機電式控制電路電器試驗技術研究

黃少坡，李奎，王洋，王麗麗，溫金鑫（.河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津30030；.天津電氣科學研究院有限公司，天津30080）

?

機電式控制電路電器試驗技術研究

黃少坡1，李奎1，王洋1，王麗麗1，溫金鑫2
（1.河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津300130；
2.天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）

摘要：研究了機電式控制電路電器試驗技術，包括正常和非正常條件下接通分斷能力、電氣耐久性試驗等。根據(jù)試驗條件不同，將考核觸頭接通能力和分斷能力的試驗分為恒載、變載和無載3種試驗模式。以接觸器輔助觸頭為研究對象，設計了基于計算機控制的試驗裝置，實現(xiàn)了交直流通用和各試驗模式兼容，自動控制試驗進程并實時監(jiān)測和顯示試驗電壓電流，提高了觸頭接通分斷狀態(tài)判斷的精度和接觸器輔助觸頭試驗的自動化水平。

關鍵詞：控制電路電器；試驗技術；試驗模式；波形顯示；狀態(tài)監(jiān)測

在低壓開關設備和控制設備范疇，機電式控制電路電器起著信號、控制、連鎖等功能，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。

機電式控制電路電器發(fā)生故障，將危及整個控制系統(tǒng)的安全運行。文獻［1］中降壓啟動接觸器的常閉觸點接觸不良，導致被控55 kV·A風機在由降壓啟動轉換到全壓運轉瞬間瞬時停車而后馬上啟動，相當于電機直接啟動，啟動電流巨大，造成總屏低壓斷路器跳閘，全車間停機事故。文獻［2］中控制非全相保護時間繼電器動作的常閉觸點斷開不良，設備振動導致斷開的常閉觸點接通，從而引起時間繼電器線圈得電而發(fā)生誤保護、開關跳閘?？梢?，研究控制電路電器試驗技術、提高其質量水平，對降低系統(tǒng)故障發(fā)生率、減少經濟損失有著重要意義。

1　使用類別及試驗模式劃分

1.1使用類別［3］

正常條件下和非正常條件下的接通與分斷能力是控制電路電器型式試驗的重要項目，是產品必須滿足的性能指標；為了研究產品的壽命水平或來自用戶的質量需求，還需進行機械耐久性和電氣耐久性的驗證試驗。根據(jù)控制對象的不同，國家標準（GB 14048.5）規(guī)定了幾種機電式控制電路電器的使用類別，見表1。

表1　機電式控制電路電器使用類別Tab.1 Utilization categories for electromechanical control circuit devices

接通和分斷能力指能在產品標準規(guī)定的條件下接通和分斷正常負載電流和過載電流而不發(fā)生故障的能力。根據(jù)GB 14048.5，正常條件下，工作電壓為Ue；非正常條件下，工作電壓為1.1Ue。兩種條件下對應于不同使用類別的接通電流和分斷電流有的相同有的不同，如正常條件下對應于不同使用類別下的接通分斷電流如表2所示。其中，6×P是經驗值，代表大多數(shù)直流電磁鐵負載的上限為P=50 W，即6×P=300 ms的經驗關系中求得，對于功率消耗大于50 W的負載，可假定由較小負載并聯(lián)組成，因此，300 ms可作為上限值；T0.95為達到95%穩(wěn)態(tài)電流的時間，ms。

表2　正常條件下接通分斷能力（U=Ue）Tab.2 Making and breaking capacities under normal conditions（U=Ue）

電氣耐久性是指在規(guī)定的正常條件下，不需要維修或更換零件而能承受的負載操作循環(huán)次數(shù)，GB 14048.5規(guī)定電氣耐久性試驗中應有90%及以上的被試電器達到或超過該操作循環(huán)次數(shù)。每個操作循環(huán)應包括1次試驗電流的接通和1次試驗電流的分斷，操作循環(huán)的通電時間應不小于操作循環(huán)周期的10%，也不大于周期的50%。

作為接通和分斷能力的一種特殊情況，交流電氣耐久性試驗時，按正常條件下使用類別為AC-15的接通分斷能力試驗進行，但接通時功率因數(shù)應為0.7，分斷時功率因數(shù)應為0.4；直流電氣耐久性試驗時，按正常條件下使用類別為DC-13的接通分斷能力試驗進行。

1.2試驗模式分類

通過以上分析，根據(jù)控制對象、驗證性能指標不同，考核控制電路電器的試驗被分為若干個使用類別，且對于電氣耐久性試驗，雖然參考其中某些使用類別但試驗條件不完全相同。通過歸納可將以上所有試驗情況分為以下幾種試驗模式［4］：

1）恒載試驗。試品接通和分斷負載電流，接通和分斷的負載電流相同，如AC-12，DC-12；

2）變載試驗。試品接通和分斷負載電流，接通和分斷的負載電流不同，如AC-13，DC-14；

3）無載試驗。試品只進行機械的閉合和斷開，無需加載電壓和電流，如機械耐久性試驗。

2　接觸器輔助觸頭試驗技術研究

2.1試驗主回路設計

由以上分析，考核控制電路電器接通和分斷能力的試驗類別較多，且有的接通和分斷條件不同（電壓不同、電流不同等），這對試驗裝置的自動化水平提出了更高的要求。為了兼顧電源類型（AC/DC）、恒載接通分斷及變載接通分斷，并同時考慮提高試驗效率，以接觸器輔助觸頭為研究對象，設計了如圖1所示的接觸器輔助觸頭接通分斷能力試驗裝置主回路。

圖1　試驗裝置主回路Fig.1　Main circuit of test device

圖1中，QF1和QF2分別為交、直流主電路電源斷路器，KM1，KM2和KM3，KM4分別為回路1和回路2的電源選擇接觸器，KM5，KM6和KM7，KM8分別為回路1和回路2的負載選擇接觸器?？煞謩e提供AC或DC額定電壓或1.1倍額定電壓，滿足了正常條件下和非正常條件下進行接通和分斷能力試驗的電源要求。以回路1為例，恒載試驗時，可指定負載1或負載2；變載試驗時，可選擇負載1或負載2作為接通負載而另一個作為分斷負載，通過控制KM5或KM6不同的動作時序，可實現(xiàn)不同的試驗模式。

工位1和工位2可同時對分別與2臺接觸器同時動作的2個輔助觸頭試品進行試驗，也可同時對與一臺接觸器同時動作的2個輔助觸頭試品（同常開或同常閉）進行試驗，工位1和工位2的位置可分別同時并聯(lián)3個輔助觸頭，并分別對其進行試驗，這種設計最大化地提高了試驗效率。

2.2動作時序

通過控制電源選擇接觸器和負載選擇接觸器，可實現(xiàn)恒載、變載及無載3種試驗模式。工位1和工位2可分別或同時進行恒載、變載試驗，也可分別或同時進行無載試驗，這里重點對恒載和變載的試驗動作時序進行分析。

由于2個工位上的輔助觸頭可能由同一臺接觸器控制，也可能分別由各自的接觸器控制，所以這2種條件下的動作時序是不同的。對于工位1和工位2，有“兩恒載”、“兩變載”及“一恒載一變載”3種動作時序，再基于以上考慮，共有6種動作時序。這里重點分析較為復雜的2種動作時序：兩工位上輔助觸頭由各自的接觸器控制、一恒載一變載，記為時序1，見圖2；兩工位上輔助觸頭由同一接觸器控制、一恒載一變載，記為時序2，見圖3。

圖2　時序1動作時序圖Fig.2 Operation sequence chart of sequence 1

圖3　時序2動作時序圖Fig.3 Operation sequence chart of sequence 2

動作時序圖中曲線低表示接觸器釋放狀態(tài)、曲線高表示吸合狀態(tài)，斜線表示吸合或釋放的過程［5］。時序1中，工位1完成承載電流（t4）后即可將工位1接觸器釋放來分斷負載；通過KM7和KM8的負載轉換，實現(xiàn)工位2接通和分斷的負載電流不同。時序2中，由于兩工位由同一臺接觸器控制，工位1需在工位2完成承載分斷電流（t8）后和工位2同時釋放。根據(jù)接觸器的實際吸合釋放時間和標準要求的接通時間，通過設置各階段的時間參數(shù)，可完成整個試驗進程的自動控制。對于時序2，正常條件或非正常條件下接通與分斷能力試驗時，由于標準只規(guī)定了通電時間下限值，所以工位1通電時間亦滿足要求；電氣耐久性試驗時，通過合理設定各階段時間參數(shù)，也可保證工位1通電時間不大于操作循環(huán)周期的50%。時序2使用1臺接觸器控制2個輔助觸頭，減少了接觸器用量，提高了試驗效率。

2.3基于計算機控制的采集系統(tǒng)

文獻［6］所述試驗系統(tǒng)對接觸器輔助觸頭回路施加DC 24 V電壓，可通過采集觸頭壓降并于門限值比較來判斷觸頭的接觸狀態(tài)，但并未采集觸頭回路電流，不能準確反映觸頭接通和分斷中的動態(tài)過程。為了提高觸頭接通分斷狀態(tài)監(jiān)測的精度，設計了基于計算機控制的采集系統(tǒng)，并選用研華高速數(shù)據(jù)采集卡PCL-818HG進行數(shù)據(jù)采集。

進行輔助觸頭恒載試驗或變載試驗時，需在整個接通和分斷過程中檢測電源電壓U、觸頭間電壓u和主電路電流I［7］，試驗過程中記錄的電壓電流波形如圖4所示。

PCL-818HG數(shù)據(jù)采集卡可提供12位AD采樣、最高100 kHz（DMA數(shù)據(jù)傳輸方式）的采樣速率，保證數(shù)據(jù)采集可以真實還原原始信號［8］。試驗時，將0～450 V電壓信號轉化為0～4.5 mA的電流信號，再經5 mA/20 mA霍耳傳感器、放大電路轉換為0～4.5 V的電壓信號，供AD采樣。使用1 A/20 mA和5 A/20 mA 2種霍耳傳感器，對不同電平的電流信號進行轉換和采集，再經放大電路轉換為最大5 V的電壓信號，供AD采樣，提高了電流采樣精度?？紤]一定的過壓、過流系數(shù)，設置電壓電流采樣通道的電壓輸入范圍均為±10 V。本采集系統(tǒng)采用中斷傳輸方式的多通道模擬量AD采樣，單通道采樣頻率為2 kHz。

記試驗電壓為U0、試驗電流為I0，接通時，若u≥10%U0或I≤90%I0，則記為接通故障；分斷時，若u≤90%U0或I≥10%I0，則記為分斷故障。10% 或90%為保護限，用戶可自定義。試驗裝置可顯示電壓電流波形，通過波形分析，可精確得出接通和分斷時間、燃弧時間等觸頭特征參數(shù)。

圖4　試驗電壓電流波形面Fig.4 Display interface of voltage and current

3　結論

本文研究了機電式控制電路電器試驗技術，并以接觸器輔助觸頭為研究對象開發(fā)了基于計算機控制的試驗裝置，提高了接觸器輔助觸頭試驗自動控制水平。

1）總結分析了考核控制電路電器接通和分斷能力的各種試驗類別及試驗條件，將各試驗類別歸納為恒載、變載和無載3種試驗模式；

2）以接觸器輔助觸頭為研究對象設計了試驗裝置，可滿足交直流通用、各試驗模式兼容的要求，并重點分析了兩工位2臺接觸器控制和兩工位1臺接觸器控制下的一恒載一變載試驗動作時序；

3）開發(fā)了基于計算機控制的采集系統(tǒng)，實現(xiàn)電壓電流采集和顯示，提高了觸頭狀態(tài)監(jiān)測和特征參數(shù)提取的精度。

參考文獻

［1］王玉.一起因啟動接觸器輔助觸頭接觸不良引起的故障［J］.電世界，1995（8）：36.

［2］華亮亮.輔助開關接觸不良造成斷路器故障的分析及處理［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2013（2）：112.

［3］GB 14048.5—2008.低壓開關設備和控制設備機電式控制電路電器［S］.

［4］王麗麗，李奎，黃少坡，等.交流接觸器電氣操作試驗測控技術的研究［J］.電器與能效管理技術，2015（10）：1-5.

［5］武一，陸儉國，趙鵬，等.基于計算機控制的接觸器試驗技術及其裝置［J］.電氣應用，2008，27（14）：68-71.

［6］張根柱，田志國，劉硯菊. 3TB40交流接觸器輔助觸頭可靠性試驗研究［J］.繼電器，2003，31（8）：50-52.

［7］袁金麗，李奎，王堯，等.交流接觸器電壽命監(jiān)測技術的研究［J］.低壓電器，2011（17）：7-10

［8］Advantech.Part No.20038180A0-2003，PCL-818 Series User′s Manual［Z］.Taiwan：Advantech Co.，Ltd，2003.

修改稿日期：2015-12-06

Test Technology of Electromechanical Control Circuit Devices

HUANG Shaopo1，LI Kui1，WANG Yang1，WANG Lili1，WEN Jinxin2
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；
2. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

Abstract：Test technology of electromechanical control circuit devices was studied such as the making and breaking capacities under normal load conditions and abnormal load conditions，the electrical durability，etc. According to different test conditions，the tests for verification of making and breaking capacities were classified into three test types，constant-load test，different-load test and no-load test. In fact，a test device for auxiliary contact of contactor was designed to automatically control test process and accurately monitor the condition of contacts by detecting test current and test voltage. With AC supply or DC supply，samples are tested in the three test types.

Key words：control circuit devices；test technology；test type；wave display；condition monitoring

中圖分類號：TM572

文獻標識碼：A

基金項目：國家自然科學基金（51377043）；河北省自然科學基金（E2015202109）

作者簡介：黃少坡（1986-），男，博士研究生，Email：shaopo0303@163.com

收稿日期：2015-09-16