漏電斷路器動作特性檢測裝置的研究*

劉幗巾，邊鑫磊，馬曉燕，李義鑫，白佳航

(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津300130)

0 引言

作為低壓配電系統(tǒng)中重要的終端保護(hù)電器，漏電斷路器可有效地防止由于漏電所引發(fā)的火災(zāi)、觸電等事故，保護(hù)用電人員的生命財產(chǎn)安全。由于漏電斷路器的工作性能與組成其的電子或電磁元件性能緊密

相關(guān)，而環(huán)境溫度、濕度、震動、電磁干擾等因素，會影響電子或電磁元件的性能進(jìn)而影響漏電斷路器的工作性能［1－5］。因此，為了提高其工作時的穩(wěn)定性，對于漏電斷路器工作性能的檢測變得尤為重要。并且，漏電斷路器動作特性的檢測作為漏電斷路器工作性能檢測的重要組成部分，所得動作特性檢測數(shù)據(jù)的優(yōu)劣直接影響研究人員對漏電斷路器工作性能的評價，這使得動作特性檢測裝置的研制成為了漏電斷路器工作性能檢測的關(guān)鍵。但是，目前有關(guān)繼電器、接觸器等控制電器工作性能的檢測設(shè)備的研究較多［6-8］，而有關(guān)漏電斷路器性能的檢測設(shè)備卻少有研究。并且，在這些有關(guān)漏電斷路器性能檢測設(shè)備的研究中，大多是關(guān)于漏電斷路器可靠性的檢測設(shè)備的研究［9-11］。針對這一情況，參照GB16916．1-2014、GB16917．1-2014 中有關(guān)漏電斷路器動作特性檢測的規(guī)定，設(shè)計了一臺漏電斷路器動作特性檢測裝置。實(shí)現(xiàn)了對多種型號的單極或多極型漏電斷路器任意選定一極剩余動作電流、動作時間的快速、精確、重復(fù)性的檢測，對于所得檢測數(shù)據(jù)用戶可對其進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和整理，方便用戶分析漏電斷路器的保護(hù)特性的變化趨勢，并且檢測裝置配有UPS電源保證了在意外斷電的情況下檢測數(shù)據(jù)不丟失。

1 硬件設(shè)計

所設(shè)計漏電斷路器檢測裝置主要由工業(yè)控制計算機(jī)、剩余動作電流產(chǎn)生模塊、電流調(diào)整模塊、剩余動作電流檢測模塊、動作時間檢測模塊、自動復(fù)位及合閘模塊、單極選通模塊等組成。如圖1所示，分別為檢測裝置的整體效果圖與工作原理框圖。

圖1 漏電斷路器動作特性檢測裝Fig．1 Detection device for operating characteristics of residual current breaker

由圖1(b)可知，在進(jìn)行漏電斷路器動作特性檢測時工業(yè)控制計算機(jī)通過電流調(diào)整模塊來控制剩余動作電流生成模塊輸出的剩余動作電流的大小，同時單極選通模塊可在工業(yè)控制計算機(jī)的控制下將生成的剩余動作電流輸入到漏電斷路器的其中一極，由剩余動作電流檢測模塊、動作時間檢測模塊來檢測漏電斷路器動作時的剩余動作電流和動作時間，并將所得檢測數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)控制計算機(jī)內(nèi)，當(dāng)需要進(jìn)行重復(fù)測量時，工業(yè)控制計算機(jī)可通過控制復(fù)位及合閘模塊對漏電斷路器進(jìn)行復(fù)位及合閘操作，以便進(jìn)行下一次檢測。

1．1 剩余動作電流生成模塊

檢測裝置在進(jìn)行剩余動作電流值的檢測或者動作時間的檢測時，作為漏電斷路器檢測裝置關(guān)鍵部分的剩余動作電流生成模塊，要向漏電斷路器提供電流值準(zhǔn)確、穩(wěn)定的剩余動作電流。為了滿足不同規(guī)格漏電斷路器檢測時對于檢測裝置剩余動作電流測量范圍和測量精度的要求，在本模塊中采用了如圖2所示的剩余動作電流生成電路。

圖2 剩余動作電流生成電路Fig．2 Generating circuit of residual operating current

由圖2可知，此電路主要由電動調(diào)壓器、降壓變壓器、定值電阻、繼電器板卡(PCL-735卡)等組成，檢測過程中工業(yè)控制計算機(jī)通過調(diào)節(jié)繼電器板卡中1號、2號繼電器的常開觸點(diǎn)KA1、KA2的開斷可得到0 mA ～125 mA、0 mA ～500 mA、0 mA ～1 000 mA 的3種范圍的剩余動作電流，其精度分別可達(dá)0．03 mA、0．1 mA和0．2 mA。滿足了不同規(guī)格漏電斷路器檢測時對于剩余動作電流測量范圍和測量精度的要求。

1．2 單極選通模塊

漏電斷路器動作特性檢測裝置中增加了單極選通模塊，可實(shí)現(xiàn)對多極型漏電斷路器任選一極進(jìn)行檢測。同時，為了避免電子式漏電斷路器檢測過程中輔助電源端發(fā)生相間短路，在此電路中利用繼電器板卡中的常開與常閉觸點(diǎn)，設(shè)置了自鎖、互鎖電路，電路如圖3所示。

圖3 單極選通電路Fig．3 Single pole gating circuit

1．3 自動復(fù)位及合閘模塊

動作特性檢測時，漏電斷路器動作后，進(jìn)行下次測量時需要對漏電斷路器復(fù)位和合閘。由于動作后的漏電斷路器復(fù)位按鈕會自動彈出，首先要將此按鈕按下，漏電斷路器才能合閘。因此設(shè)計了漏電斷路器自動復(fù)位及合閘模塊，其工作原理框圖如圖4所示。

圖4 復(fù)位及合閘電路原理框圖Fig．4 Principle block diagram of the reset and closing circuit principle

由圖4可知，此模塊主要由觸頭狀態(tài)檢測卡、工業(yè)控制計算機(jī)、復(fù)位操作機(jī)構(gòu)、合閘操作機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，觸頭狀態(tài)檢測卡檢測到漏電斷路器動作信息，工業(yè)控制計算機(jī)首先控制復(fù)位操作機(jī)構(gòu)對漏電斷路器進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位完成時復(fù)位接近開關(guān)會被觸發(fā)，復(fù)位機(jī)構(gòu)退回原位，同時合閘操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行合閘操作，合閘到位后合閘接近開關(guān)會被觸發(fā)，合閘機(jī)構(gòu)退回原位，完成漏電斷路器復(fù)位及合閘操作。這一過程中為避免由于控制程序錯誤，復(fù)位及合閘機(jī)構(gòu)長時間工作所導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)中核心部件，直流電磁鐵過熱、直流電動機(jī)堵轉(zhuǎn)的發(fā)生，在其驅(qū)動電路中增加了保護(hù)電路，如圖5所示。

圖5 驅(qū)動及保護(hù)電路Fig．5 Drive and protection circuit

由圖5可知，在控制程序出現(xiàn)錯誤無法及時停止復(fù)位及合閘機(jī)構(gòu)時，保護(hù)電路中的延時繼電器KT1、KT2可在預(yù)先整定的時間內(nèi)斷開電源，實(shí)現(xiàn)了直流電磁鐵和直流電動機(jī)的硬件保護(hù)，避免了長時間通電或者堵轉(zhuǎn)所造成的器件過熱的發(fā)生，提高了檢測裝置運(yùn)行過程中的安全性能。

1．4 剩余動作電流檢測模塊

進(jìn)行剩余動作電流檢測時，剩余動作電流檢測模塊需要實(shí)時采集電路中的剩余動作電流信息，傳送到工業(yè)控制計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析、判斷。因此，設(shè)計了如圖6(a)所示的電流檢測電路，并且為了避免電流檢測時由于采樣頻率與電流頻率不符所帶來的采樣累計誤差，增加了如圖6(b)所示的采樣同步電路，使得電流檢測電路在被測電流過0時開始檢測，進(jìn)一步提高了檢測的精度。

圖6 剩余動作電流檢測模塊中電路Fig．6 Circuit of residual operating current detection module

2 控制程序設(shè)計

良好的控制程序設(shè)計是檢測裝置安全、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，本次所設(shè)計漏電斷路器檢測裝置采用LabVIEW軟件進(jìn)行控制程序的編制。LabVIEW軟件采用圖形化編程，避免了復(fù)雜、繁瑣的代碼的編寫，提高了編程效率。并且LabVIEW軟件提供了與MATLAB、EXCEL等軟件的接口，可直接將數(shù)據(jù)導(dǎo)入這些軟件內(nèi)進(jìn)行處理或存儲，為檢測數(shù)據(jù)的分析處理提供了便利［12-15］。

三是機(jī)構(gòu)間存在差別。依據(jù)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、成果性質(zhì)以及勞資合同或事先約定等情況的不同，各機(jī)構(gòu)科研成果的收益分配情況不完全一樣?！豆蛦T發(fā)明法》規(guī)定，高校雇員作為發(fā)明人應(yīng)獲得發(fā)明轉(zhuǎn)化毛收入的30%，高校作為知識產(chǎn)權(quán)所有人獲得70%收入；如研發(fā)由兩個機(jī)構(gòu)合作完成，則各獲35%，依此類推。但對高校外的獨(dú)立科研機(jī)構(gòu)的收益分配沒有明確規(guī)定，在實(shí)際中是11%到30%之間。其中，主要從事前沿基礎(chǔ)研究的科研機(jī)構(gòu)的發(fā)明人獲益較高，最多可得30%，如馬普學(xué)會[9～11]；主要從事應(yīng)用研究的科研機(jī)構(gòu)的發(fā)明人獲益較低，約為20%左右，如弗勞恩霍夫協(xié)會[7]。

所設(shè)計的控制程序采用了模塊化的設(shè)計思想，將需要實(shí)現(xiàn)的功能拆分為若干個小的功能模塊分別進(jìn)行控制程序的構(gòu)建。當(dāng)檢測裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中需要用到某一部分功能時，主程序可通過調(diào)用這部分功能所對應(yīng)的控制程序來實(shí)現(xiàn)。這樣不僅降低了控制程序構(gòu)建的難度，而且當(dāng)某一部分功能出現(xiàn)異常時，可以有針對性的對相應(yīng)的控制程序進(jìn)行修改、調(diào)試。

2．1 剩余動作電流調(diào)整模塊程序設(shè)計

在進(jìn)行漏電斷路器動作特性檢測時，無論是剩余動作電流的檢測還是動作時間的檢測都需要對施加在漏電斷路器上的剩余動作電流進(jìn)行調(diào)整。為保證剩余動作電流調(diào)整過程中電流精確、平穩(wěn)的改變，設(shè)計了控制剩余動作電流調(diào)節(jié)的程序避免電流超調(diào)或變化速率過快對檢測過程的影響，以提高檢測的精度。其工作流程如圖7所示。

圖7 電流調(diào)整程序工作流程Fig．7 Workflow of current adjustment program

2．2 剩余動作電流檢測模塊程序設(shè)計

剩余動作電流檢測程序是實(shí)現(xiàn)檢測裝置檢測功能的重要控制程序之一，在進(jìn)行漏電斷路器剩余動作電流檢測時，此程序可按照用戶輸入的漏電斷路器參數(shù)以及檢測通道的選定來控制相應(yīng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)剩余動作電流的施加、剩余動作電流值的檢測和數(shù)據(jù)記錄等功能，其工作流程如圖8所示。

2．3 動作時間檢測模塊程序設(shè)計

圖8 剩余動作電流檢測程序工作流程Fig．8 Workflow of residual operating current detection program

動作時間檢測程序是實(shí)現(xiàn)檢測裝置檢測功能的另一個重要控制程序，此程序在初始化時可對檢測裝置中數(shù)據(jù)采集卡(PCL-818卡)內(nèi)集成的定時器/計數(shù)器模塊進(jìn)行設(shè)置，使其產(chǎn)生周期為1 ms的觸發(fā)脈沖作為動作時間檢測過程中的計時基準(zhǔn)。漏電斷路器在接入電路時會造成負(fù)載變化使得施加在漏電斷路器上的剩余動作電流值與設(shè)定值產(chǎn)生偏差，又由于電子式漏電斷路器與電磁式漏電斷路器之間電氣特性的差異，針對這一情況，此控制程序中設(shè)計了兩種檢測方法用于電子式漏電斷路器、電磁式漏電斷路器動作時間的檢測。對于電子式漏電斷路器，在檢測過程中首先在不施加輔助電源的情況下調(diào)整輸入漏電斷路器內(nèi)的剩余動作電流到達(dá)額定值，然后再接通輔助電源并檢測動作時間;對于電磁式漏電斷路器由于其動作過程中不需要施加輔助電源，因此在對其進(jìn)行動作時間檢測時，首先接通剩余動作電流施加電路并調(diào)整其輸出的剩余動作電流到達(dá)額定值后斷開此電路。然后接通檢測主電路待電路中電流穩(wěn)定后，再接通剩余動作電流施加電路并檢測動作時間。這兩種檢測方法有效的避免了由于漏電斷路器接入電路所造成的電流變化，提高了動作時間檢測的精度，其工作流程如圖9(a)所示，并且為了避免檢測過程中由于電網(wǎng)電壓波動、環(huán)境溫度等因素造成的剩余動作電流的波動，設(shè)計了電流穩(wěn)定控制程序其工作流程如圖9(b)所示。

圖9 動作時間檢測模塊程序工作流程Fig．9 Workflow of actuating time detection module program

3 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)漏電斷路器動作特性檢測的連續(xù)實(shí)時、高效、精確的測量，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制了一臺漏電斷路器動作特性檢測裝置。裝置中設(shè)計了多檔電流輸出和同步采樣電路保證檢測精度;設(shè)計了單極選通模塊，實(shí)現(xiàn)對多極漏電斷路器中任意選通一極進(jìn)行檢測;設(shè)計了相間短路保護(hù)和設(shè)備過熱保護(hù)等多重保護(hù)電路?？刂瞥绦蛟O(shè)計過程中運(yùn)用了圖形化編程軟件LabVIEW采用模塊化的編程。為了保證剩余動作電流調(diào)整過程的精確、平穩(wěn)，設(shè)計了電流調(diào)整控制程序和電流穩(wěn)定控制程序;針對電子式漏電斷路器與電磁式漏電斷路器的差異，在進(jìn)行動作時間檢測模塊控制程序的構(gòu)建時，設(shè)計了兩個分支來分別應(yīng)對，提高了檢測的精度。檢測裝置內(nèi)硬件電路與軟件控制程序相互配合，實(shí)現(xiàn)了漏電斷路器動作特性的自動檢測，提高了檢測效率為漏電斷路器的研究提供了便利。