小型斷路器觸頭電性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

王杰，姚芳，李志剛，李錚

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130；2.河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；3.天津電力公司城東供電公司，天津 300250）

小型斷路器觸頭電性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

王杰1，2，姚芳1，2，李志剛1，2，李錚3

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130；2.河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；3.天津電力公司城東供電公司，天津 300250）

觸頭是小型斷路器（MCB）的執(zhí)行部件，為了研究觸頭的機(jī)電磨損與性能退化，設(shè)計(jì)了一種小型斷路器觸頭電性能測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置通過PCI-1750 I/O口控制交流固態(tài)繼電器的通斷來產(chǎn)生觸頭負(fù)載回路所需的測(cè)試電流，PCI-1742U數(shù)據(jù)采集卡對(duì)觸頭兩端的電壓電流的信號(hào)進(jìn)行高速采樣，以DMA方式傳輸給工控機(jī)。通過對(duì)觸頭兩端的電壓電流數(shù)據(jù)的處理和分析，為觸頭機(jī)電磨損和退化的分析研究提供了重要的依據(jù)。

小型斷路器；觸頭；電性能

MCB廣泛應(yīng)用于日常居民及各種公共場所的建筑電氣線路中［1-2］。線路過載或短路時(shí)，MCB能及時(shí)分?jǐn)嘤|頭，切斷電路，保護(hù)供電線路及設(shè)備［3-4］。觸頭作為MCB的執(zhí)行元件，觸頭間電壓電流波形直接反映了觸頭的動(dòng)力學(xué)行為，是MCB運(yùn)動(dòng)性能及動(dòng)作可靠性的最直接反映［5-7］。MCB過載或短路分?jǐn)鄷r(shí)，觸頭承載的電壓電流都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)短暫的過渡過程，并伴隨有機(jī)電磨損。觸頭分?jǐn)噙^程中，會(huì)產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象，伴隨著能量的損耗。MCB穩(wěn)定接通時(shí)，觸頭承載的電壓電流也是隨時(shí)間不斷變化的，觸頭電接觸性能的優(yōu)劣直接影響到單位時(shí)間的電能量損耗［8］。

因此，研究MCB觸頭電性能損耗有助于評(píng)估可靠性，保證用電安全和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1　測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是對(duì)MCB觸頭兩端的電壓電流波形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，通過傳感器來跟蹤觸頭電壓電流實(shí)時(shí)變化情況，并對(duì)輸出的感測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集卡和控制器之間雙向通信，協(xié)同完成數(shù)據(jù)的采集、緩存、存儲(chǔ)等系列操作。

MCB觸頭電性能損耗測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，電源主要是為各硬件組成部分提供電能；電阻負(fù)載即作為交流負(fù)載使用又通過交流固態(tài)繼電器的通斷參與電流的產(chǎn)生與控制；測(cè)量器件采用帶有隔離，耐壓高，能夠快速響應(yīng)測(cè)量實(shí)時(shí)參數(shù)的傳感器件；工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡與外部電路連接構(gòu)成數(shù)據(jù)采集電路和控制電路。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Overall structure diagram of test system

MCB觸頭電性能測(cè)試系統(tǒng)硬件電路主要包括模擬負(fù)載控制電路、電壓電流檢測(cè)電路以及數(shù)據(jù)采集電路。

1.1負(fù)載及其控制電路設(shè)計(jì)

1.1.1負(fù)載電路設(shè)計(jì)

負(fù)載電路采用多路負(fù)載并聯(lián)的方式，產(chǎn)生不同等級(jí)的模擬電流，其并聯(lián)結(jié)構(gòu)電路如圖2所示。通過對(duì)支路開關(guān)的控制，決定接通的支路，進(jìn)而確定電路總電阻。當(dāng)工作電壓為Us=220 V，試驗(yàn)樣品MCB的額定工作電流為In時(shí)，可以選擇阻值為Us/In的電阻，產(chǎn)生單倍額定電流。按照C型小型斷路器可靠性檢測(cè)試驗(yàn)的電流等級(jí)，設(shè)計(jì)的電路也應(yīng)能產(chǎn)生1.13In，1.45In，2.55In，5In，10In的電流。試驗(yàn)所需的2.55In電流可以由In電流與1.55In電流疊加構(gòu)成，1.45In與1.55In電流支路組合可等效取代3個(gè)單倍額定電流支路。故試驗(yàn)設(shè)定采用14個(gè)電阻支路，11個(gè)支路產(chǎn)生In電流，其余3個(gè)支路分別產(chǎn)生1.13In，1.45In與1.55In的電流，電阻值分別為Us/1.13In，Us/1.45In與Us/1.55In。

圖2　負(fù)載電路設(shè)計(jì)Fig.2　Design of load circuit

1.1.2負(fù)載控制電路設(shè)計(jì)

負(fù)載電阻通斷控制的開關(guān)必須速度快，保證時(shí)間參數(shù)的測(cè)試精度。這里采用典型的過零型交流固態(tài)繼電器（ACSSR）。固態(tài)繼電器動(dòng)作時(shí)間控制在1 ms以下，額定工作電壓為DC 12 V，額定工作電流為5～20 mA。輸入端可接電壓范圍為DC 9.6～14.4 V。

ACSSR之所以可以實(shí)現(xiàn)通斷、電路狀態(tài)的切換是通過工控機(jī)中相應(yīng)板卡的I/O口的控制來實(shí)現(xiàn)的?？刂齐娐啡鐖D3所示，當(dāng)給板卡DIO0位賦值高電平時(shí)，即數(shù)字量“0”時(shí)，DIO0與IGND之間的電路將導(dǎo)通，外加的12 V直流電源將加載到ACSSR的控制端，從而電阻R0經(jīng)過ACSSR連入主回路中。當(dāng)給DIO0位賦值低電平時(shí)，即數(shù)字量“1”時(shí)，DIO0與IGND之間的電路不導(dǎo)通，ACSSR的控制端口沒有電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)，電阻R0未能連入主回路中，同時(shí)各電路支路之間處于隔離狀態(tài)，相互間通斷互不影響。

圖3　控制電路設(shè)計(jì)Fig.3　Design of control circuit

1.1.3端口選擇設(shè)計(jì)

在控制電路中總共使用14個(gè)DIO端口，其中DIO0～DIO10分別連接產(chǎn)生電流為In的負(fù)載電路支路，DIO11端口連接產(chǎn)生電流為1.45In的負(fù)載電路支路，DIO12連接產(chǎn)生電流為1.55In的負(fù)載電路支路，DIO13連接產(chǎn)生電流為1.13In的負(fù)載電路支路。而電流大小的具體選擇實(shí)現(xiàn)則如表1所示，其中“0”表示接通，“1”表示不接通。

表1　電流等級(jí)與DIO端口選擇Tab.1　Current rating and DIO port selection

1.2觸頭電壓電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

MCB接通后流經(jīng)觸頭的電流就等于負(fù)載控制電路產(chǎn)生的電流，電流級(jí)別為0～14A。在觸頭分?jǐn)噙^程中，由于電弧的存在，仍會(huì)有電流流過；當(dāng)電弧完全熄滅以后，觸頭上的電流降到零。MCB由接通到完全斷開過程中，電流數(shù)量級(jí)跨度大，從A到mA最后變?yōu)?。這里采用了測(cè)量頻帶寬、響應(yīng)時(shí)間快、線性度高的電隔離電流傳感器。能測(cè)量AC 0～15A的電流，輸出相對(duì)應(yīng)的AC 0～5 V電壓，同時(shí)，觸頭從接通到完全分?jǐn)噙^程中，壓降從微（μV～mV）電壓值，變大到220 V，變化范圍大，故采用0～15 V和0～250 V的2個(gè)量程的交流電壓傳感器進(jìn)行測(cè)量，通過軟件程序進(jìn)行選擇，兼顧了測(cè)量精度和量程的設(shè)計(jì)，電壓傳感器的輸出電壓范圍為0～3.5 V。電壓電流傳感器連接示意圖如圖4所示。

圖4　傳感器連接示意圖Fig.4　Schematic diagram of sensor connection

1.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路主要負(fù)責(zé)工控機(jī)和感測(cè)信號(hào)端的連接，是測(cè)試系統(tǒng)的核心，可以選用多功能高分辨率帶隔離的數(shù)據(jù)采集卡，采用16位DAC，最高采樣率可達(dá)1MS/s，采集分辨率為16位。

感測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過傳感器內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路處理后才能接入數(shù)據(jù)采集卡。測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理電路主要包含兩部分：一部分是集成在電壓電流傳感器中的信號(hào)調(diào)理電路，主要包含衰減、隔離；另一部分是端子板，端子板除了提供外部信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡接口外還帶有低通濾波，電路可以抑制噪聲信號(hào)。數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)組成框圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集電路Fig5　Data collection circuit

2　測(cè)試系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

在測(cè)試系統(tǒng)中，固態(tài)繼電器及小型斷路器等產(chǎn)生的噪聲與電路中交流導(dǎo)線周圍的磁場變化都是不可避免的，都會(huì)成為電磁干擾的干擾源。

系統(tǒng)中的硬件可以考慮采用接地的方式，將傳感器的地線與數(shù)據(jù)采集卡的地線共用。由于電壓電流信號(hào)輸出屬于交流信號(hào)，需要在輸出信號(hào)源的兩端接入偏置電阻，釋放偏置電流，防止偏置電流過大損壞板卡，具體連線圖如圖6所示。

圖6　偏置電阻連接Fig.6　Bias resistor connection

在電路中，采用專用電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，相鄰的2根彼此絕緣的銅線內(nèi)電流相反，從而使得感應(yīng)磁場引起的噪聲電流相互減弱乃至抵消。采用工控機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3　結(jié)論

在小型斷路器電性能損耗測(cè)試系統(tǒng)中，通過對(duì)觸頭電壓電流數(shù)據(jù)的采集?？梢詫?shí)時(shí)計(jì)算出觸頭通斷過程瞬間的能量損耗，分析處理可以得到MCB延時(shí)時(shí)間和燃弧時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)而分析觸頭的機(jī)電磨損和退化。

［1］ 李希高.小型斷路器附件的功能及使用［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2015，45（2）：35-37.

［2］ 梁世興.微型斷路器的選型和短路分析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（14）：19-20.

［3］ 周鶴良，陳德桂，陸儉國.國內(nèi)低壓斷路器及關(guān)鍵配件市場規(guī)模分析［J］.電氣技術(shù)，2011（10）：36-38.

［4］ 楊宇，江玉坤，司鶯歌.熱雙金屬溫度變化對(duì)延時(shí)特性的影響［J］.電器與能效管理技術(shù)，2015（4）：34-36.

［5］Kawase Y，Yamaguchi T，Iwashita K，et al.3-D f-lnite Ele?ment Analysis of Dynamic Characteri-stics of Electromagnet with Permanent Magnets［J］.IEEE Trans.on Magn.2006，42 （4）：1339-1342.

［6］ 榮命哲，王小華.智能開關(guān)電器設(shè)計(jì)方法探究［J］.高壓電器，2010，46（9）：1-2.

［7］ 程亞平，李志剛，豈峰.小型斷路器可靠性檢測(cè)裝置［J］.電氣應(yīng)用，2008，27（4）：79-81.

［8］ 許良軍，蘆娜，林雪燕，等.電接觸理論應(yīng)用與技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Design of Electrical Performance Test Device for Contact of MCB

WANG Jie1，2，YAO Fang1，2，LI Zhigang1，2，LI Zheng3
（1.College of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2.Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Reliability of Hebei，Tianjin 300130，China；3.East Power Company，Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300250，China）

The contact is the executive component of the miniature circuit breaker.In order to study the mechanical and electrical wear and performance degradation，a miniature circuit breaker contact power test device was designed.The test device generated contact load test current with the PCI-1750 I/O port to control AC solid-state relay，PCI-1742U data acquisition card sampled the voltage and current signals of the contact with a high speed，transfered to the computer with a way of DMA.The data record and analysis of the contact voltage and current of the miniature circuit breaker in real time are provided to study the mechanical and electrical wear and performance degradation.

miniature circuit breaker（MCB）；contact；electrical properties

TM561

A

2015-09-25

修改稿日期：2016-04-14

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51107029）

王杰（1992-），男，碩士研究生，Email：1564661557@qq.com