張懷亮，吉新科

（1.海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

近幾年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，船舶電力系統(tǒng)也逐漸復(fù)雜化和智能化[1-2]。配電板作為船舶電站中的重要組成部分，其包含的設(shè)備種類和數(shù)量繁多，因此也將面臨設(shè)備管理，多種故障檢測及維護(hù)等問題。配電板故障不僅影響著船舶的安全運(yùn)行、威脅船員人身安全，還可能造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，在此形勢下，配電板的故障監(jiān)測成為了緊迫之需。母排是配電板中的關(guān)鍵組成設(shè)備之一。而母排與母排連接處的接觸電阻則是母排的主要參數(shù)[3]。因此，對(duì)母排連接處接觸電阻的測量是至關(guān)重要的。本文通過對(duì)母排連接處接觸電阻形成的原因分析，并根據(jù)接觸電阻診斷測量方法的對(duì)比，設(shè)了一種實(shí)時(shí)測量接觸電阻的方法[4]。其是通過采集連接處兩端的電勢差和流經(jīng)母排連接處的電流，再根據(jù)歐姆定律即可得到接觸電阻[5]。并對(duì)該方法進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和軟件方案設(shè)計(jì)。最后，通過分析表明，此方法能夠?qū)δ概沤佑|電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在船舶配電板中，多處地方的銅母排都是分段的，通過螺栓加固，將銅母排之間相互連接起來，如圖1所示，銅母排連接示意圖。

圖1 銅母排連接示意圖

銅母排相互連接的接觸面實(shí)際上并不是光滑的，而是粗糙的、凹凸不平的。這是由于在微觀層面生產(chǎn)制造過程中加工工具的運(yùn)動(dòng)軌跡造成的，這就導(dǎo)致了兩個(gè)接觸面不是面接觸或線接觸，而是無數(shù)個(gè)斑點(diǎn)接觸形成的。并且氧氣和其他腐蝕性氣體還會(huì)進(jìn)入母排接觸區(qū)域，和暴露的金屬發(fā)生反應(yīng)形成金屬膜層，進(jìn)一步減少金屬接觸面積，從而導(dǎo)致導(dǎo)電區(qū)域再次減小。由于接觸表面并不是理想狀態(tài)，且電流受到氧化膜等影響，接觸電阻(Rj)可認(rèn)為由收縮電阻(Rs)和膜電阻(Rm)構(gòu)成[5-6]。

如圖2所示，由于相連的銅母排是通過接觸斑點(diǎn)A進(jìn)行導(dǎo)電的，當(dāng)電流流經(jīng)接觸斑點(diǎn)A時(shí)，電流線收縮使電阻增加，這個(gè)增加的電阻定義為收縮電阻。

單個(gè)接觸斑點(diǎn)收縮電阻為

式中：ρ1和ρ2為接觸金屬電阻率，Ω·m；r為接觸區(qū)域的半徑，m。

圖2 收縮電阻形成示意圖

母排接觸表面受到氧氣和其他腐蝕性氣體的影響形成膜層，膜層導(dǎo)致導(dǎo)電接觸面積減小，增加了電流通過的難度，引起接觸點(diǎn)的電阻增大，即產(chǎn)生膜層電阻。單個(gè)接觸斑點(diǎn)的膜層電阻為

式中：σ為膜層單位面積的電阻，Ω·m2。

因此，根據(jù)上述對(duì)接觸電阻產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，可知配電板中母排通過螺栓加固進(jìn)行連接，自身就會(huì)存在一個(gè)固有的接觸電阻。然而由于船舶配電板長期運(yùn)行在海上或者沿海地區(qū)，環(huán)境會(huì)比較惡劣。在高溫、高濕、鹽霧、霉菌的環(huán)境下，母排接觸表面就會(huì)發(fā)生氧化、腐蝕等現(xiàn)象，使得膜層電阻增大；在沖擊、振動(dòng)、傾斜搖擺等環(huán)境下，母排與母排連接的螺栓會(huì)發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致壓力過小，使得導(dǎo)電的接觸面積變小。最終造成接觸電阻增大。

2 接觸電阻的診斷及測試方法

2.1 接觸電阻診斷方法

配電板正常運(yùn)行時(shí)，母排連接處流經(jīng)的電流達(dá)到千安級(jí)別。隨著母排連接處導(dǎo)電區(qū)域的減小，接觸電阻增大，電流流經(jīng)接觸面，就會(huì)產(chǎn)生電火花和電弧現(xiàn)象，造成接觸表面燒蝕。當(dāng)達(dá)到一定運(yùn)行時(shí)長，在母排連接處就會(huì)產(chǎn)生大量的熱，溫度快速上升，使得連接母排處的表面層軟化或熔化，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至全船失電。產(chǎn)生的熱量可近似由式(4)表示。接觸電阻的溫度與電流大小和通電時(shí)間關(guān)系可通過式(5)表示。

式中：T0為接觸件接觸點(diǎn)初始溫度，℃；α為接觸件材料的溫度傳導(dǎo)系數(shù)；λ為接觸電阻長度，m。

從上面分析可知，母排接觸電阻的預(yù)防和診斷是緊迫之需的。目前，對(duì)接觸電阻進(jìn)行檢測的普遍方法有兩種：通過紅外檢測連接處的溫度和直接測量接觸電阻值。

通常情況下，檢測接觸電阻一般借助于紅外熱像儀來檢測金屬接觸處是否存在過熱現(xiàn)象[7]。但是當(dāng)用紅外熱像儀檢測到溫度過熱時(shí)，這時(shí)母排連接處接觸電阻已經(jīng)很大，并且過熱也較為嚴(yán)重，就需要采取措施減負(fù)荷、甚至停電檢修；還有一種情況就是在電流過小時(shí)，通過溫度很難判斷母排連接處的接觸電阻是否過大。尤其是在船上的狹小空間，母排安裝于配電板內(nèi)部，這就增加了測量母排連接處溫度的難度。因此，母排連接處出現(xiàn)氧化、腐蝕、松動(dòng)等問題時(shí)，除了檢修維護(hù)時(shí)容易發(fā)現(xiàn)外，其他時(shí)刻很難察覺到。

直接測量接觸電阻是診斷母排連接處接觸情況和導(dǎo)電性能最為直接、有效的方法[6,8]。通過測量母排連接處的端電壓，以及流進(jìn)連接處的電流，利用歐姆定律計(jì)算得到接觸電阻阻值。將電阻值數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控系統(tǒng)，直觀的顯示出接觸電阻的阻值。當(dāng)接觸電阻達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)，值班人員就可以采取措施，對(duì)母排連接處進(jìn)行檢修，從而提高母排連接的可靠性，降低配電板的故障率，保證供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 直接測量接觸電阻的方法

由于母排連接處的接觸電阻非常小，用普通的測電阻方法測取的電阻值會(huì)有很大的誤差，難以得到準(zhǔn)確的電阻值。目前，對(duì)小電阻的測量方法有以下幾種：

直流恒流源法，此方法被廣泛應(yīng)用于接觸電阻的測量[9-10]。其是通過一個(gè)恒流源為金屬接觸處提供一個(gè)恒定的電流，然后再通過測量電路得到接觸處兩端的電壓差，之后利用歐姆定律計(jì)算得到接觸電阻的電阻值。直流恒流源測接觸電阻原理圖如圖3所示。

圖3 直流恒流源測接觸電阻原理圖

脈沖電流法[11-13]，是通過大電流流經(jīng)接觸部分，但是通電時(shí)間很短只有幾百微秒，此時(shí)接觸電阻產(chǎn)生的熱量使連接處的溫度升高不多，根據(jù)式(6)，可知接觸電阻值大小變化也不大。此方法電流值較大，在連接處由接觸電阻產(chǎn)生的電壓降較高，這種情況下得到的測量精度也相對(duì)較高。

式中：R0為溫度為0時(shí)的接觸電阻，Ω；Rθ為溫度為θ時(shí)的接觸電阻，Ω；β為電阻溫度系數(shù)。

除了上述2種方法已經(jīng)在工程實(shí)踐中得以應(yīng)用外，還有電解槽法、三次諧波法等方法也在實(shí)驗(yàn)室條件下完成了接觸電阻的測量研究。

根據(jù)對(duì)接觸電阻測量方法的對(duì)比分析，并結(jié)合船舶的環(huán)境條件，可知直流恒流源法需要使用大電流發(fā)生器來提供大電流用于測量接觸電阻，而大電流發(fā)生器的體積和重量都很大,不方便安裝在配電板內(nèi)部，使用場地受到了限制。脈沖電流法可以通過電路設(shè)計(jì)滿足需求，并且其體積和重量都要小，但是此方法更適合測試靜態(tài)接觸電阻。為了滿足配電板有限的空間，又可以實(shí)時(shí)的檢測母排接觸電阻，我們需要提出一種適用于船舶配電板母排接觸電阻測量的方案。

3 母排接觸電阻測試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

3.1 母排接觸電阻測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

通過上述對(duì)接觸電阻測量方法的分析，目前的方法并不適用于配電板中母排接觸電阻的測量。因此我們提出了一種新的測試母排接觸電阻的方案。該方法是在配電板正常工作時(shí)，利用配電板中已有的電流互感器，得到流經(jīng)母排連接處的電流 I。再通過測量圖4中母排連接處a，b兩端電壓U，之后通過歐姆定律得到接觸電阻R。此方案與直流恒流源法原理相同，都是利用歐姆定律，但是該方案省去了大電流發(fā)生器，更易于集成到配電板之中。

圖4 接觸電阻測量等效電路圖示意圖

接觸電阻帶電測量為典型的伏安電阻測量。然而由于母排連接處接觸電阻的量級(jí)非常小，所以當(dāng)電流流經(jīng)接觸電阻時(shí)，則連接處兩端的電壓降很小，故要求測試電壓的電路要具有較高靈敏度。因此，可以得到接觸電阻測量系統(tǒng)框圖，如圖5所示，其中包括電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路，信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，中央處理器CPU，監(jiān)控系統(tǒng)等。

電流值是通過電流傳感器采集并輸入到電流信號(hào)調(diào)理電路之后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；電壓信號(hào)是通過采集連接處接觸電阻兩端a，b的電勢，通過放大電路將接觸電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，同樣也進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。然后，將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)輸出到中央處理器CPU。中央處理器CPU對(duì)A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、處理，從而計(jì)算得到接觸電阻的阻值，并與預(yù)設(shè)報(bào)警電阻值進(jìn)行比較。隨后，將電阻值和報(bào)警信號(hào)通過串口通訊傳給監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)管理等。

圖5 接觸電阻測量系統(tǒng)框圖

3.2 信號(hào)調(diào)理電路的方案設(shè)計(jì)

配電板正常運(yùn)行時(shí)，電流通過母排流入不同的用電設(shè)備，而母排連接處由于接觸電阻的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降。接觸電阻的量級(jí)很小，壓降也就很小，所以采集到的電壓降需要進(jìn)行放大處理。采集信號(hào)處于高壓環(huán)境，電磁干擾也相對(duì)嚴(yán)重，連接處a，b兩端的對(duì)地電勢很大，但是兩者的差值非常小，因此電壓采集電路可以采用差分放大電路[14-15]，如圖 6a)所示。微弱信號(hào)放大通常采用的是一種具有精密差動(dòng)電壓增益的放大器件，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、低溫漂、高共模抑制能力、低失調(diào)電壓、高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。所以能夠較好地抑制包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾。放大器通過外接一個(gè)精密電位器Rg，通過改變Rg電阻值的大小來改變增益G，如關(guān)系式(7)所示。

母排連接處流經(jīng)的電流可以通過電流互感器測得，之后采集得到的電流信號(hào)利用采樣電阻得到電壓信號(hào)，利用運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)[16]，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如圖6b)所示。

圖6 信號(hào)檢測與調(diào)理電路

3.3 接觸電阻測量系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)

軟件程序是接觸電阻測試系統(tǒng)中不可或缺的部分，其不僅要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的初始化，還要根據(jù)測試要求實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和算法等功能。

母排連接處接觸電阻測量系統(tǒng)的軟件功能模塊主要由以下部分組成：主程序、系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理計(jì)算、阻值判斷、串口通信等部分。該軟件功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電壓、電流信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理計(jì)算，串口通訊等功能。其程序流程圖如圖 7所示，主要包括以下方面的程序：

初始化程序：完成對(duì)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化、I/O 口的初始化等。

數(shù)據(jù)采集子程序：完成電壓、電流參數(shù)的采集；

A/D轉(zhuǎn)換子程序：電壓、電流參數(shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；

數(shù)據(jù)處理子程序：參數(shù)計(jì)算，得出電阻值；

串口通信子程序：完成 CPU 和 監(jiān)控系統(tǒng)互相通信。

接觸電阻測量系統(tǒng)啟動(dòng)，程序開始，各功能模塊進(jìn)行初始化。初始化完成后，正式進(jìn)入主程序處理環(huán)節(jié)。第一步采集電壓、電流參數(shù)信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)調(diào)理；第二步將信號(hào)調(diào)理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；第三步對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到電阻值；第四步將所得電阻值與預(yù)設(shè)報(bào)警電阻值進(jìn)行比較，之后將電阻值和報(bào)警信號(hào)通過串口通訊傳給監(jiān)控系統(tǒng)；第五步監(jiān)控系統(tǒng)顯示接觸電阻的阻值，并根據(jù)報(bào)警信號(hào)做出報(bào)警。

4 結(jié)論

基于船舶電站智能化的需求，能夠?qū)ε潆姲鍏?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對(duì)故障做出預(yù)警提示，是目前的發(fā)展趨勢。本文提出了一種帶電測量母排接觸電阻的方法，并對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和軟件方案設(shè)計(jì)。通過對(duì)母排連接處接觸電阻形成的原因分析，并根據(jù)接觸電阻診斷測量方法的對(duì)比，設(shè)了一種實(shí)時(shí)測量接觸電阻的方法。該方法是通過采集母排連接處兩端的電勢，得到連接處兩端的電勢差，同時(shí)測得流經(jīng)母排連接處的電流，再根據(jù)歐姆定律即可得到接觸電阻。利用該方法可以對(duì)正在運(yùn)行的母排連接處實(shí)時(shí)的進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集，從而獲得接觸電阻參數(shù)，使得值班人員更加直觀的了解到母排連接處接觸電阻的情況，及時(shí)做出維護(hù)處理。即使在戰(zhàn)時(shí)或高速航行狀態(tài)下，如果接觸電阻過大，可以通過對(duì)母排連接處接觸電阻的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提醒操作人員控制流經(jīng)該母排的電流大小，保證母排連接處溫度不會(huì)過高，從而保證配電板處于可用狀態(tài)。最后，通過分析表明，此方法能夠?qū)δ概沤佑|電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并且可以預(yù)防母排接觸電阻過大造成的安全事故，保證船舶供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

圖7 接觸電阻測量系統(tǒng)軟件程序流程圖