剩余电流保护器动作特性试验装置研究

・检测技术・　低压电器（２０１１Ｎｏ．４）　剩余电流保护器动作特性　试验装置研究　闫伟，武一，侯春颖　（河北工业大学信息工程学院，天津摘３００４０１）　要：设计了一种基于ＩＰＣ－６１０工控机的剩余电流保护器动作特性试验装置，由　闫　伟（１９８５一），　男，硕士研究生，研　剩余电流产生、电流采集、逻辑控制及电机保护等电路模块组成，详细阐述了剩余电流　保护器动作特性试验装置的硬件结构设训‘。通过文际应用证明，该装置对电子式和电　磁式剩余电流保护器采用不¨的检测方法，均可有效提高试验的精确度。　关键词：剩余电流保护器；动作特性试验；数据采集　中图分类号：ＴＭ　５６２：ＴＭ　５６４．８文献标志码：Ｂ文章编号：１００１—５５３１（２０１　１）　０４　０５１　究方向为计算机智　能测控。　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｏｐｅａｒｔｉｎｇ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　Ｔｅｓｔ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｎ　Ｗｅｉ，　ＷＵ　Ｙｉ．ＨＯＵ　Ｃｈｕｎｙｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４０　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｔｅｓｔ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃｕｎ＇ｅｎｔ　ｄｅｖｉｃｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＰＣ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　Ｔａｋｈ・ｇ　ｉＰＣ６１０Ｈ　ａｓ　ｃｏｒｅ，ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｍｏｄｕｌｅｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｌ—　ｌｅｃｔｉｏｎ，ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍｏｔｏｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｗａｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉ—　ｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｅｖｉｃｅ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈ—　ｏｄｓ　ｃｏｕｌｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｅｓｔｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｖｉｃｅ（ＲＣＤ）；ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｔｅｓｔ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　０　引　言　剩余电流保护器（Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｅｖｉｃｅ，　ＲＣＤ）是常用于低压电路中的防止人身触电和剩　余电流火灾的保护类电器。目前，国内外普遍采　否可靠，雷雨季节应增加检查次数　。但是，通　过按钮试验只能是用来检查ＲＣＤ的脱扣功能，不　能用来校核额定剩余动作电流和分断时问的数　值。因此，国家标准还规定，应定期进行ＲＣＤ的　动作特性试验，测试剩余动作电流值、剩余不动作　电流值和分断时间　。　本文提出了以ＩＰＣ一６１０Ｈ工控机为核心处　用剩余电流动作的保护方法，即当剩余电流达到　某一特定的数值时切断电路，从而达到保护人身　和财产安全的目的…。然而，如果安装的ＲＣＤ不　理器，利用数据采集卡进行剩余电流采集，通过输　入／输出卡进行逻辑控制的ＲＣＤ动作特性试验装　置。工控机强大的数据运算能力，可以保证数据　处理的实时性和准确性；其易扩展功能，可同时对　４个试品进行动作特性试验，很大程度提高了工　能及时、可靠地检测剩余电流并分断电路，将起不　到较好的保护作用。　我国的国家标准要求ＲＣＤ在投入运行后，使　用单位应建立运行记录及相应的管理制度，每月　需在通电状态下按动试验按钮，检查ＲＣＤ动作是　武一（１９６４一），女，教授，研究方向为智能电器。　作效率；其全钢的封闭外壳，可有效防止电磁干　侯春颖（１９８５一），女，硕士研究生，研究方向为计算机智能测控。　５１—　低压电器（２０１１Ｎｏ．４）　・检测技术・　扰，且适用于温度、湿度较为恶劣的环境。　有数据卡，使用ＰＣＬ８１８ＨＤ作为Ａ／Ｄ采样卡，用　于剩余电流的检测；使用ＰＣＬ７２０＋作为数字量控　制板，用于试品回路的选择和试品的分／合闸、复　位、试验按钮的操作。由于工控机具有抗干扰、安　全、可靠、高速等特点，试验装置采用了工控机后，　可靠性高，适应工业环境。其控制核心由主机、键　１　装置硬件组成及主要电路设计　１．１试验装置的功能和技术性能　根据当前ＲＣＤ动作特性试验装置的发展趋　势，提高设备的通用性，设计ＲＣＤ动作特性试验　装置，可满足对于不同类型的ＲＣＤ进行动作特性　盘、显示器、打印机等部件组成，使用方法与普通　试验。试验装置具有以下功能：①试验装置能同　时对４台单极或多极ＤＺ４７ＬＥ型常用ＲＣＤ进行　动作特性试验。②根据试验要求，试验人员可以　对动作特性试验所涉及的各个试验参数进行设置　和整定，如ＲＣＤ的额定剩余动作电流等参数。③　ＲＣＤ动作特性试验中，可得到５～１　０００　ｍＡ正弦　波剩余电流，电流输出分为０～１２０、１２０～４８０、　４８０～１　０００　ｍＡ三档，装置自动选择合适的电流　档检测。④装置能自动记录试验次数，试品发生　失效时，装置可对失效试品的编号、失效发生的时　问及失效模式进行记录，并整理数据输出。⑤全　面的数据保护功能，意外掉电后数据不会丢失；当　电源恢复后，可以调出历史保存数据。　１．２试验装置硬件组成　该试验装置主要由试试品柜、验控制柜组成。　试验装置的组成框图如图１所示。　试品柜　试验控制柜　Ｔ控机　４台试品及　其操作机构　试验转换　电路　图１　试验装置的组成框图　１．２．１　试品柜　试品柜中有４套电机驱动的机械操作机构，　操作机构通过航空插头与控制柜相连接，用来控　制试验试品的分／合闸操作。每台操作机构有２个　电磁铁，可用来完成复位按钮和试验按钮的操作。　１．２．２试验控制柜　试验控制柜包括工控机和试验转换电路，用　来控制整个试验的逻辑操作和数据处理。　（１）＿＿【二控机。该试验装置采用上控机直接控　制，用于逻辑控制、数据检测与处理。工控机内装　一５２一　台式计算机相同。　（２）试验转换电路。试验转换电路是实现　Ａ、Ｂ、ｃ相、中线Ｎ选择的转换电路，每个试品的　试验回路转换由２台继电器控制，可产生４种通　断状态，控制试验电路的转换。　１．３主要电路设计　１．３．１　基于ＰＣＬ８１８ＨＤ的剩余电流产生电路　剩余电流电路由稳压器、降压变压器、电动调　压器、检测电路组成。当工控机设置剩余动作电　流的大小后，调节电动调压器的控制端，产生正弦　交流电作为剩余电流，用于剩余电流的保护检测。　试验装置采用了４套独立的剩余电流电路，　每个试验电路均可准确进行试验电流的调节。剩　余电流电路硬件框图如图２所示。　Ｌ　～２２０　Ｎ　图２剩余电流电路框图　图２中，电动调压器的输人为ＡＣ　２２０　Ｖ，输　出为ＡＣ　０～２５０　Ｖ；电动调压器的输出接降压变压　器２２０　Ｖ／１２　Ｖ；降压变压器后接电阻，产生试验电　流。为了满足电流采集的精确度，在ＲＣＤ特性试　验装置的设计中，将试验电流的产生分为三档，以　分别满足不同测量范围。电路原理图如图３所示。　图３中，电流通道的选择是由工控机控制继　电器来实现的。当只吸合继电器Ｋ１时，可以产　生４８０～１　０００　ｍＡ的试验电流；如果只吸合继电　器Ｋ２，则可产生１２０～４８０　ｍＡ的试验电流；如果　继电器Ｋ１、Ｋ２都不吸合，则可以产生０～１２０　ｍＡ　的试验电流。　１．３．２　电动机控制与保护电路　如果二Ｌ控计的软件程序发生异常错误，或控　制试品合／分闸的电动机电源不能及时断开，都会　・检测技术・　图３试验电流产生电路　造成电动机的堵转、发生火灾或者使电动机毁坏。　因此，在ＲＣＤ动作特性试验装置的控制电路中增　加了电动机安全保护电路。在电动机正常工作期　间，电路中的时间继电器开始进行计时，如果　ＲＣＤ试验装置的软件系统没能在规定时间内断　开电动机电源，那么时间继电器将在设定时问结　束时自动切断电源，从而实现对电动机的保护作　用。电动机的控制和保护电路如图４所示。　图４电动机控制和保护电路　２　ＲＣＤ动作特性试验　ＲＣＤ的动作特性试验主要检测项目有：测试　剩余动作电流值、剩余不动作电流值和分断时间，　试验电路原理图如图５所示。图５中，以测试一　个试品的Ｎ相为例，ｓ１为继电器开关，Ｓ为试品。　图５试验电路原理图　２．１测试剩余不动作电流值　首先，设置Ｓ闭合，Ｓ１断开；然后，工控机根　据输入的剩余不动作电流调节剩余电流产生回　路，把剩余电流调节至输入值；同时，ｓ１闭合，给　低压电器（２０１１Ｎｏ．４）　试品加２２０　Ｖ电压，判断试品是否动作，如果试品　动作，工控机记录为“误动”；如果试品未动作，则　继续下一步试验。　２．２测试剩余动作电流值　国家标准规定测试剩余动作电流值的方法　是：调节剩余电流从小于０．２１ａ（，　为额定剩余动　作电流值）起，在３０　ｓ内稳定地增加至，　值。首　先，ｓ、ｓ１闭合；然后，工控机通过输入的，　计算　出０．２１　，控制调压器调节剩余电流缓慢升高，如　果ＲＣＤ动作，则记录下动作电流值。为了防止由　于试品失效而导致检测过程中剩余电流的无限制　增长，规定剩余电流增加至　时，若ＲＣＤ不动　作，则判定试品不合格并记录。　２．３测试分断时间　为了实现准确测试分断时问，需要借助硬件　定时１　ｍｓ。试验装置安装有ＰＣＬ８１８ＨＤ卡，集成　了Ｉｎｔｅｌ　８２５４定Ｈ，ｔ／计数器，通过设置计数器的初　值，可以产生精确的触发信号　Ｊ。在主程序运行　前，首先要对计数器进行设置：①写ＢＡＳＥ＋９，关　闭中断设置为软件触发；②写ＢＡＳＥ＋１０，设置软　件触发使能；③写ＢＡＳＥ＋１５，设置计数器工作方　式；④写ＢＡＳＥ＋１３，为计数器赋初值，如果低　８　ｂｉｔ　Ｘ高８　ｂｉｔ的值为１　０００，则可产生１　ｍｓ的触　发脉冲。采集卡１　７￣／ｍｓ采集电流，通过程序分　析，就可得到分断时间。　此外，Ｓ１的闭合会使负载发生变化，而影响　测试动作时间的准确度。ｓ１断开时，假设剩余电　流，＝Ｕ／Ｒ　；Ｓ１闭合时，由于接通了试品，会使回　路负载发生变化，Ｒ　＝Ｒ。＋△（△为回路电阻变化　量），此时，，＝Ｕ／Ｒ　，从而使试验结果产生误差。　由于ＲＣＤ分为电子式和电磁式两种类型，根据其　电气特性，采用不同测试方法，可减小该误差。　２．３．１　电子式ＲＣＤ分断时间测试方法　首先，ｓ、ｓ１闭合，由工控机控制调压器调节　剩余电流值到额定剩余动作电流值，给试品加　２２０　Ｖ电压；同时，计数电路工作，记录分断时间，　如果试品不动作，则工控机记录“不动”。　２．３．２　电磁式ＲＣＤ分断时间测试方法　首先，ｓ闭合、ｓ１断开，由工控机控制电动调　压器，调节剩余电流值到额定剩余动作电流值；然　后，给试品加２２０　Ｖ电压，延时１　ｍｓ后Ｓｌ闭合，　计数电路工作并记录分断时问，如果试品不动作，　一５３—　低压电器（２０１１Ｎｏ．４）　・检测技术・　则Ｔ控机记录“不动”。　由上述两种方法町见：　保存和打印。　（１）对于电子武ＲＣＤ，由于Ｓ、ｓ１闭合，剩余　电流是在试品回路调节，避免了负载的变化。因　此，用该方法得到的测试结果是准确的。　４　结　语　该装置能同时对４台单极或多极ＤＺ４７ＬＥ型　常用ＲＣＤ进行动作特性试验，还可通过调节操作　机构和试验方式，对不同型号ＲＣＤ进行动作特性　试验。对于电子式和电磁式ＲＣＤ，根据其电气特　性，选择在不同回路调节剩余电流，而使试验更加　精确。通过实际应用证明，该装置的稳定性和精　确度很高，对于ＲＣＤ的生产和研发有很大帮助。　（２）对于电磁式ＲＣＤ，由于其本身的电气特　性（不需要辅助电源），使得剩余电流无法在试品　回路调节。因此，采用延时１　ＨＩＳ来稳定剩余电流　值，从软件上提高测试的精确度。　３　运行结果　软件系统是该试验装置的核心，控制着整个　试验的运行，同时又和用户进行信息交互。通过　软件界面，用户可向程序输入试验参数，而程序则　向用户反馈试验数据和试验结果等。软件由Ｖｉｓ—　ｕａｌ　Ｂａｓｉｃ６．０编写，具有简单、易学、模块式的编程　【参考文献】　［１］　李奎，陆俭国．智能化剩余电流保护器的研究［Ｊ］．　机床电器，２００２（４）：９－１３．　［２］　ＧＢ　１３９５５－－２００５剩余电流动作保护装置安装和　运行『Ｓ］．２００５．　方式等特点　。编写该系统时，不同的功能由不　同的模块来实现，相互之问可互相调用、共同配　合，完成控制和试验任务。采用模块化的编程方　［３］　ＧＢ　６８２９－－１９９５剩余电流动作保护器的一般要求　［Ｓ］．１９９５．　［４］　Ａｄｖａｎｔｅｅｈ　Ｃｏ．，ｌａｄ．ＰＣＬ－７２０　Ｄｉｇｉｔａｌ　１／Ｏ　ａｎｄ　Ｃｏｕｎｔ—　ｅｒ　Ｃａｒｄ　ｕｓｅｒ’ｓ　ｍａｎｕａｌ［Ｇ］．２００２．　［５］Ａｄｖａｎｔｅｃｈ　Ｃｏ．，ｌａｄ．ＰＣＩ　８１８ＨＤ　ｈｉｇｈ　ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ，　Ｈｉｇｈ　Ｇａｉｎ　Ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｃａｒｄ　Ｕｓｅｒ’Ｓ　Ｍａｎｕａｌ［Ｇ］．　２００２．　式，使程序的调试更加方便，而且增强了程序运行　的可靠性，操作界面简洁，操作过程由工控机提示　完成，操作简便，极大地提高了试验的工作效率。　试验结果表明，试验装置可以对４台试品同　时进行动作特性试验；试验项目和试验参数可以　由用户设定；试验结果以表格方式列出，并且可以　［６］　高春艳，刘彬彬，王斌．Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ开发技术大全　［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００７．　收稿日期：２０１０—０９—３０　（上接第２ｌ页）　上能够防止内部故障的出现，但用户也应根据电　２００５．　网特征、运行程序和使用条件进行适当选择。如　果按制造商的说明转装、运行和维护，则在整个使　用期问出现内部电弧的概率很小，但不应完全忽　视。　［５　Ｊ　ＩＥＣ　６１６４１：２００８　Ｅｎｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｇｅａｒ　ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ・－Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｄｉ－－　ｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａｒｃｉｎｇ　ｄｕｅ　ｔＯ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆａｕｌｔ［Ｓ］．２００８．　［６］ＩＥＣ　６０４３９—１：２００４　Ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｅｈｇｅａｒ　ａｎｄ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌｇｅａｒ　ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ　Ｐａｒｔ　１：Ｔｙｐｅ—ｔｅｓｔｅｄ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉ￣ｌｙ　【参考文献】　［１］　年培新，罗时璜，蕈葆生，等．低压配电领域中的故　障电弧防护［Ｊ］．低压电器，２０００（１）：２２—２６．　［２］　ＧＢ　１８８５９－－２００２封　式低压成套丌关设备和控　ｔｙｐｅ—ｔｅｓｔｅｄ　ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ［Ｓ］．２００４．　［７］　ＩＥＣ　６０９４７—１：２００４　Ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｅｈｇｅａｒ　ａｎｄ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌｇｅａｒ　Ｐａｒｔ　Ｉ：Ｇｅｎｅｒａｌ　ｒｕｌｅｓ［Ｓ］．２００４．　［８］　ＩＥＣ　６２２７　１－２００：２００３　Ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｅｈｇｅａｒ　ａｎｄ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌｇｅａｒ　Ｐａｒｔ　２００：ＡＣ　ｍｅｔａｌ—ｅｎｃｌｏｓｅｄ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　ａｎｄ　制设备在内部故障引起电弧情况下的试验导则　［Ｓ］．２００２．　『３１　ＧＢ　３９０６－－２００６　３．６　ｋＶ～４０．５　ｋＶ交流金属封　ｃｏｎｔｒｏｌｇｅａｒ　ｆｏｒ　ｒａｔｅｄ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　ａｂｏｖｅ　１　ｋＶ　ａｎｄ　ｕｐ　ｔｏ　ａｎｄ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　５２　ｋＶ［Ｓ］．２００３．　［９］　张冠生．电气理论基础［Ｍ］．北京：机械工业出版　社，１９８９．　收稿日期：２０１０—１０—１８　开关设备和控制设备［Ｓ］．２００６．　［４］　ＧＢ　７２５１一ｌ一２００５低压成套开关设备和控制设备　第１部分：型式试验和部分型式试验成套设备［ｓ］．　５４．．．——