基于IEC 60255-1與DL／T 478-2013繼電器觸點(diǎn)性能試驗(yàn)方案研究與設(shè)計(jì)*

周永榮，葛佳盛，王思皓，王煜

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京210061）

0 引 言

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來(lái)越受到關(guān)注。作為繼電保護(hù)裝置核心器件的繼電器，其穩(wěn)定性直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否，而繼電保護(hù)裝置跳閘出口觸點(diǎn)的性能是評(píng)估繼電器特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)［1］。目前繼電保護(hù)裝置型式試驗(yàn)主要采用的兩個(gè)檢驗(yàn)依據(jù)“IEC 60255-1”和“DL／T 478-2013繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置通用技術(shù)條件”對(duì)繼電器的觸點(diǎn)性能提出了明確的技術(shù)要求，但是這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中并未提及繼電器觸點(diǎn)性能測(cè)試的具體試驗(yàn)方法。文獻(xiàn)［1］提出的實(shí)現(xiàn)方法，未能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，只是簡(jiǎn)單地用示波器觀看波形的變化，人工判別繼電器觸點(diǎn)性能的相關(guān)參數(shù)，效率偏低；距離系統(tǒng)自動(dòng)化完成繼電器失效模式判別、壽命預(yù)測(cè)和可靠性評(píng)估還有一段距離［2-5］，而目前國(guó)內(nèi)也很少有其他科研機(jī)構(gòu)和廠家對(duì)于該試驗(yàn)裝置進(jìn)行深入研究。同時(shí)隨著第三代電力電子器件IGBT的發(fā)展［3］，這種具有易驅(qū)動(dòng)，峰值電流容量大，自關(guān)斷等優(yōu)異性能集于一身的器件被廣泛運(yùn)用［6-9］。文章以IEC 60255-1和 DL／T 478-2013作為觸點(diǎn)性能試驗(yàn)［10-11］的依據(jù)，以繼電器極限接觸容量試驗(yàn)為主要研究對(duì)象，研究設(shè)計(jì)了一套繼電器觸點(diǎn)性能試驗(yàn)全自動(dòng)測(cè)試裝置。

1 試驗(yàn)要求

IEC 60255-1中的 6.11與 DL／T 478-2013中明確規(guī)定了觸點(diǎn)性能試驗(yàn)主要包括：

（1）機(jī)械耐久：不帶負(fù)載接點(diǎn)動(dòng)作不小于10 000次；接通不小于1 000次，斷開(kāi)不小于1 000次；

（2）極限接通容量：不小于1 000 W，時(shí)間常數(shù)L／R＝40 ms；

（3）連續(xù)和短期通過(guò)接點(diǎn)電流：連續(xù)，不小于5 A；短時(shí)持續(xù)200 ms，不小于30 A。短時(shí)額定工作周期為：接通 200 ms、斷開(kāi) 15 s；

（4）極限斷開(kāi)容量：不小于 30 W，L／R＝40 ms。

考慮到極限接通容量測(cè)試相較于其他測(cè)試內(nèi)容對(duì)方案軟硬件設(shè)計(jì)要求高，回路功率大、電流變化復(fù)雜，對(duì)于其他試驗(yàn)方案在設(shè)計(jì)上有一定的冗余性。因此文章主要針對(duì)極限接通容量測(cè)試試驗(yàn)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)的硬件主要由三個(gè)部分組成，分別為主回路，控制及保護(hù)回路和電源供電回路。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

2.1 主回路硬件電路

主回路主要由：直流電源，大功率電阻（通流能力30 A），滑動(dòng)變阻器（通流能力5 A）以及電感組成，各器件參數(shù)如表1所示。

表1 主回路硬件參數(shù)Tab.1 Hardware parameters of the main circuit

2.2 控制及保護(hù)回路

2.2.1 STM32F103VET6單片機(jī)最小系統(tǒng)

鑒于某半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6單片機(jī)擁有主頻高，資源豐富，開(kāi)發(fā)高效，運(yùn)行穩(wěn)定等一系列特點(diǎn)，被選為本系統(tǒng)的核心控制器。核心控制模塊的工作框圖及資源分配如圖2所示。

DC 12 V電源輸入后（含50 Hz諧波，會(huì)影響單片機(jī)核心工作頻率），經(jīng)兩個(gè)線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓濾波后，給單片機(jī)最小系統(tǒng)供電。STM32F103VET6單片機(jī)首先由定時(shí)器配置成8路GPIO（General Purpose Input Output），4路經(jīng)由光耦放大輸出成15 V有源開(kāi)出信號(hào)，其中1路輸入至IGBT驅(qū)動(dòng)器控制IGBT模塊的工作狀態(tài)，其余三路接至接線端子，可作為其他用途的有源15 V輸出；4路經(jīng)由光耦放大輸出成24 V有源開(kāi)出信號(hào)，其中2路驅(qū)動(dòng)DC 24 V繼電器，作為2路無(wú)源開(kāi)出，其余2路接至接線端子，可作為其他用途的有源24 V輸出。IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)有源開(kāi)出腳，經(jīng)由光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換輸入至單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)IGBT工作狀態(tài)的監(jiān)控。為了完善人機(jī)交互功能，為實(shí)驗(yàn)提供豐富的數(shù)據(jù)，特意采用1.7寸LCD和8個(gè)按鈕組成了人機(jī)交互模塊。同時(shí)預(yù)留了一組以太網(wǎng)接口和一組USB接口，方便和PC機(jī)進(jìn)行 數(shù)據(jù)交互。

圖2 控制模塊工作框圖Fig.2 Block diagram of the control module

2.2.2 IGBT模塊及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊和IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的選型主要考慮以下兩點(diǎn)因素：

（1）IGBT的通流能力（觸點(diǎn)性能試驗(yàn)主回路最大電流為30 A）；

（2）IGBT集電極和發(fā)射極所能承受的電壓（觸點(diǎn)性能試驗(yàn)主回路電壓為DC 250 V，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得電路斷開(kāi)瞬間電感兩端電壓最高為279 V）；

綜合各方資料，考慮了一定的設(shè)計(jì)裕度，最后選定如表2所示的搭配驅(qū)動(dòng)方案。

表2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路器件型號(hào)Tab.2 Devices type of IGBT drive circuit

2.2.3 RC能量吸收回路設(shè)計(jì)

由于觸點(diǎn)性能接通試驗(yàn)中串入了一個(gè)L＝2 H的電感，主回路工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流為5 A，并且根據(jù)試驗(yàn)邏輯，IGBT必須先于被測(cè)觸點(diǎn)斷開(kāi)，因此電感兩端產(chǎn)生的高壓電動(dòng)勢(shì)將會(huì)加載在IGBT的CE兩端，長(zhǎng)久如此勢(shì)必造成IGBT壽命縮短，提前損壞。因此如圖3所示，方案設(shè)計(jì)在IGBT的集電極（C）和發(fā)射極（E）兩端接入一個(gè)RC電路組成的充放電回路，用于吸收電感產(chǎn)生的浪涌電動(dòng)勢(shì)，并通過(guò)一組大功率電阻以熱能的形式將能量釋放出去，有效的保護(hù)了IGBT，提高了主回路的安全性。

通過(guò)配置IGBT驅(qū)動(dòng)模塊2BB0108T的驅(qū)動(dòng)電阻將IGBT的開(kāi)關(guān)速度設(shè)定為35 ms，所以關(guān)斷瞬間電感兩端產(chǎn)生的電壓U1為：

因此吸收電容的電壓值必須大于285 V，考慮目前市場(chǎng)常見(jiàn)電容的電壓等級(jí)，故選擇電壓等級(jí)為400 V的電容。而電容大小應(yīng)滿足：

故：

最后確定電解電容的參數(shù)為400 V，470μF。

2.2.4 電流采集模塊

由于IEC 60255-1中6.11條規(guī)定整個(gè)觸點(diǎn)性能試驗(yàn)的次數(shù)不得小于2 000次，考慮每次試驗(yàn)預(yù)留電容放電的時(shí)間，每個(gè)試驗(yàn)周期按照20 s計(jì)算，一次完整的合閘試驗(yàn)需要耗時(shí)11小時(shí)，若通過(guò)人工監(jiān)視的方式，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致效率低下。

在極限接通容量測(cè)試中，被測(cè)繼電器合閘后，主回路會(huì)產(chǎn)生電流，電流經(jīng)過(guò)3～4個(gè)時(shí)間常數(shù)（160 ms）后趨于穩(wěn)定，若合閘失敗，則穩(wěn)態(tài)電流會(huì)很小，根據(jù)此判據(jù)來(lái)判定本次試驗(yàn)是否成功。同時(shí)，電流傳感器還可以時(shí)刻監(jiān)控主回路電流的異樣，一旦發(fā)現(xiàn)IGBT損壞或者被測(cè)繼電器出現(xiàn)一些未知錯(cuò)誤導(dǎo)致主回路電流過(guò)大，則可及時(shí)中斷試驗(yàn)，保證人員和儀器財(cái)產(chǎn)的安全。電流采集模塊本質(zhì)上是將本系統(tǒng)變成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵方法，也是本系統(tǒng)全自動(dòng)化測(cè)試最核心的器件之一。據(jù)此，本方案采用了一個(gè)電流互感器，對(duì)主回路的電流進(jìn)行采樣，并將電流值轉(zhuǎn)換成2.5 V±2.5 V的電壓信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)ADC采樣將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)提供給程序使用。

圖3 能量吸收回路電路圖Fig.3 Circuit diagram of energy absorption

2.2.5 電源模塊

考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率和安全性，電源模塊直接采用某公司的AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊。如圖4所示，本方案采用了三個(gè)直流電壓等級(jí)支撐系統(tǒng)運(yùn)行，三者之間采用光耦進(jìn)行隔離。

圖4 電源模塊工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of power module

交流220 V進(jìn)入三個(gè)AC-DC模塊，+12 V給單片機(jī)采樣控制模塊供電；+15 V給IGBT驅(qū)動(dòng)模塊供電，并且通過(guò)光耦隔離方式，作為有源開(kāi)出信號(hào)輸出；+24 V通過(guò)光耦隔離的方式，作為有源開(kāi)出信號(hào)輸出，并且驅(qū)動(dòng)2組繼電器作為無(wú)源開(kāi)出接口。

3 軟件設(shè)計(jì)

分析系統(tǒng)全自動(dòng)測(cè)試工作邏輯，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、中斷處理函數(shù)模塊、主回路電流采集模塊。

（1）系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要作用是配置STM32F103VET6單片機(jī)的底層資源功能，包括IO驅(qū)動(dòng)，屏幕驅(qū)動(dòng)能功能，為系統(tǒng)的安全可靠工作提供底層支持。

（2）中斷處理函數(shù)

由于系統(tǒng)的主函數(shù)主要負(fù)責(zé)對(duì)IGBT和被測(cè)繼電器的開(kāi)關(guān)邏輯進(jìn)行控制，因此軟件中設(shè)計(jì)了2個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)分別對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的工作狀態(tài)腳和主回路的電流進(jìn)行定時(shí)中斷采樣，一旦IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的工作狀態(tài)腳變?yōu)楦唠娖交蛘咧骰芈冯娏鞔笥?.5 A時(shí)，此時(shí)說(shuō)明系統(tǒng)進(jìn)入了嚴(yán)重錯(cuò)誤狀態(tài)，為了保證人身財(cái)產(chǎn)安全，試驗(yàn)必須被終止，發(fā)出告警信號(hào)并通知相關(guān)檢驗(yàn)員對(duì)被測(cè)樣品和系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

（3）主回路電流采樣程序

主回路電流采樣程序主要用于對(duì)IGBT和被測(cè)繼電器變位后的回路電流進(jìn)行采集計(jì)算。本系統(tǒng)采樣用定時(shí)ADC采樣與DMA存儲(chǔ)相結(jié)合的模式，提高采樣精度和效率，降低CPU的負(fù)擔(dān)。

由于主回路電流L／R常數(shù)為40 ms，根據(jù)電路模型，回路電流在3～4個(gè)時(shí)間常數(shù)（120 ms～160 ms）后趨于穩(wěn)定；如圖5所示，為保證將整個(gè)回路電流波形［12］采集完畢，因此通過(guò)總線時(shí)鐘分頻的方法，將ADC采樣周期設(shè)置為0.11 ms，即采樣頻率9.1 kHz，AD數(shù)據(jù)精度為16位，共采集2 500個(gè)點(diǎn)。因此一個(gè)采樣邏輯循環(huán)結(jié)束，采樣時(shí)長(zhǎng)275 ms，占用內(nèi)存5K，將整個(gè)上升波形采集完畢。

圖5 電流采樣示意圖Fig.5 Schematic diagram of current sampling

圖6 全自動(dòng)測(cè)試程序流程圖Fig.6 Flow chart of automatic test program

（4）主程序流程

全自動(dòng)測(cè)試程序流程圖如圖6所示。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果及典型誤差分析

下面通過(guò)一個(gè)實(shí)測(cè)討論典型誤差分析。這里以圖7、圖8的硬件連接方式作為極限接通容量的典型性測(cè)試。

圖7 試驗(yàn)裝置整體圖Fig.7 Overall picture of test devices

圖8 控制及保護(hù)回路實(shí)物圖Fig.8 Physical picture of control and protection circuit

圖9為一個(gè)測(cè)試周期的系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行波形。表3為主要參數(shù)的理論值與實(shí)際值的對(duì)比。

表3 主要參數(shù)誤差對(duì)比表Tab.3 Comparison of the main parameters

圖9 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行波形Fig.9 Actual operating waveform of the system

分析圖9和表3不難發(fā)現(xiàn)，主回路和RC能量吸收回路主要參數(shù)的實(shí)際值和理論值存在一定的誤差，但是誤差都在可接受范圍內(nèi)，由此可見(jiàn)電路方案設(shè)計(jì)合理，IGBT模塊工作在安全區(qū)。但在分析系統(tǒng)的工作情況后，發(fā)現(xiàn)誤差主要來(lái)源于以下兩點(diǎn)：

（1）電感在常溫狀態(tài)下，內(nèi)阻r＝2.1Ω，電感L＝2 H，試驗(yàn)初始時(shí)整個(gè)回路的電阻值也是基于電感內(nèi)阻的大小，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的值，讓 τ＝40 ms；在2 000次的試驗(yàn)過(guò)程中，電感中會(huì)產(chǎn)生渦流導(dǎo)致電感溫度上升，電感的內(nèi)阻也隨之變大，當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)接近結(jié)束時(shí)，τ＜40 ms。下一步考慮采用類似油浸式電感方案進(jìn)行改良；

（2）電路中一些接觸點(diǎn)采用鱷魚(yú)夾連接，故接觸點(diǎn)的電阻在一定范圍內(nèi)不可控且難以計(jì)算，因此導(dǎo)致實(shí)際值和理論值會(huì)有一些偏差。

5 結(jié)束語(yǔ)

以IEC 60255-1和DL／T 478-2013作為觸點(diǎn)性能試驗(yàn)的依據(jù)，以繼電器極限接觸容量試驗(yàn)為主要研究對(duì)象，以模塊化的方式設(shè)計(jì)了三大硬件模塊，通過(guò)理論分析計(jì)算對(duì)各器件的參數(shù)做了分析選型，制作了PCB板，編寫了相關(guān)單片機(jī)采集控制程序，實(shí)現(xiàn)了繼電器觸點(diǎn)性能試驗(yàn)全自動(dòng)測(cè)試的功能，最后通過(guò)實(shí)物測(cè)試記錄分析了系統(tǒng)運(yùn)行波形等參數(shù)，對(duì)誤差進(jìn)行了分析和控制。經(jīng)多次試驗(yàn)，裝置工作穩(wěn)定，可靠，高效，基本滿足了以IEC 60255-1和DL／T 478-2013為檢驗(yàn)依據(jù)的型式試驗(yàn)的需要。