行测量，并将结果进行比较（QJ36型电桥是典型的用于导体直流电阻测量的精密仪器，搭配10-3Ω标准电阻时，其最小分辨率为0.01μΩ。）。比对结果如下表1所示。

表1 对比试验结果

通过该比对试验可以看出，此次设计的“间接式导体连接金具电阻测试装置”具有较高的精度，能够有效完成微小电阻的精密测量。

纵观整个装置的设计及制造过程，微小信号的高倍率放大以及精密AD转换采样是最大的难点。主要的问题是系统抗干扰要求非常高，经过反复研究后，采取了如下措施解决了相关的问题：放大器及基准信号源采用干电池供电。采用全密闭的金属盒安装放大器及基准信号源，仅预留输入输出开孔。24位AD芯片需要合理的PCB布线。

此次设计制作的“间接式导体连接金具电阻测试装置”是模拟电路技术、嵌入式技术与线缆检测技术经验的有效结合，通过“欧姆定律”这一最基本的电学原理，最终完成了35kV及其以下电力电缆导体连接金具的微小电阻测量。

[1]国家标准GB/T 9327-2008.

[2]国家标准GB/T 3956-2008.

Design and application of resistance testing equipment for 35kV and below power cable conductor connector

Hua ying，Bao Zhenyu
（Jiangsu Institute of product quality supervision and inspection, Jiangsu Nanjing, 214200）

GB/T 9327-2008 provides the relevant test methods and requirements for the compression type and mechanical connection fittings used in 35kV power cable conductors in china. According to the standard of indirect measurement, the use of “Ohm’s law” principle, the use of STM32 as the embedded platform is designed for automatic connection fittings resistance measuring device, and measuring the comparison with the traditional QJ36 bridge.

connecting hardware; resistance measurement; embedded development