基于LabVIEW的塑殼斷路器智能脫扣器檢測系統(tǒng)

劉清清，徐惠鋼，謝 啟，楊云飛

(1.中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇徐州 221008；2.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

0 引言

近年來，我國智能電網(wǎng)迅猛發(fā)展，塑殼斷路器需求量不斷增加[1]。為保證塑殼斷路器使用過程中的質量，產(chǎn)品檢測至關重要。作為重要的生產(chǎn)工序，產(chǎn)品檢測主要分為整機組裝前電子部件(智能脫扣器)的檢測和出廠前整機功能的檢測兩個重要環(huán)節(jié)。塑殼斷路器有著產(chǎn)品量大面廣、規(guī)格型號繁多、需要測試的性能指標多、技術更新快、標準變化快等特點，傳統(tǒng)檢測設備功能單一、測試效率低、人工依賴大、信息化程度低，已不能滿足現(xiàn)有產(chǎn)品的檢測需求。

本文設計了一種以LabVIEW為軟件控制平臺，通過電量測量以及同步技術、大電流發(fā)生技術、系統(tǒng)柔性化技術等實現(xiàn)對塑殼斷路器智能脫扣器過載長延時保護、短延時(堵轉)保護、瞬動保護、不平衡保護、斷相保護、接地保護、N相保護等功能的檢測。試驗證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足產(chǎn)品檢測要求。

1 系統(tǒng)整體原理結構設計

系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用PCI數(shù)據(jù)采集卡，利用其數(shù)據(jù)采集能力，實現(xiàn)對系統(tǒng)電路各項電量的監(jiān)測；利用其數(shù)字I/O和模擬I/O，實現(xiàn)系統(tǒng)多工位同步測量以及對部分檢測功能的控制。工控機通過RS-232轉RS-485轉接口和待測產(chǎn)品實時通信，并實現(xiàn)對待測產(chǎn)品運行參數(shù)的設置和讀取。系統(tǒng)所有測量結果都可以選擇匯總、顯示、保存、打印并生成Excel報表文檔。

圖1 系統(tǒng)整體結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要由工控機、步進調壓器組、高精度低噪聲數(shù)據(jù)采集卡、接觸器、互感器、傳感器等組成。工控機通過數(shù)據(jù)采集卡獲取電路中的不同電量信號，控制步進調壓器組，以及多檔位自耦變壓器實現(xiàn)大電流的產(chǎn)生，并利用自耦變壓器的不同檔位，實現(xiàn)大電流多個等級的切換，滿足不同的測試要求。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

選用PCI-6229、PCI-6509和PCI-6602數(shù)據(jù)采集卡，是整個檢測系統(tǒng)的核心部件，具有數(shù)字量I/O口以及模擬量I/O口，可以用來控制系統(tǒng)的運行。搭配高精度傳感器和互感器，數(shù)據(jù)采集卡直接和工控機通過PCI數(shù)據(jù)總線進行實時數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)采集速度快，精度高，可靠性好。

2.2 多工位同步技術

針對傳統(tǒng)檢測裝置效率低下的問題，本檢測系統(tǒng)采用五工位同步并行檢測的工作模式。對于塑殼斷路器電子部件(智能脫扣器)A、B、C、N相輸入信號由電流變換器接入、且接口電路特殊等難點，設計了一種隔離型陣列式測試信號發(fā)生裝置為五工位提供激勵信號源，隔離型陣列式測試信號發(fā)生裝置原理圖如圖2所示。

圖2 隔離型陣列式測試信號發(fā)生裝置原理圖

該裝置主要由線性校準電路、多電平逆變器電容電壓平衡電路、電流源電路和高精度電流變換器陣列四部分組成。電流變換器陣列是由20個高精度電流互感器及外圍電路組成的4×5陣列，能夠模擬實際電流變換器的輸出信號，通過線性補償實現(xiàn)了在有效工作范圍內(nèi)的線性輸出并滿足了精度要求。5工位共20路并行輸入信號相互隔離且不共地，輸出信號幅度、相位、頻率調節(jié)范圍滿足測試需求。隔離型陣列式測試信號源由工控機控制，在外加三相激勵信號作用下實現(xiàn)調幅、調相、調頻、斷相、不平衡等輸出要求，完成對塑殼斷路器斷相、不平衡等保護功能的測試。

2.3 大電流產(chǎn)生模塊

瞬時保護檢測是塑殼斷路器合格檢測的一項重要功能測試，檢測過程中需要系統(tǒng)提供幾kA的電流，傳統(tǒng)大電流發(fā)生器控制效率低、電流輸出穩(wěn)定性差，導致檢測結果誤差過大，影響對產(chǎn)品的檢測。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)粗、細調壓器大電流發(fā)生技術的基礎上，在調壓器的輸出端串聯(lián)補償微調變壓器裝置，采用瞬時型電量傳感器對系統(tǒng)產(chǎn)生的大電流信號進行同步采集、跟蹤并實時控制粗、細調壓器的調節(jié)。

系統(tǒng)調節(jié)電流時，由粗調調壓器TD先對電流進行調節(jié)，當電流精度達到電流設定值3%左右時，啟動細調調壓器TDW。微調調壓器TDW由于其基準點在調壓器中心點，所以當碳刷在調壓器基準點上下調節(jié)時，可以有效對粗調調壓器進行修正[2]，最終達到±0.5%的精度要求。并且粗、細調壓器組由步進電機驅動，響應快，穩(wěn)定性好，從而進一步提高電流調節(jié)的精度。

自耦變壓器T1輸出端有6個檔位，用來拓展電流的輸出范圍。與傳統(tǒng)電流邊測量邊調節(jié)的調節(jié)方式不同，本系統(tǒng)利用自耦變壓器在低檔位時，調壓器電流相對較小，調壓器調節(jié)速度快的特點，待電流調節(jié)到低檔位的相應值時，通過接觸器KM2-KM7切換到高檔位，從而達到相應高檔位的電流等級。試驗結果表明，電流調節(jié)速度快，精度高，滿足測試實驗要求。大電流產(chǎn)生原理圖如圖3所示。

圖3 大電流產(chǎn)生原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

上位機采用可視化圖形編輯軟件LabVIEW為軟件處理平臺，利用其數(shù)據(jù)處理與報表生成方面的優(yōu)勢[3]，依托工業(yè)計算機，同時采用柔性化技術，改善檢測系統(tǒng)拓展性，最終實現(xiàn)對塑殼斷路器多種保護功能的檢測。系統(tǒng)檢測軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)檢測軟件流程圖

專用測試系統(tǒng)針對性強，適用性差；通用測試系統(tǒng)為保證多種型號產(chǎn)品功能的測量，相應增加了代碼的冗余；柔性測試系統(tǒng)克服兩者缺點，繼承兩者的優(yōu)點，既滿足適用性和通用性的需求，還達到經(jīng)濟性的要求?？紤]同類塑殼斷路器產(chǎn)品型號、規(guī)格、產(chǎn)品性能等的復雜性，軟件通過采用模塊化思想實現(xiàn)不同功能的測量[4]。根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格的測試項目要求，建立相應的檢測模塊。產(chǎn)品檢測時，可以根據(jù)不同的產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)品檢測要求選擇相應的檢測模塊，避免了系統(tǒng)在檢測時的重復調用。而且在產(chǎn)品測試功能拓展時，只需要對新增加的項目編輯相應的檢測模塊，供系統(tǒng)后期的調用。通過這種模塊化設計方法，減少了系統(tǒng)程序的冗余，提高了產(chǎn)品檢測效率，改善了系統(tǒng)的拓展性[5]，實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)軟件的柔性化設計。軟件檢測模塊選擇如圖5所示。

圖5 檢測模塊選擇

4 實驗驗證

檢測系統(tǒng)功能檢測中，電流的精度及其穩(wěn)定性至關重要。表1是電流的具體測量結果，圖6是5次實測電流的精度圖，圖7表示的是5次電流調節(jié)所用時間。由圖6可以看出，電流調節(jié)整體精度在±0.5%以內(nèi)，尤其在小于1 000 A時，精度可以有效控制在±0.3%以內(nèi)，整體電流精度達到檢測精度要求。由圖7可以看出，系統(tǒng)電流調節(jié)時間可以有效控制在5 s以內(nèi)，滿足檢測需求。

表1 檢測電流調節(jié)時間及其實測值

5 結束語

本文設計了一種基于LabVIEW的塑殼斷路器電子部件檢測系統(tǒng)。主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、大電流產(chǎn)生模塊、柔性化設計等。本系統(tǒng)解決了系統(tǒng)維護成本高、可拓展性差、應用范圍受限等問題，提高了系統(tǒng)檢測的靈活性和拓展性。經(jīng)實際試驗檢測表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了所有的檢測需求，滿足設計精度要求，檢測效率是原來人工檢測的10倍。