小型斷路器合分閘操作試驗系統(tǒng)的設(shè)計及試驗分析

摘" 要：

針對當(dāng)前實驗室使用氣動試驗裝置對小型斷路器進(jìn)行機(jī)械電氣壽命試驗時速度不可控，易損傷手柄，操作路徑簡單，不足以執(zhí)行所有產(chǎn)品手柄的合閘等問題，設(shè)計了一種小型斷路器合分閘操作試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)通過三軸運動控制，以平穩(wěn)可控的運動速度和弧形運動軌跡實現(xiàn)產(chǎn)品手柄的合閘操作，產(chǎn)品適用范圍更廣;通過在末端執(zhí)行器上搭載力傳感器，實現(xiàn)在執(zhí)行試品手柄合閘時的合閘力實時監(jiān)測;通過搭載機(jī)器視覺系統(tǒng)實現(xiàn)試品試驗操作位置的智能獲取。試驗結(jié)果表明，所提出的試驗系統(tǒng)能在不同合閘操作中監(jiān)測到具有不同特征的力變化情況，且試驗系統(tǒng)的弧形合閘速度能滿足國標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：

小型斷路器; 操作試驗; 壽命試驗; 圖像識別; 自動化

中圖分類號： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）10-0053-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.009

謝振華（1983—），男，高級工程師，主要從事低壓電器檢測研究。

王" 錚（1997—），男，工程師，主要從事自動控制研究工作。

何普全（1997—），男，工程師，主要從事自動控制研究工作。

*基金項目： 省自然科學(xué)基金資助（LTGG23E070001）

Design and Experimental Analysis on Testing System for Closing-Opening Operation of MCB

XIE Zhenhua1，2，3*，" WANG Zheng1，2，3，" HE Puquan1，2，3，" HUANG Huigen1，2，3，" LIU Guiqin4

（1.Zhejiang Engineering Research Center of Intelligent Electrical Apparatus Testing and Detection Techniques， Hangzhou 310000， China;

2.Zhejiang Testing amp; Inspection Institute for Mechanical and Electrical Products Quality Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China;

3.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Intelligent Low-Voltage Electrical Appliances and New Energy Application， Hangzhou 310000， China;

4.Zhejiang Institute for Product Quality and Safety Science， Hangzhou 310000， China）

Abstract：

In order to address the shortcomings of existing pneumatic testing devices used to execute mechanical and electrical life tests of MCB in the laboratory，such as uncontrollable speed and easily making handles damaged ，as well as too simple operation path which is not sufficient to perform all MCBs’ handle closing，a test system for the closing and opening operation of MCB is designed.The system achieves the closing operation of the product handle with a stable and controllable speed and curved motion trajectory through three-axis motion control.The product has wider applicability.By installing a force sensor on the end effector，the real-time monitoring of the closing force during the closing and opening of the test handle can be achieved.By carrying machine vision，the intelligent acquisition of operation position of the test samples can be achieved.The experimental results show that the proposed test system can monitor the changing force with different characteristics in the different closing operations，and the arc-shaped closing speed of the test system can meet the requirements of national standards.

Key words：

miniature circuit break（MCB）; operating test; life test; image recognition; automation

0" 引" 言

小型斷路器（MCB）是電力網(wǎng)中一種重要的開關(guān)電器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、民用及高層等場所，作為配電線路及設(shè)備的通斷控制、過載、短路和漏電保護(hù)裝置，其運行可靠性及穩(wěn)定性關(guān)乎用電質(zhì)量與安全。為檢驗考核MCB的質(zhì)量與性能，GB 16916.1—2014《家用和類似用途的不帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（RCCB）第1部分：一般規(guī)則》［1］、GB 16917.1—2014《家用和類似用途的帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（RCBO）第1部分：一般規(guī)則》［2］和GB 10963.1—2020《電氣附件 家用及類似場所用過電流保護(hù)斷路器 第1部分：用于交流的斷路器》［3］等規(guī)定了斷路器的“機(jī)械和電氣壽命試驗的驗證”，要求通過操作斷路器產(chǎn)品上的手柄和按鈕對其進(jìn)行數(shù)千次循環(huán)通斷操作，且如果有關(guān)人力操作，應(yīng)以（100±25）mm/s的速度驅(qū)動操作手柄。此外，在為提高用電安全性及可靠性對MCB進(jìn)行退化研究［4-5］、壽命研究［6-7］時，也需要通過操作試品手柄對其進(jìn)行循環(huán)通斷。這種操作試驗最早是通過人力來完成的，但這種機(jī)械式的重復(fù)勞動費時費力、成本高。當(dāng)前，MCB手柄的循環(huán)通斷操作試驗主要通過氣動裝置來完成［8-9］，但這種氣動試驗裝置只能借由氣缸以簡單的上下直線式運動路徑來執(zhí)行MCB手柄的合分閘，不符合MCB手柄自身的弧形合閘軌跡及實際工況，在試驗操作中易與產(chǎn)品外殼發(fā)生碰撞，不適用于所有類型產(chǎn)品的試驗。且氣動裝置還會出現(xiàn)氣體壓力波動導(dǎo)致速度不可控的現(xiàn)象。

為了解決現(xiàn)有試驗裝置存在的問題，本文設(shè)計了一種MCB合分閘操作試驗系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由伺服系統(tǒng)控制三軸的運動，以達(dá)到運動操作速度可控、軌跡可控的目的;在末端執(zhí)行器上設(shè)置了滾輪和力傳感器，以在推動手柄合閘的過程中借由滾動摩擦減少對手柄的損傷以及實時監(jiān)測合閘推動力;搭載了機(jī)器視覺系統(tǒng)，以智能獲取試品的操作位置信息。

1" 系統(tǒng)方案設(shè)計

MCB試驗系統(tǒng)總體方案如圖1所示。主要由相機(jī)組件、可編程邏輯控制器（PLC）、人機(jī)交互界面（HMI）、工業(yè)控制計算機(jī)和機(jī)械試驗裝置等組成。試驗人員通過HMI和上位機(jī)設(shè)置試驗參數(shù)，進(jìn)而通過伺服系統(tǒng)控制機(jī)械試驗裝置執(zhí)行產(chǎn)品試驗。

設(shè)計的機(jī)械試驗裝置中，末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括合閘執(zhí)行部、分閘執(zhí)行部、力傳感器和絲桿組件等。絲桿組件在試驗中用于產(chǎn)品按鈕的按壓操作，力傳感器在合閘執(zhí)行部推動手柄運動過程中實時監(jiān)測合閘力。合閘執(zhí)行部、分閘執(zhí)行部實現(xiàn)產(chǎn)品手柄合分閘。試品手柄合分閘過程示意如圖3所示。合閘時，令合閘執(zhí)行部位于手柄下方，并以弧形軌跡推動試品手柄合閘;分閘時，令分閘執(zhí)行器下行撥動手柄。在執(zhí)行手柄合閘時，在合閘執(zhí)行部末端安設(shè)滾輪能借由滾動摩擦降低對手柄的損傷;在執(zhí)行手柄分閘時，分閘執(zhí)行部能通過滑塊彈簧結(jié)構(gòu)自由運動，避免與產(chǎn)品外殼發(fā)生碰撞。

該系統(tǒng)能通過相機(jī)組件和機(jī)器視覺系統(tǒng)［10］智能識別及定位產(chǎn)品手柄和按鈕的試驗操作位置，進(jìn)而智能規(guī)劃試驗操作軌跡。

（1） 先后通過棋盤格和“九點標(biāo)定法”對相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行圖像畸變標(biāo)定和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，使得基于圖像識別獲得的位點數(shù)據(jù)能轉(zhuǎn)換為實際物理位置。圖像校正與標(biāo)定如圖4所示。

（2） 為試品手柄和按鈕建立圖像匹配模板，使用模板匹配算法識別產(chǎn)品手柄和按鈕所在的區(qū)域，并通過邊緣檢測、矩形檢測和橢圓檢測等圖像處理算法在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)識別手柄的最低位置以及按鈕的位置。試品手柄和按鈕位點識別如圖5所示。

（3） 基于獲得的手柄和按鈕的位置，通過末端執(zhí)行器上的測距傳感器測量末端執(zhí)行器與試品和按鈕間的距離，從而確定執(zhí)行產(chǎn)品手柄合閘的起始操作位置，以及按鈕的按壓操作位置。

（4） 給定經(jīng)驗參數(shù)規(guī)劃試驗操作軌跡，令末端執(zhí)行器以弧形軌跡執(zhí)行產(chǎn)品手柄的合分閘操作，并通過合閘力的實時變化情況來確定合閘終點。軌跡規(guī)劃流程如圖6所示。

2" 合閘力分析

末端執(zhí)行器中安有力傳感器，能在合閘執(zhí)行部推動手柄合閘的過程中實時監(jiān)測合閘力。為了研究合閘過程中的合閘力變化特征及表述方便，將試驗操作過程中出現(xiàn)的3種情況分別定義如下。① 欠合閘：試驗裝置執(zhí)行手柄合閘操作時沒有將手柄推動至合閘位置，手柄合閘失敗。② 準(zhǔn)合閘：試驗裝置執(zhí)行手柄合閘操作時將手柄推動到合閘位置，手柄合閘成功，且手柄到達(dá)極限運動位置后沒有被繼續(xù)推動。③ 過合閘：試驗裝置執(zhí)行手柄合閘操作時將手柄推動到合閘位置，手柄合閘成功，且手柄到達(dá)極限運動位置后繼續(xù)被推動，容易造成手柄損壞。

設(shè)定試驗系統(tǒng)對產(chǎn)品手柄的試驗操作動作為“弧形合閘—1 s延時停頓—分閘”。某試品在慢合閘速度下的合閘力變化如圖7所示。由圖7（a）與圖7（b）對比分析可知：① 當(dāng)末端執(zhí)行器推動手柄合閘時，從開始運動至手柄即將合閘或手柄合閘的過程中，采集到的合閘力呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律;② 在“延時停頓”階段，合閘力并非直接保持不變，而是呈現(xiàn)趨于平穩(wěn)的過程;③ 欠合閘操作中，當(dāng)末端執(zhí)行器推動手柄合閘失敗并執(zhí)行分閘動作時，試品手柄會跟隨末端執(zhí)行器回退，力傳感器能采集到該階段在壓力驟降為0前的力變化情況，主要體現(xiàn)在豎直（Y）軸方向上的力變化;④ 當(dāng)末端執(zhí)行器推動手柄合閘成功并繼續(xù)推動手柄時，豎直（Y）軸方向上的力呈現(xiàn)明顯的驟升現(xiàn)象。

某試品在快合閘速度下的合閘力變化如圖8所示。由圖8可知，在快合閘速度下，由于傳感器采樣率等限制，合閘力的變化細(xì)節(jié)缺失，但還具有“合閘到位時間”“是否合閘成功”等主體特征，且通過“延時停頓”階段的信號對比也能得出在快合閘速度下采集到的信號抖動較大。

部分MCB存在“準(zhǔn)合閘”操作，即將手柄扳動一段距離并超過某臨界位置后，手柄會因其內(nèi)部扭矩的轉(zhuǎn)換自動合閘［11］。如果能通過合閘力的變化規(guī)律確定產(chǎn)品的這種臨界位置，那么就能輕易確定執(zhí)行產(chǎn)品手柄合閘的操作終點。但很多產(chǎn)品并沒有這種明確的臨界位置，該試品也是如此。試品在臨界位置附近“準(zhǔn)合閘”操作下的合閘力變化如圖9所示。由圖9可知，在“準(zhǔn)合閘”操作中，試驗裝置能成功執(zhí)行試品手柄合閘，且在手柄合閘后幾乎沒有繼續(xù)推動手柄運動，Y軸向壓力在“延時停頓”階段前沒有明顯的上升，因此可以通過力的突變情況來判斷合適的合閘操作路徑，以防止成功合閘手柄后過度推動產(chǎn)品手柄。

通過上述試驗分析，可知本文所提出的試驗裝置能夠在對試品手柄進(jìn)行合閘操作時監(jiān)測合閘力，而且在不同情況下測得的合閘力具有不同的變化特征，能用于自動識別合閘情況及決定合適的手柄合閘終點，也有望用于基于合閘力進(jìn)行MCB的內(nèi)部老化及壽命研究。

3" 試驗測試與分析

3.1" 合閘速度檢驗

為了檢驗機(jī)械試驗裝置中末端執(zhí)行器推動產(chǎn)品手柄合閘時的平均合閘速度是否能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的（100 ± 25）mm/s，本文提出了一種合閘速度的檢驗方式。速度檢驗中的末端執(zhí)行器如圖10所示。為進(jìn)行速度檢驗，在機(jī)械試驗裝置末端執(zhí)行器上加裝了2個測距傳感器，在機(jī)械試驗裝置樣品安裝區(qū)域和末端執(zhí)行器下方各安裝了一塊平整板，然后在執(zhí)行弧形合閘的運動過程中，通過測距傳感器測得的位移變化和裝置的運動時間來間接計算弧形合閘的平均速度。

在弧形合閘期間，記通過高速采集卡采樣運動信號得到的合閘運動時間為t，測距傳感器在水平（X）向和豎直（Y）向的距離采樣值分別為（y1，y2，…， yn），（z1，z2，…，zn），那么近似的總運動距離s為

s=∑n-1i=1（yi+1-yi）2+（zi+1-zi）2（1）

近似的合閘平均速度v為

v=st（2）

當(dāng)給定弧形運動軌跡和預(yù)期的合閘速度為100 mm/s時，在試驗裝置執(zhí)行試品手柄弧形合閘的過程中，進(jìn)行測量。兩軸測距傳感器的測距變化如圖11所示。根據(jù)運動時間截取運動區(qū)間后，以運動起點為原點，可將圖11轉(zhuǎn)化為兩軸間的位移變化。兩軸位移變化關(guān)系如圖12所示。由圖12可直觀地表示出末端執(zhí)行器的運動軌跡，并可根據(jù)式（1）～式（2）計算得到實際的合閘平均速度約為95.4 mm/s。

3.2" 試驗裝置對比

（1） 裝置功能：原有氣動裝置試驗操作圖如圖13所示。原有氣動試驗裝置只能通過執(zhí)行產(chǎn)品手柄合分閘操作來進(jìn)行產(chǎn)品操作試驗?，F(xiàn)研裝置試驗操作圖如圖14所示?，F(xiàn)研試驗裝置能

通過執(zhí)行產(chǎn)品手柄合分閘和產(chǎn)品按鈕按壓操作來進(jìn)行產(chǎn)品操作試驗，且具有基于圖像識別的智能定位及實時合閘力采集功能。

（2） 手柄合閘路徑：原有試驗裝置僅能以上下式直線路徑執(zhí)行手柄合閘，不適用于所有產(chǎn)品的手柄合閘操作。氣動裝置合閘示意如圖15所示。當(dāng)處于分閘位置的手柄的大部分結(jié)構(gòu)位于手

柄處的凸殼下方時，即使氣缸沿著凸殼外沿推動手柄，手柄也會因受力位置錯誤而被頂壞。相比之下，現(xiàn)研試驗裝置能以弧形軌跡運動，從而在避免與凸殼碰撞的同時推動手柄合閘，適用性更強(qiáng)。

（3） 驅(qū)動方式：原有試驗裝置為氣壓驅(qū)動，速度不完全可控;現(xiàn)研試驗裝置為電機(jī)驅(qū)動，速度更為平穩(wěn)可控。以氣壓驅(qū)動執(zhí)行手柄合閘時，氣缸執(zhí)行器的行程固定，因此需要額外結(jié)構(gòu)使氣缸位置可變，操作繁瑣。

（4） 手柄損傷：原有試驗裝置推動手柄合閘時，手柄與末端執(zhí)行器間形成滑動摩擦;現(xiàn)研試驗裝置推動手柄合閘時，手柄與末端執(zhí)行器上的滾輪間形成滾動摩擦，在推動手柄合閘的過程中，對手柄的損傷程度更小。

4" 結(jié)" 語

本文依據(jù)斷路器國家標(biāo)準(zhǔn)中“機(jī)械與電氣壽命試驗”的試驗要求，對MCB產(chǎn)品進(jìn)行循環(huán)通斷操作的需求，以及現(xiàn)有氣動試驗裝置的不足，提出了一種MCB器合分閘操作試驗系統(tǒng)，能循環(huán)操作試品的手柄和按鈕實現(xiàn)其循環(huán)通斷，并以平穩(wěn)可控的速度和弧形運動軌跡執(zhí)行產(chǎn)品手柄的合閘操作。經(jīng)試驗測試，平均合閘速度能夠滿足國標(biāo)要求的（100±25） mm/s;該試驗系統(tǒng)通過搭載力傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測不同合閘情況下具有不同變化特征的合閘力，并能基于機(jī)器視覺系統(tǒng)智能獲取產(chǎn)品的試驗操作位置，規(guī)劃試驗操作軌跡。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］" 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.家用和類似用途的不帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（RCCB）第1部分：一般規(guī)則：GB 16916.1—2014［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［2］" 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.家用和類似用途的帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（RCBO）第1部分：一般規(guī)則：GB 16917.1—2014［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［3］" 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.電氣附件 家用及類似場所用過電流保護(hù)斷路器 第1部分：用于交流的斷路器：GB 10963.1—2020［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2020.

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收稿日期： 20240828