王杰，姚芳，李志剛，李錚

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130；2.河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130；3.天津電力公司城東供電公司，天津 300250）

小型斷路器觸頭電性能測試裝置設(shè)計

王杰1，2，姚芳1，2，李志剛1，2，李錚3

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130；2.河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130；3.天津電力公司城東供電公司，天津 300250）

觸頭是小型斷路器（MCB）的執(zhí)行部件，為了研究觸頭的機電磨損與性能退化，設(shè)計了一種小型斷路器觸頭電性能測試裝置。該測試裝置通過PCI-1750 I/O口控制交流固態(tài)繼電器的通斷來產(chǎn)生觸頭負(fù)載回路所需的測試電流，PCI-1742U數(shù)據(jù)采集卡對觸頭兩端的電壓電流的信號進行高速采樣，以DMA方式傳輸給工控機。通過對觸頭兩端的電壓電流數(shù)據(jù)的處理和分析，為觸頭機電磨損和退化的分析研究提供了重要的依據(jù)。

小型斷路器；觸頭；電性能

MCB廣泛應(yīng)用于日常居民及各種公共場所的建筑電氣線路中［1-2］。線路過載或短路時，MCB能及時分?jǐn)嘤|頭，切斷電路，保護供電線路及設(shè)備［3-4］。觸頭作為MCB的執(zhí)行元件，觸頭間電壓電流波形直接反映了觸頭的動力學(xué)行為，是MCB運動性能及動作可靠性的最直接反映［5-7］。MCB過載或短路分?jǐn)鄷r，觸頭承載的電壓電流都會經(jīng)歷一個短暫的過渡過程，并伴隨有機電磨損。觸頭分?jǐn)噙^程中，會產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象，伴隨著能量的損耗。MCB穩(wěn)定接通時，觸頭承載的電壓電流也是隨時間不斷變化的，觸頭電接觸性能的優(yōu)劣直接影響到單位時間的電能量損耗［8］。

因此，研究MCB觸頭電性能損耗有助于評估可靠性，保證用電安全和電網(wǎng)的安全運行。

1　測試系統(tǒng)總體設(shè)計

測試系統(tǒng)的設(shè)計目的是對MCB觸頭兩端的電壓電流波形進行實時監(jiān)測。為此，需要設(shè)計相應(yīng)的電路，通過傳感器來跟蹤觸頭電壓電流實時變化情況，并對輸出的感測信號進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集卡和控制器之間雙向通信，協(xié)同完成數(shù)據(jù)的采集、緩存、存儲等系列操作。

MCB觸頭電性能損耗測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，電源主要是為各硬件組成部分提供電能；電阻負(fù)載即作為交流負(fù)載使用又通過交流固態(tài)繼電器的通斷參與電流的產(chǎn)生與控制；測量器件采用帶有隔離，耐壓高，能夠快速響應(yīng)測量實時參數(shù)的傳感器件；工控機通過數(shù)據(jù)采集卡和I/O控制卡與外部電路連接構(gòu)成數(shù)據(jù)采集電路和控制電路。

圖1　測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Overall structure diagram of test system

MCB觸頭電性能測試系統(tǒng)硬件電路主要包括模擬負(fù)載控制電路、電壓電流檢測電路以及數(shù)據(jù)采集電路。

1.1負(fù)載及其控制電路設(shè)計

1.1.1負(fù)載電路設(shè)計

負(fù)載電路采用多路負(fù)載并聯(lián)的方式，產(chǎn)生不同等級的模擬電流，其并聯(lián)結(jié)構(gòu)電路如圖2所示。通過對支路開關(guān)的控制，決定接通的支路，進而確定電路總電阻。當(dāng)工作電壓為Us=220 V，試驗樣品MCB的額定工作電流為In時，可以選擇阻值為Us/In的電阻，產(chǎn)生單倍額定電流。按照C型小型斷路器可靠性檢測試驗的電流等級，設(shè)計的電路也應(yīng)能產(chǎn)生1.13In，1.45In，2.55In，5In，10In的電流。試驗所需的2.55In電流可以由In電流與1.55In電流疊加構(gòu)成，1.45In與1.55In電流支路組合可等效取代3個單倍額定電流支路。故試驗設(shè)定采用14個電阻支路，11個支路產(chǎn)生In電流，其余3個支路分別產(chǎn)生1.13In，1.45In與1.55In的電流，電阻值分別為Us/1.13In，Us/1.45In與Us/1.55In。

圖2　負(fù)載電路設(shè)計Fig.2　Design of load circuit

1.1.2負(fù)載控制電路設(shè)計

負(fù)載電阻通斷控制的開關(guān)必須速度快，保證時間參數(shù)的測試精度。這里采用典型的過零型交流固態(tài)繼電器（ACSSR）。固態(tài)繼電器動作時間控制在1 ms以下，額定工作電壓為DC 12 V，額定工作電流為5～20 mA。輸入端可接電壓范圍為DC 9.6～14.4 V。

ACSSR之所以可以實現(xiàn)通斷、電路狀態(tài)的切換是通過工控機中相應(yīng)板卡的I/O口的控制來實現(xiàn)的?？刂齐娐啡鐖D3所示，當(dāng)給板卡DIO0位賦值高電平時，即數(shù)字量“0”時，DIO0與IGND之間的電路將導(dǎo)通，外加的12 V直流電源將加載到ACSSR的控制端，從而電阻R0經(jīng)過ACSSR連入主回路中。當(dāng)給DIO0位賦值低電平時，即數(shù)字量“1”時，DIO0與IGND之間的電路不導(dǎo)通，ACSSR的控制端口沒有電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)，電阻R0未能連入主回路中，同時各電路支路之間處于隔離狀態(tài)，相互間通斷互不影響。

圖3　控制電路設(shè)計Fig.3　Design of control circuit

1.1.3端口選擇設(shè)計

在控制電路中總共使用14個DIO端口，其中DIO0～DIO10分別連接產(chǎn)生電流為In的負(fù)載電路支路，DIO11端口連接產(chǎn)生電流為1.45In的負(fù)載電路支路，DIO12連接產(chǎn)生電流為1.55In的負(fù)載電路支路，DIO13連接產(chǎn)生電流為1.13In的負(fù)載電路支路。而電流大小的具體選擇實現(xiàn)則如表1所示，其中“0”表示接通，“1”表示不接通。

表1　電流等級與DIO端口選擇Tab.1　Current rating and DIO port selection

1.2觸頭電壓電流檢測電路設(shè)計

MCB接通后流經(jīng)觸頭的電流就等于負(fù)載控制電路產(chǎn)生的電流，電流級別為0～14A。在觸頭分?jǐn)噙^程中，由于電弧的存在，仍會有電流流過；當(dāng)電弧完全熄滅以后，觸頭上的電流降到零。MCB由接通到完全斷開過程中，電流數(shù)量級跨度大，從A到mA最后變?yōu)?。這里采用了測量頻帶寬、響應(yīng)時間快、線性度高的電隔離電流傳感器。能測量AC 0～15A的電流，輸出相對應(yīng)的AC 0～5 V電壓，同時，觸頭從接通到完全分?jǐn)噙^程中，壓降從微（μV～mV）電壓值，變大到220 V，變化范圍大，故采用0～15 V和0～250 V的2個量程的交流電壓傳感器進行測量，通過軟件程序進行選擇，兼顧了測量精度和量程的設(shè)計，電壓傳感器的輸出電壓范圍為0～3.5 V。電壓電流傳感器連接示意圖如圖4所示。

圖4　傳感器連接示意圖Fig.4　Schematic diagram of sensor connection

1.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集電路主要負(fù)責(zé)工控機和感測信號端的連接，是測試系統(tǒng)的核心，可以選用多功能高分辨率帶隔離的數(shù)據(jù)采集卡，采用16位DAC，最高采樣率可達1MS/s，采集分辨率為16位。

感測到的信號經(jīng)過傳感器內(nèi)部信號調(diào)理電路處理后才能接入數(shù)據(jù)采集卡。測試系統(tǒng)中的信號調(diào)理電路主要包含兩部分：一部分是集成在電壓電流傳感器中的信號調(diào)理電路，主要包含衰減、隔離；另一部分是端子板，端子板除了提供外部信號與數(shù)據(jù)采集卡接口外還帶有低通濾波，電路可以抑制噪聲信號。數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)組成框圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集電路Fig5　Data collection circuit

2　測試系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

在測試系統(tǒng)中，固態(tài)繼電器及小型斷路器等產(chǎn)生的噪聲與電路中交流導(dǎo)線周圍的磁場變化都是不可避免的，都會成為電磁干擾的干擾源。

系統(tǒng)中的硬件可以考慮采用接地的方式，將傳感器的地線與數(shù)據(jù)采集卡的地線共用。由于電壓電流信號輸出屬于交流信號，需要在輸出信號源的兩端接入偏置電阻，釋放偏置電流，防止偏置電流過大損壞板卡，具體連線圖如圖6所示。

圖6　偏置電阻連接Fig.6　Bias resistor connection

在電路中，采用專用電纜進行信號傳輸，相鄰的2根彼此絕緣的銅線內(nèi)電流相反，從而使得感應(yīng)磁場引起的噪聲電流相互減弱乃至抵消。采用工控機進行控制和數(shù)據(jù)處理，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3　結(jié)論

在小型斷路器電性能損耗測試系統(tǒng)中，通過對觸頭電壓電流數(shù)據(jù)的采集?？梢詫崟r計算出觸頭通斷過程瞬間的能量損耗，分析處理可以得到MCB延時時間和燃弧時間等參數(shù)，進而分析觸頭的機電磨損和退化。

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Design of Electrical Performance Test Device for Contact of MCB

WANG Jie1，2，YAO Fang1，2，LI Zhigang1，2，LI Zheng3
（1.College of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2.Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Reliability of Hebei，Tianjin 300130，China；3.East Power Company，Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300250，China）

The contact is the executive component of the miniature circuit breaker.In order to study the mechanical and electrical wear and performance degradation，a miniature circuit breaker contact power test device was designed.The test device generated contact load test current with the PCI-1750 I/O port to control AC solid-state relay，PCI-1742U data acquisition card sampled the voltage and current signals of the contact with a high speed，transfered to the computer with a way of DMA.The data record and analysis of the contact voltage and current of the miniature circuit breaker in real time are provided to study the mechanical and electrical wear and performance degradation.

miniature circuit breaker（MCB）；contact；electrical properties

TM561

A

2015-09-25

修改稿日期：2016-04-14

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（51107029）

王杰（1992-），男，碩士研究生，Email：1564661557@qq.com