微型断路器可靠性试验技术的研究

微型断路器可靠性试验技术的研究

刘洪磊

中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心电气研发部，吉林 长春 130062

摘要：依据GB10963.1-2020《家用及类似场所用过电流保护断路器》对微型断路器的时间-电流动作特性的要求，利用LabVIEW软件对微型断路器可靠性试验技术进行研究。可进行对微型断路器的操作可靠性试验、瞬动可靠性试验和过载可靠性试验，并介绍了软件系统中数字滤波、RMS计算、线性拟合技术、软件保护等技术的应用。

关键词：微型断路器；可靠性检测；LabVIEW；数字滤波

0引言

微型断路器(Miniature Circuit Breaker，MCB)属于保护类电器，其可靠性的高低直接影响供电和配电线路上的设备是否能安全运行，尤其是瞬动保护特性和过载保护特性不符合需求，会给用户带来很大的影响，甚至造成严重的经济损失。

本文利用LabVIEW软件平台，根据微型断路器可靠性检测标准，设计的试验检测装置，做到对微型断路器操作可靠性、瞬动保护可靠性和过载保护可靠性的检测，得到最终试验数据，用以鉴别该型号微型断路器的可靠性水平。

1微型断路器的时间-电流动作特性

微型断路器试品型号不同，国家标准GB10963.1-2020《家用及类似场所用过电流保护断路器》中规定了断路器的时间－动作特性，可作为可靠性试验的失效判据。当试验电流达到约定值时，断路器应作出预期动作结果，如果其断开（脱扣）时间不符合约定要求，即认为试品发生失效。

2微型断路器可靠性试验技术的硬件设计

2.1整体设计

本文所设计的微型断路器可靠性检测试验系统对微型断路器操作、瞬动、过载可靠性试验采用独立回路方案。用电机控制机构装置连接负载，以数据采集卡对断路器触头两端的电压或电流值进行测量。

图1 微型断路器可靠性试验装置的原理框图

2.2操作可靠性

在操作可靠性试验中，工控机通过PCI控制卡的数字量输出口控制电动机正、反转电路的通断，从而使电动机正转或反转来驱动试品的分合闸操作。电动机控制机械结构上装有霍尔元件，当电动机转动到位后，霍尔元件会输出到位信号，通过PCI控制卡的数字量输入口来得知电动机到位并通过PCI控制卡的数字量输出口使电动机正转或反转电路断开，使电动机停止转动。

以数据采集卡在试品两端进行对试验电压采样，来判断试验试品的断开/合闸状态和断路器的可靠性情况。并能在试品合/分闸期间采集被监测试品的所有触头的电压值，将其送至计算机通过系统程序与已设定的状态电压（触头闭合允许电压值、触头打开允许电压值）进行比较。

2.3瞬动保护可靠性

瞬动保护试验的微机调流过程说明如下：由于瞬动保护可靠性试验要求独立进行，试验时，就要选定某一个试品进行试验，试验开始，闭合主回路开关、主回路接触器、回路控制接触器以及选定的试品支路上的接触器和试品断路器，这样就组成了调节I_e的回路；通过采集回路得到变压器回路中的电流值，与设定I_e的比较：若≤I_e，则控制电动调压器升压，若≥I_e，则控制电动调压器降压，直到调到设定的I_e值；然后通过快速傅里叶算法计算出合闸时间进行选相合闸，切换高倍抽头回路上的接触器，通过快速傅里叶算法计算出合闸相角使电流过零点时导通选相合闸装置，通过采集波形分析判断瞬动保护可靠性水平。

2.4过载保护可靠性

在过载试验电路中，试验的电流源选用专用数控精密恒流源，该恒流源采用专用芯片、DSP、功率模块为核心器件，应用RS485通讯接口，标准的Modbus-Rtu通讯协议，可与计算机实时通信，可发出稳定的交流电流，并采集试验电流值以反馈给芯片稳流，试验中通过工控机设置试验所需要的1.13Ie，1.45Ie和2.55Ie的试验电流。调流过程如下：开始时，闭合主回路开关，通过工控机设置试验所需要的1.13Ie，1.45Ie和2.55Ie的命令，工控机与数控恒流源通信，使数控恒流源发出相应倍数的恒定电流，通过变送器采样反馈，恒流源调整到试验电流，进行过载试验，检测触头情况，分析试品的可靠性性能。试验中通过工控机设置试验次数与冷却时间等。

3软件功能介绍

3.1LabVIEW软件系统在可靠性试验设备中的应用

LabVIEW是一种程序开发环境，主要用于开发测试、测量和控制系统。其函数库包含数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等，可和第三方硬件结合到程序中，本试验系统使用PortI/O模块直接对相应的端口地址进行读/写操作，应用FIFO技术进行高速采集。

3.2数字滤波及RMS波形计算

在采集微型断路器瞬动试验下的电流波形时，为使波形更为准确，需采集大量试验数据进行计算分析，试验系统中采用了50 000次/s的采集速度，信号传递的过程中，容易受到外界信号干扰，夹杂高频噪声，因此在分析结果前采用低通数字滤波器(本试验系统采用的是Chebyshev滤波器)过滤掉高频干扰信号。

Chebyshev滤波器的幅频响应表达式为：

（1）

（2）

为通带截止频率，n为滤波器的阶数，为小于1的正数，决定通带波纹大小的系数。

3.3软件保护

瞬动试验过程中电流可达2000A以上，电机操作机构也有行程限制，因此试验设备必须采取保护措施，以防止设备在运行过程中出现故障，危及设备与操作人员的安全。除采用一系列的硬件互锁结构及添加时间继电器控制外，在软件系统中也进行了一定方面的软件保护程序，类似于单片机中看门狗技术，瞬动试验中设置通电时间上限，当通电时间达到设定值时系统自动发出停止命令，断开回路接触器；电机操作机构正/反转动作时，软件上设计循环采样周期，并设置循环次数，当在循环达到总次数仍没有检测到到位信号时系统发出停止命令，并提示报警信号。

4结束语

微型断路器是常用的电气器件，可靠性性能评价对其质量的提升和改善有重要意义，而可靠性检测是评价产品质量的重要方式。本文基于LabVIEW软件技术，设计出对微型断路器进行操作可靠性试验、瞬动可靠性试验、过载可靠性试验的实验装置，实现对微型断路器的完整可靠性检测，检测精度高，在微型断路器可靠性检测方面有较高的应用价值。

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