黃少坡，李奎，王洋，王麗麗，溫金鑫（.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津30030；.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津30080）

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機(jī)電式控制電路電器試驗(yàn)技術(shù)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(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130；
2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180）

摘要：研究了機(jī)電式控制電路電器試驗(yàn)技術(shù)，包括正常和非正常條件下接通分?jǐn)嗄芰?、電氣耐久性試?yàn)等。根據(jù)試驗(yàn)條件不同，將考核觸頭接通能力和分?jǐn)嗄芰Φ脑囼?yàn)分為恒載、變載和無(wú)載3種試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。以接觸器輔助觸頭為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)控制的試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了交直流通用和各試驗(yàn)?zāi)Ｊ郊嫒荩詣?dòng)控制試驗(yàn)進(jìn)程并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示試驗(yàn)電壓電流，提高了觸頭接通分?jǐn)酄顟B(tài)判斷的精度和接觸器輔助觸頭試驗(yàn)的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：控制電路電器；試驗(yàn)技術(shù)；試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑徊ㄐ物@示；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備范疇，機(jī)電式控制電路電器起著信號(hào)、控制、連鎖等功能，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

機(jī)電式控制電路電器發(fā)生故障，將危及整個(gè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。文獻(xiàn)［1］中降壓?jiǎn)?dòng)接觸器的常閉觸點(diǎn)接觸不良，導(dǎo)致被控55 kV·A風(fēng)機(jī)在由降壓?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換到全壓運(yùn)轉(zhuǎn)瞬間瞬時(shí)停車(chē)而后馬上啟動(dòng)，相當(dāng)于電機(jī)直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流巨大，造成總屏低壓斷路器跳閘，全車(chē)間停機(jī)事故。文獻(xiàn)［2］中控制非全相保護(hù)時(shí)間繼電器動(dòng)作的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)不良，設(shè)備振動(dòng)導(dǎo)致斷開(kāi)的常閉觸點(diǎn)接通，從而引起時(shí)間繼電器線圈得電而發(fā)生誤保護(hù)、開(kāi)關(guān)跳閘?？梢?jiàn)，研究控制電路電器試驗(yàn)技術(shù)、提高其質(zhì)量水平，對(duì)降低系統(tǒng)故障發(fā)生率、減少經(jīng)濟(jì)損失有著重要意義。

1　使用類(lèi)別及試驗(yàn)?zāi)Ｊ絼澐?/h2>

1.1使用類(lèi)別［3］

正常條件下和非正常條件下的接通與分?jǐn)嗄芰κ强刂齐娐冯娖餍褪皆囼?yàn)的重要項(xiàng)目，是產(chǎn)品必須滿足的性能指標(biāo)；為了研究產(chǎn)品的壽命水平或來(lái)自用戶的質(zhì)量需求，還需進(jìn)行機(jī)械耐久性和電氣耐久性的驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)控制對(duì)象的不同，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 14048.5）規(guī)定了幾種機(jī)電式控制電路電器的使用類(lèi)別，見(jiàn)表1。

表1　機(jī)電式控制電路電器使用類(lèi)別Tab.1 Utilization categories for electromechanical control circuit devices

接通和分?jǐn)嗄芰χ改茉诋a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下接通和分?jǐn)嗾Ｘ?fù)載電流和過(guò)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(duì)應(yīng)于不同使用類(lèi)別的接通電流和分?jǐn)嚯娏饔械南嗤械牟煌?，如正常條件下對(duì)應(yīng)于不同使用類(lèi)別下的接通分?jǐn)嚯娏魅绫?所示。其中，6×P是經(jīng)驗(yàn)值，代表大多數(shù)直流電磁鐵負(fù)載的上限為P=50 W，即6×P=300 ms的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系中求得，對(duì)于功率消耗大于50 W的負(fù)載，可假定由較小負(fù)載并聯(lián)組成，因此，300 ms可作為上限值；T0.95為達(dá)到95%穩(wěn)態(tài)電流的時(shí)間，ms。

表2　正常條件下接通分?jǐn)嗄芰Γ║=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(fù)載操作循環(huán)次數(shù)，GB 14048.5規(guī)定電氣耐久性試驗(yàn)中應(yīng)有90%及以上的被試電器達(dá)到或超過(guò)該操作循環(huán)次數(shù)。每個(gè)操作循環(huán)應(yīng)包括1次試驗(yàn)電流的接通和1次試驗(yàn)電流的分?jǐn)?，操作循環(huán)的通電時(shí)間應(yīng)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?jǐn)嗄芰Φ囊环N特殊情況，交流電氣耐久性試驗(yàn)時(shí)，按正常條件下使用類(lèi)別為AC-15的接通分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)進(jìn)行，但接通時(shí)功率因數(shù)應(yīng)為0.7，分?jǐn)鄷r(shí)功率因數(shù)應(yīng)為0.4；直流電氣耐久性試驗(yàn)時(shí)，按正常條件下使用類(lèi)別為DC-13的接通分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)進(jìn)行。

1.2試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒诸?lèi)

通過(guò)以上分析，根據(jù)控制對(duì)象、驗(yàn)證性能指標(biāo)不同，考核控制電路電器的試驗(yàn)被分為若干個(gè)使用類(lèi)別，且對(duì)于電氣耐久性試驗(yàn)，雖然參考其中某些使用類(lèi)別但試驗(yàn)條件不完全相同。通過(guò)歸納可將以上所有試驗(yàn)情況分為以下幾種試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑?］：

1）恒載試驗(yàn)。試品接通和分?jǐn)嘭?fù)載電流，接通和分?jǐn)嗟呢?fù)載電流相同，如AC-12，DC-12；

2）變載試驗(yàn)。試品接通和分?jǐn)嘭?fù)載電流，接通和分?jǐn)嗟呢?fù)載電流不同，如AC-13，DC-14；

3）無(wú)載試驗(yàn)。試品只進(jìn)行機(jī)械的閉合和斷開(kāi)，無(wú)需加載電壓和電流，如機(jī)械耐久性試驗(yàn)。

2　接觸器輔助觸頭試驗(yàn)技術(shù)研究

2.1試驗(yàn)主回路設(shè)計(jì)

由以上分析，考核控制電路電器接通和分?jǐn)嗄芰Φ脑囼?yàn)類(lèi)別較多，且有的接通和分?jǐn)鄺l件不同（電壓不同、電流不同等），這對(duì)試驗(yàn)裝置的自動(dòng)化水平提出了更高的要求。為了兼顧電源類(lèi)型（AC/DC）、恒載接通分?jǐn)嗉白冚d接通分?jǐn)啵⑼瑫r(shí)考慮提高試驗(yàn)效率，以接觸器輔助觸頭為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了如圖1所示的接觸器輔助觸頭接通分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)裝置主回路。

圖1　試驗(yàn)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(fù)載選擇接觸器。可分別提供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(jìn)行接通和分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的電源要求。以回路1為例，恒載試驗(yàn)時(shí)，可指定負(fù)載1或負(fù)載2；變載試驗(yàn)時(shí)，可選擇負(fù)載1或負(fù)載2作為接通負(fù)載而另一個(gè)作為分?jǐn)嘭?fù)載，通過(guò)控制KM5或KM6不同的動(dòng)作時(shí)序，可實(shí)現(xiàn)不同的試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

工位1和工位2可同時(shí)對(duì)分別與2臺(tái)接觸器同時(shí)動(dòng)作的2個(gè)輔助觸頭試品進(jìn)行試驗(yàn)，也可同時(shí)對(duì)與一臺(tái)接觸器同時(shí)動(dòng)作的2個(gè)輔助觸頭試品（同常開(kāi)或同常閉）進(jìn)行試驗(yàn)，工位1和工位2的位置可分別同時(shí)并聯(lián)3個(gè)輔助觸頭，并分別對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)最大化地提高了試驗(yàn)效率。

2.2動(dòng)作時(shí)序

通過(guò)控制電源選擇接觸器和負(fù)載選擇接觸器，可實(shí)現(xiàn)恒載、變載及無(wú)載3種試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。工?和工位2可分別或同時(shí)進(jìn)行恒載、變載試驗(yàn)，也可分別或同時(shí)進(jìn)行無(wú)載試驗(yàn)，這里重點(diǎn)對(duì)恒載和變載的試驗(yàn)動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行分析。

由于2個(gè)工位上的輔助觸頭可能由同一臺(tái)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(dòng)作時(shí)序是不同的。對(duì)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(dòng)作時(shí)序，再基于以上考慮，共有6種動(dòng)作時(shí)序。這里重點(diǎn)分析較為復(fù)雜的2種動(dòng)作時(shí)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(shí)序1，見(jiàn)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(shí)序2，見(jiàn)圖3。

圖2　時(shí)序1動(dòng)作時(shí)序圖Fig.2 Operation sequence chart of sequence 1

圖3　時(shí)序2動(dòng)作時(shí)序圖Fig.3 Operation sequence chart of sequence 2

動(dòng)作時(shí)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(guò)程［5］。時(shí)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(lái)分?jǐn)嘭?fù)載；通過(guò)KM7和KM8的負(fù)載轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工位2接通和分?jǐn)嗟呢?fù)載電流不同。時(shí)序2中，由于兩工位由同一臺(tái)接觸器控制，工位1需在工位2完成承載分?jǐn)嚯娏鳎╰8）后和工位2同時(shí)釋放。根據(jù)接觸器的實(shí)際吸合釋放時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)要求的接通時(shí)間，通過(guò)設(shè)置各階段的時(shí)間參數(shù)，可完成整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程的自動(dòng)控制。對(duì)于時(shí)序2，正常條件或非正常條件下接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了通電時(shí)間下限值，所以工位1通電時(shí)間亦滿足要求；電氣耐久性試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)合理設(shè)定各階段時(shí)間參數(shù)，也可保證工位1通電時(shí)間不大于操作循環(huán)周期的50%。時(shí)序2使用1臺(tái)接觸器控制2個(gè)輔助觸頭，減少了接觸器用量，提高了試驗(yàn)效率。

2.3基于計(jì)算機(jī)控制的采集系統(tǒng)

文獻(xiàn)［6］所述試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)接觸器輔助觸頭回路施加DC 24 V電壓，可通過(guò)采集觸頭壓降并于門(mén)限值比較來(lái)判斷觸頭的接觸狀態(tài)，但并未采集觸頭回路電流，不能準(zhǔn)確反映觸頭接通和分?jǐn)嘀械膭?dòng)態(tài)過(guò)程。為了提高觸頭接通分?jǐn)酄顟B(tài)監(jiān)測(cè)的精度，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

進(jìn)行輔助觸頭恒載試驗(yàn)或變載試驗(yàn)時(shí)，需在整個(gè)接通和分?jǐn)噙^(guò)程中檢測(cè)電源電壓U、觸頭間電壓u和主電路電流I［7］，試驗(yàn)過(guò)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(shí)還原原始信號(hào)［8］。試驗(yàn)時(shí)，將0～450 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～4.5 mA的電流信號(hào)，再經(jīng)5 mA/20 mA霍耳傳感器、放大電路轉(zhuǎn)換為0～4.5 V的電壓信號(hào)，供AD采樣。使用1 A/20 mA和5 A/20 mA 2種霍耳傳感器，對(duì)不同電平的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集，再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換為最大5 V的電壓信號(hào)，供AD采樣，提高了電流采樣精度。考慮一定的過(guò)壓、過(guò)流系數(shù)，設(shè)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(yàn)電壓為U0、試驗(yàn)電流為I0，接通時(shí)，若u≥10%U0或I≤90%I0，則記為接通故障；分?jǐn)鄷r(shí)，若u≤90%U0或I≥10%I0，則記為分?jǐn)喙收稀?0% 或90%為保護(hù)限，用戶可自定義。試驗(yàn)裝置可顯示電壓電流波形，通過(guò)波形分析，可精確得出接通和分?jǐn)鄷r(shí)間、燃弧時(shí)間等觸頭特征參數(shù)。

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

3　結(jié)論

本文研究了機(jī)電式控制電路電器試驗(yàn)技術(shù)，并以接觸器輔助觸頭為研究對(duì)象開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)控制的試驗(yàn)裝置，提高了接觸器輔助觸頭試驗(yàn)自動(dòng)控制水平。

1）總結(jié)分析了考核控制電路電器接通和分?jǐn)嗄芰Φ母鞣N試驗(yàn)類(lèi)別及試驗(yàn)條件，將各試驗(yàn)類(lèi)別歸納為恒載、變載和無(wú)載3種試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑?/p>

2）以接觸器輔助觸頭為研究對(duì)象設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，可滿足交直流通用、各試驗(yàn)?zāi)Ｊ郊嫒莸囊螅⒅攸c(diǎn)分析了兩工位2臺(tái)接觸器控制和兩工位1臺(tái)接觸器控制下的一恒載一變載試驗(yàn)動(dòng)作時(shí)序；

3）開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)控制的采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電壓電流采集和顯示，提高了觸頭狀態(tài)監(jiān)測(cè)和特征參數(shù)提取的精度。

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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(lèi)號(hào)：TM572

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51377043）；河北省自然科學(xué)基金（E2015202109）

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

收稿日期：2015-09-16