小型断路器触头电性能测试装置设计

王杰，姚芳，李志刚，李铮

（1.河北工业大学 电气工程学院，天津 300130；2.河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130；3.天津电力公司城东供电公司，天津 300250）

小型断路器触头电性能测试装置设计

王杰1，2，姚芳1，2，李志刚1，2，李铮3

（1.河北工业大学 电气工程学院，天津 300130；2.河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130；3.天津电力公司城东供电公司，天津 300250）

触头是小型断路器（MCB）的执行部件，为了研究触头的机电磨损与性能退化，设计了一种小型断路器触头电性能测试装置。该测试装置通过PCI-1750 I/O口控制交流固态继电器的通断来产生触头负载回路所需的测试电流，PCI-1742U数据采集卡对触头两端的电压电流的信号进行高速采样，以DMA方式传输给工控机。通过对触头两端的电压电流数据的处理和分析，为触头机电磨损和退化的分析研究提供了重要的依据。

小型断路器；触头；电性能

MCB广泛应用于日常居民及各种公共场所的建筑电气线路中［1-2］。线路过载或短路时，MCB能及时分断触头，切断电路，保护供电线路及设备［3-4］。触头作为MCB的执行元件，触头间电压电流波形直接反映了触头的动力学行为，是MCB运动性能及动作可靠性的最直接反映［5-7］。MCB过载或短路分断时，触头承载的电压电流都会经历一个短暂的过渡过程，并伴随有机电磨损。触头分断过程中，会产生燃弧现象，伴随着能量的损耗。MCB稳定接通时，触头承载的电压电流也是随时间不断变化的，触头电接触性能的优劣直接影响到单位时间的电能量损耗［8］。

因此，研究MCB触头电性能损耗有助于评估可靠性，保证用电安全和电网的安全运行。

1　测试系统总体设计

测试系统的设计目的是对MCB触头两端的电压电流波形进行实时监测。为此，需要设计相应的电路，通过传感器来跟踪触头电压电流实时变化情况，并对输出的感测信号进行数据采集，数据采集卡和控制器之间双向通信，协同完成数据的采集、缓存、存储等系列操作。

MCB触头电性能损耗测试系统总体结构框图如图1所示，电源主要是为各硬件组成部分提供电能；电阻负载即作为交流负载使用又通过交流固态继电器的通断参与电流的产生与控制；测量器件采用带有隔离，耐压高，能够快速响应测量实时参数的传感器件；工控机通过数据采集卡和I/O控制卡与外部电路连接构成数据采集电路和控制电路。

图1　测试系统总体结构图Fig.1　Overall structure diagram of test system

MCB触头电性能测试系统硬件电路主要包括模拟负载控制电路、电压电流检测电路以及数据采集电路。

1.1负载及其控制电路设计

1.1.1负载电路设计

负载电路采用多路负载并联的方式，产生不同等级的模拟电流，其并联结构电路如图2所示。通过对支路开关的控制，决定接通的支路，进而确定电路总电阻。当工作电压为Us=220 V，试验样品MCB的额定工作电流为In时，可以选择阻值为Us/In的电阻，产生单倍额定电流。按照C型小型断路器可靠性检测试验的电流等级，设计的电路也应能产生1.13In，1.45In，2.55In，5In，10In的电流。试验所需的2.55In电流可以由In电流与1.55In电流叠加构成，1.45In与1.55In电流支路组合可等效取代3个单倍额定电流支路。故试验设定采用14个电阻支路，11个支路产生In电流，其余3个支路分别产生1.13In，1.45In与1.55In的电流，电阻值分别为Us/1.13In，Us/1.45In与Us/1.55In。

图2　负载电路设计Fig.2　Design of load circuit

1.1.2负载控制电路设计

负载电阻通断控制的开关必须速度快，保证时间参数的测试精度。这里采用典型的过零型交流固态继电器（ACSSR）。固态继电器动作时间控制在1 ms以下，额定工作电压为DC 12 V，额定工作电流为5～20 mA。输入端可接电压范围为DC 9.6～14.4 V。

ACSSR之所以可以实现通断、电路状态的切换是通过工控机中相应板卡的I/O口的控制来实现的。控制电路如图3所示，当给板卡DIO0位赋值高电平时，即数字量“0”时，DIO0与IGND之间的电路将导通，外加的12 V直流电源将加载到ACSSR的控制端，从而电阻R0经过ACSSR连入主回路中。当给DIO0位赋值低电平时，即数字量“1”时，DIO0与IGND之间的电路不导通，ACSSR的控制端口没有电压，处于关断状态，电阻R0未能连入主回路中，同时各电路支路之间处于隔离状态，相互间通断互不影响。

图3　控制电路设计Fig.3　Design of control circuit

1.1.3端口选择设计

在控制电路中总共使用14个DIO端口，其中DIO0～DIO10分别连接产生电流为In的负载电路支路，DIO11端口连接产生电流为1.45In的负载电路支路，DIO12连接产生电流为1.55In的负载电路支路，DIO13连接产生电流为1.13In的负载电路支路。而电流大小的具体选择实现则如表1所示，其中“0”表示接通，“1”表示不接通。

表1　电流等级与DIO端口选择Tab.1　Current rating and DIO port selection

1.2触头电压电流检测电路设计

MCB接通后流经触头的电流就等于负载控制电路产生的电流，电流级别为0～14A。在触头分断过程中，由于电弧的存在，仍会有电流流过；当电弧完全熄灭以后，触头上的电流降到零。MCB由接通到完全断开过程中，电流数量级跨度大，从A到mA最后变为0。这里采用了测量频带宽、响应时间快、线性度高的电隔离电流传感器。能测量AC 0～15A的电流，输出相对应的AC 0～5 V电压，同时，触头从接通到完全分断过程中，压降从微（μV～mV）电压值，变大到220 V，变化范围大，故采用0～15 V和0～250 V的2个量程的交流电压传感器进行测量，通过软件程序进行选择，兼顾了测量精度和量程的设计，电压传感器的输出电压范围为0～3.5 V。电压电流传感器连接示意图如图4所示。

图4　传感器连接示意图Fig.4　Schematic diagram of sensor connection

1.3数据采集电路设计

数据采集电路主要负责工控机和感测信号端的连接，是测试系统的核心，可以选用多功能高分辨率带隔离的数据采集卡，采用16位DAC，最高采样率可达1MS/s，采集分辨率为16位。

感测到的信号经过传感器内部信号调理电路处理后才能接入数据采集卡。测试系统中的信号调理电路主要包含两部分：一部分是集成在电压电流传感器中的信号调理电路，主要包含衰减、隔离；另一部分是端子板，端子板除了提供外部信号与数据采集卡接口外还带有低通滤波，电路可以抑制噪声信号。数据采集电路结构组成框图如图5所示。

图5　数据采集电路Fig5　Data collection circuit

2　测试系统抗干扰设计

在测试系统中，固态继电器及小型断路器等产生的噪声与电路中交流导线周围的磁场变化都是不可避免的，都会成为电磁干扰的干扰源。

系统中的硬件可以考虑采用接地的方式，将传感器的地线与数据采集卡的地线共用。由于电压电流信号输出属于交流信号，需要在输出信号源的两端接入偏置电阻，释放偏置电流，防止偏置电流过大损坏板卡，具体连线图如图6所示。

图6　偏置电阻连接Fig.6　Bias resistor connection

在电路中，采用专用电缆进行信号传输，相邻的2根彼此绝缘的铜线内电流相反，从而使得感应磁场引起的噪声电流相互减弱乃至抵消。采用工控机进行控制和数据处理，提高了系统的可靠性。

3　结论

在小型断路器电性能损耗测试系统中，通过对触头电压电流数据的采集。可以实时计算出触头通断过程瞬间的能量损耗，分析处理可以得到MCB延时时间和燃弧时间等参数，进而分析触头的机电磨损和退化。

［1］ 李希高.小型断路器附件的功能及使用［J］.现代建筑电气，2015，45（2）：35-37.

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［4］ 杨宇，江玉坤，司莺歌.热双金属温度变化对延时特性的影响［J］.电器与能效管理技术，2015（4）：34-36.

［5］Kawase Y，Yamaguchi T，Iwashita K，et al.3-D f-lnite Ele⁃ment Analysis of Dynamic Characteri-stics of Electromagnet with Permanent Magnets［J］.IEEE Trans.on Magn.2006，42 （4）：1339-1342.

［6］ 荣命哲，王小华.智能开关电器设计方法探究［J］.高压电器，2010，46（9）：1-2.

［7］ 程亚平，李志刚，岂峰.小型断路器可靠性检测装置［J］.电气应用，2008，27（4）：79-81.

［8］ 许良军，芦娜，林雪燕，等.电接触理论应用与技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.

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

国家自然科学基金青年基金项目（51107029）

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