（电机与电器专业论文）开关电器试验计算机监控系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s w i t c ha p p a r a t u si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t sw h i c hw i d e l ya p p l i e di n e l e c t r i ca n de l e c t r o n i cf i e l d t h et e s ta n dm e a s u r eo f s w i t c ha p p a r a t u sa r ev e r yi m p o r t a n t f o rt h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y a p p l y i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m t os w i t c ha p p a r a t u st e s t i sr e c e n t l yt h eg e n e r a lt r e n do f t h ed e v e l o p m e n t o fs w i t c ht e s t 7 f h i sp a p e r p r e s e n t st h et r e n do f t h ed e v e l o p m e n to fs w i t c ha p p a r a t u sa n d i t st e s t t h e t e s tt y p ea n dp r i n c i p l eo fs w i t c ha p p a r a t u sa r ea n a l y z e di nd e t a i l b a s e do nt h en a t i o n a l s t a n d a r do fs w i t c ha p p a r a t u st e s ta n dt h ef e a t u r eo ft h es w i t c ha p p a r a t u st e s ts t a t i o n ，t h e p r o g r a mo ft h e s w i t c ha p p a r a t u st e s tc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d t h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l s y s t e m f o rs w i t c ha p p a r a t u st e s tc o n s i s t so fi n d u s t r yc o m p u t e ra n dp l c t h e h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ea n dt h e m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l p r o g r a m a r e d e v e l o p e d c o n s i d e r i n gt h e f e a t u r eo ft h es w i t c ha p p a r a t u st e s ts t a t i o n ，t h es o f t w a r eo fp l ci s m o d u l a r i z e da n dp r o g r a m m e da sd i f f e r e n tf u n c t i o n u s e rc a i lc o n t r o ls w i t c ht e s tf l e x i b l y w i t ht h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m t h es h u ts w i t c h t h ed e t a c h e ds w i t c ha n dt h e p r o t e c t e ds w i t c hi nt e s tc a nb es e l e c t e di na t e s tl i n e t h et e s tt i m e ，t h et e s tc y c l ea n dt h e t e s tn u m b e rc a nb ei n p u t t e d t h ec i r c u i td i a g r a mo ft e s ta n dt h ea c t i o no fs w i t c hc a l lb e o b s e r v e di nr e a lt i m e t h e c o n f i g u r a t i o no f t h et e s tc a l lb es a v e d 1 0 a d e d e d i t e da n d p r i m e d t h e o p e r a t o ra u t h o r i z a t i o nl e v e lc a nb es e ti nt h ec o n t r o ls y s t e m t h ei n t e r l o c kp r o t e c t i o n a n da l a r m i n ga r ed e v e l o p e di nt h ec o n t r o ls y s t e m t h i sc o n t r o l s y s t e mh a sh i g hr e l i a b i l i t y , s i m p l eo p e r a t i o n ，f r i e n d l y i n t e r f a c ea n d s t r o n g e rf l e x i b i l i t y i th a sb e e n r u ns u c c e s s f u l l yi ut h ef i e l d k e y w o r d s ：s w i t c ha p p a r a t u s p l c m o n i t o r i n ga n d c o m m l s y s t e m 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文授权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 保密口，可年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密d ( 请在以上方框内打“、，”) 学位论文作者签名：7 努 辛 臼期td 够年年月胡 指导教师签名： 日期：卯 痒垆月j e l 盟 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 开关电器是用来连接、转换、切断元件、电路、设备相互问的信号和电力传送的 有关元器件。它作为人机接口和信号检测的重要元件，在电子和电气各领域得到越来 越广泛的应用，品种也发展得越来越多【”。开关电器最重要、最基本的方面是在于它 的可靠性、安全性及使用寿命。开关电器试验是保证产品质量与可靠性的重要手段， 也是改进产品设计的重要途径。伴随着开关电器产业的发展，开关电器试验一直是必 不可少的重要一环。 开关电器从新产品研制、投产直至运行、维修的整个生产和使用过程，大概可 分为三个阶段：新产品研制阶段，正式投入批量生产阶段，运行和维修阶段。开关电 器在这三个阶段中的任一阶段都要进行一系列试验，各个阶段试验的性质和内容也不 完全相同。在新产品研制阶段进行的试验，包括许多研究性质的试验和新产品鉴定投 产前的型式试验，前者的目的主要是提供必要的数据为设计出高质量的新产品服务， 后者则是考核性质的试验，目的是考核和确定新产品的质量是否已达到规定的要求和 是否可以投入批量生产。在开关电器正式投产后的阶段需要进行的试验，包括出厂试 验和定期型式试验。出厂试验的目的是保证出厂的每台产品质量是可靠的：定期型式 试验的目的则是保证批量生产的开关电器质量能保持稳定不变。在运行和维修阶段的 试验，包括在正式投入运行前的交接试验和在定期维修后再投入运行前的交接试验 ( 或称维修试验) 。交接试验是在开关电器经运输或储存后准备正式使用前为保证安全 运行而进行的试验；维修试验是在丌关电器经一定时间运行后进行定期维修或在运行 中发现开关电器有某些故障经维修后而进行的试验，其试验内容与交接试验相同，试 验目的是证实维修后的开关电器质量可靠，可以再投入运行吼 在开关电器试验中，传统的开关电器试验控制系统一般采用继电器控制，这种控 制方式存在控制设备体积大，响应时间长，功能单一故障率高，通用性和灵活性较 差等问题。可编程序控制器( p l c ) 一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。进入 2 0 世纪8 0 年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展。以 1 6 位和3 2 位微处理器构成的微机化p l c 得到了惊人的发展，使p l c 在概念、设计、 性能价格比以及应用方面有了新的突破。这些发展不仅使p l c 控制功能增强，功耗、 体积减小，可靠性增高，而且使远程u o 和通讯网络、数据处理，以及图像显示也有 了长足的发展。所有这些都已经使p l c 应用于连续生产的过程控制系统，成为今天 l 华中科技大学硕士学位论文 自动化技术的三大支柱之一眠 与传统的继电器拧制系统相比，将p l c 应用于丌关电器试验的控制系统中具有 明显的优势：抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便， 易于使用：功能完善，适用于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出；设计、 施“n 调试周期短；体积小，维护操作方便h 1 。 因此，本课题的目的就是研制出+ 套以p l c 和工控机为核心的开关电器试验的 智能化监控系统，实现开关电器试验的自动化和可视化，提高试验可靠性。 对开关电器进行各种试验和测试是考核、研究和发展开关电器的一种必要手段a 世界e 各工业化国家均投入巨资来开发和研制试验中所用的各种测控设备和相应的 测控技术。除不断提高试验容量外，还大量地应用微电子技术和汁算机技术来提高测 控方法利测控内容。当前，国内一些主要开关电器试验站的试验容量已经达到了i | = ；! = 界 水i f ，但在测控技术和数据处理等方面仍存在较大差距【5 j 。所以研制新型开关电器试 验监控系统是十分必要的，本课题的应用和深化对于我国开关电器试验的进一步发展 有着重要的意义。 1 2 国内外概况与预测 1 2 1 我国低压开关电器的发展概况 解放前，我国的低压电器工业基本上是空白。解放后，从1 9 5 3 年丌始至令，我 国低压电器工业的发展经过全面仿苏、自行设计、更新换代、技术引进、跟踪国外新 产t 锗等几个阶段，在品种、水平、生产总量、新技术应用、检测技术与图际标准接轨 等力耐都l i ) c 得了瓯人成就。至“七血”术( 1 9 8 7 年n u 后) ，我吲共 发了各类低压i 乜器产。 品约6 0 0 多个系列，实际生产的约4 0 0 多个系列( 其中1 0 0 多个系列产品目前已经淘 汰) ，1 2 0 0 多个品种，几万种规格。“八五”期间，我国的低压电器产品一方面对“七五” 及以前期问形成的更新换代产品和技术引进产品进行推广应用，另一方匝对其进行二 次开发，使其进一步完善和提高，为刀：发新一代产品奠定了基础。“九i ”期间，我国 的低压电器产品开发主要是跟踪国外新技术、新工艺、新产品，自行开发、设计、试 制，是我国低压电器产业突飞猛进的时期。目前已有大批新产品、新品种丽市，有的 产品已达到国外同类产品的先进水平，并出口国外。如我国自行生产的d w l 5 2 5 0 0 框架式低压断路器，额定电压3 8 0 v 分断能力为6 0 k a ，符合i e c 囤际标准，结构紧 凑、新颖、使用维修方便、电动操作方式并附有应急和维修手柄、保护性能齐全：引 进先进技术而丌发的新产品b 1 0 5 系列交流接触器符合i e c 和v d e 标准，体积小， 重量轻，结构紧凑，使用方便，机械寿命达1 0 0 0 万次，在额定电压3 8 0 v 、使用类别 2 华中科技大学硕士学位论文 为a c - - 3 时，电寿命达到1 0 0 万次；r t 2 0 r t 3 0 系列有填料封闭式熔断器，功耗低， 分断能力高达1 2 0 k a 。d w l 5 c - - 1 0 0 0 、1 6 0 0 抽屉式框架断路器主要技术性能指标与 引进的同类产品相当，而价格明显低于引进同类产品1 6 j i “。 当前，我国低压电器的发展正向着更高层次迈进，按照国际标准进行新产品的研 制、开发工作。对新一代产品向着提高电器元件的性能，大力发展机电一体化产品方 向发展，并提出了高性能、高可靠、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智 能化的要求。随着计算机网络的发展与应用，正在研制开发、生产和推广应用的各种 可通信智能化电器( 带微处理器的智能化电器的共同特点是具有完善的保护功能、智 能脱扣功能、试验、测量、自诊断、显示、通信等多项组合功能) 、模数化终端组合 电器( 模数化终端组合电器是一种安装式终端电器装置，主要特点是实现了电器尺寸 模数化、安装轨道化、外形艺术化和使用安全化，是理想的新一代配电装置1 和节能 电器等，也将是今后相当时间内，低压电器重要发展方向之一。随着国民经济的发展， 我国的低压电器工业将会大大缩短与先进国家的差距，发展到更高的水平，进一步满 足国内外市场的需要畔j 。 1 2 2 国内外开关电器相关新技术的发展与应用 ( 1 ) 现代设计技术 现代设计技术主要表现在如下三个方面：三维计算机辅助设计系统与制造软件系 统的引入；电器开关特性的计算机模拟和仿真；现代化的样机测试手段等。 ( 2 ) 三维计算机辅助设计系统的应用 三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体( c a d c a m c a e ) 。它能实 现设计与制造的自动化与优化，从零件设计、装配到产品总装、仿真运行等均可在计 算机上完成，并能让设计者在三维空间完成零部件设计和装配，并在此基础上自动生 成工程图纸大幅度缩短开发周期与开发费用，提高产品性能与缩小体积9 1 。 ( 3 ) 开关电器专用计算机应用软件 上述的c a d c 、a m c a e 系统一般是指通用软件，为完善设计和提高设计效率， 除建立必须的数据、符号、标准元件库外，还需要一些专用分析、计算软件，如磁系 统三维分析、计算软件包、电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电器合闸和分断 过程动态仿真、电磁机构和触头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程的动态仿真、 样机测试等软件包。用a n s y s 有限元分析软件可进行触头灭弧系统和脱扣器的磁场 分析及电器机壳的强度分析：用a d a m s 软件可进行操纵机构的动态特性分析，用 c f x - - f 3 d 三维流体计算软件分析灭弧过程中电弧等离子体微观参数等。 ( 4 ) 计算机网络系统的应用 华中科技大学硕士学位论文 微处理机技术和计算机技术的引入及计算机网络技术和信息通信技术的应用，一 方咖使 关电器智能化；另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双向通信。进 入9 0 年代，随着计算机通信网络的发展，1 ：关电器与控制系统已统一形成了智能化 监控、保护与信息网络。它由智能化电器、监控器、中央计算机包括可编程序控制器 ( p l c ) 及网络元件网部分组成。监控器在网络中起参数测量与显示、某些保护功能、 通信接口作用，并代替传统的指令电器，信号电器和测量仪表。网络元件，用1 ：形成 通信网络，主要有现场总线、操作器与传感器接【_ _ ：i 、地址编码器及寻址单元等。 在i 十算机网络中，为了保证数据通信的双方能f 确自动地进行通信，必须制定一一 套关于信息传输的顺序、信息格式和信息内容的约定，称通信协议。国际标准化组织 制定了丌放系统互连1 s o o s i 参考模型，共七层，包括传输规程和月j ，1 ，规程等。一些 圆家和公司按照i s o o s | 参考模型相继推出了各自的现场总线标准，如欧洲标准 p r o f i b u s ，我国的低压电器数据通信规约( v 1 o ) 等。由于现场总线技术的出现， 坷i 但为构造分布式计算机控制系统提供条件，并且它即插即用，扩充性好，维护方便。 内此由智能化电器与中央计算机通过接口构成的自动化通信网络正从集中式控制向 分布式控制发展，因而目前这种技术成为国内外关注的热点( 1 0 1 。 ， ( 5 ) 可靠性技术 随着丌关电器和控制系统的大型化、复杂化、系统元件越来越多，一个元件故障 将导致系统瘫痪。因此，国内外重点研究以f ) l 个方面：可靠性物理研究，即产品失 效机理研究；可靠性指标与考核方法研究：可靠性实验装置研究；提高t u 靠性研究。 ( 6 ) 新的灭弧系统和限流技术 由于电力系统发展的需要，对低压开关电器提出了高性能和小型化的要求，传统 意义i ：- 的灭弧系统已不能满足对低压，f 关电器开断能力的要求，因此，网内外致力于 研究新的灭弧系统和限流技术，实现刃：关电器“无飞弧”。如采用一种三维磁场集中驱 弧技术来提高塑壳断路器的开断性能；采用旋转式双断点的限流结构，并在前后级保 护特性配合方面实现“能量匹配”以提高开关电器开断能力的新概念：采用新的绝缘材 料抑制由于电极的金属蒸气扩散至绝缘器壁上形成的会属粒予堆积层，加强对电弧的 冷却作用等】。 1 2 3 开关电器发展方向和特点 开关电器的发展方向主要分两个方面：可通信开关电器和传统，r 关电器的发展。 随着计算机网络的发展与应用，要求开关电器能与上位机或中央控制计算机进行通 信，为了实现开关电器的双向通信功能，开关电器必须向电子化、集成化、智能化及 机电一体化方面发展。随着科学技术的进步，新技术、新材料、新工艺不断出现，传 a 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 。= = z = = = = = = 一 统开关电器也不断更新换代，目前正向着下面几个方面发展：高性能、高可靠、小型 化、模数化、模块化、组合化和零部件通用化。 开关电器的发展特点是：提高开关电器的技术参数，主要是指提高其额定电压、 电流，提高通断能力和寿命，改善技术性能；提高开关电器的经济性能：发展与使用 新材料和新工艺；加强基础理论与应用技术的研究，如电磁机构，电接触理论，电弧 理论，电器的发热和电动力理论等【9 1 【1 2 】。 1 2 4 开关电器的试验水平和发展方向 开关电器试验机构的水平高低主要在于试验的规模、能力以及测试技术水平。目 前世界上分断能力最大的试验站是德国的k m 公司试验站，其分断能力达4 0 0 k a ( 有 效值1 ，其他如日本寺崎公司的加美工厂试验站分断能力为6 0 0 v 时2 4 0 k a 【l ”，著名 的荷兰k e m a 试验站的分断能力为6 0 0 时2 0 0 k a ，另外美国、日本、意大利的一 些电器试验站，其分断能力也可达2 0 0 k a 。我国国家低压电器检测中心的分断能力为 2 0 0 k a ，其他如天津市电器研究所、天水长城电器试验研究所、遵义长征电器试验研 究所、湖南电器研究所等五个试验站的分断能力可达1 0 0 k a 0 4 j 。 目前，开关电器试验的自动化发展一般由继电一接触控制向p l c 控制并进一步 向计算机控制发展；开关电器数据采集与处理技术随着高速数字化、高速存储技术和 同步控制技术的发展而不断优化更新【i 5 】( 1 “。 1 3 本课题的研究内容、技术方案及关键技术 1 3 1 本课题的研究内容 本课题的研究内容是设计一套集各种开关电器试验和测试于一体的集散监控系 统，所以开关电器试验的控制系统较大，涉及的输入输出信号很多。对于各个开关( 断 路器、熔断器、隔离开关等) 的信号状态需要实时监测，各部分的动作要做到安全保 护和互锁，以保证整套开关电器试验系统的安全稳定的运行以及操作人员的人身安 全。出于可靠性的考虑，决定监控系统功能划分：上位机执行显示、报警、存储等功 能，控制试验选择；下位机执行保护、控制和数据采集的功能。控制试验流程。这样 划分，下位机的可靠性高，上位机的问题不至于影响到试验流程，从运行情况看，是 可行的i l7 o 整个监控系统大抵分为以下几个部分： ( 1 ) 人机界面和试验选择部分 本监控系统集多种开关电器试验于一体，试验开始前的电源选择和类型选择是必 不可少的一部分。整个试验的前期选择过程以及阻抗计算等都在工控机上完成，同时 华中科技大学硕士学位论文 在良好的人机界面f 可以很方便的监控试验的运行和各个开关器件的运行状态，能够 实时地调节和控制试验电路，更改试验项目，选择不同的试验类型。 ( 2 ) 丌关电器试验的流程控制部分 ，1 ：关电器试验的运行过程中，流程控制无疑处于核心地位。它控制着开关电器试 验的启动、电动机的励磁、开关电器的储能、灭磁保护、分合闸顺序、通电延只寸时问 等试验全过程。流程控制涉及到整个开关电器试验主电路是否能征常和安全工作。流 程控制中，制约条件很多，所需要采集的信号也很多，如安全状态信号、故障报警信 号、控制信号等等。整个试验的进行需要根据这些信号来决定所要采取的动作，所以 流程控制中这两个功能是很重要的：互锁功能( 各个开关电器试验所要求的主回路开 关动作具有特定的顺序，不可随意变动，这就要求控制系统具有互锁功能) 卿i 记忆功 能( 试验中开荚电器的动作是连贯晌，后i 而的动作需要根掘前而执行的动作1 n 定，这 就要求控制系统可以记住各个丌关动作状态，从而判断以后的动作如伺进行1 。 ( 3 ) 数据记录和报警部分 数据n 录在工控机上完成，能够实时记录承f 观察主电路_ _ ：关状态，捕绘所监测的 电压、电流波形。报警信号由p l c 中所编辑程序触发，连接外部报警器，同时通过 数据通信，人机界面也可以给出文字提示，并进行声光报警。 1 3 2 本课题所采用的技术方案 以p l c 和：f 控机为核心的开关电器试验崎控系统设计方案大体上分为如下几个 步骤： ( 1 ) 分析评估控制任务：详细分析开关电器试验控制系统的工作原理，熟习工 作过程。在掌握可编程序控制器技术的基础l ，具体列出整个控制系统的全部功能和 要求。 ( 2 ) 可编程序控制器的选型：开关电器试验控制系统的特点，要求安全性好， 可靠性高，结构简单，实时控制。根据系统所要实现的功能和特点，以及控制量规模 选择p l c 系统。 ( 3 ) 控制系统设计：画出控制系统的流程图，进一步了解各控制信息之间的关 系。 ( 4 ) 硬件电路设计：开关电器试验主电路设计、p l c 外部线路接线、电气线路 的设训、抗干扰措施和保护设备等等。 ( 5 ) 软件设计：工控机上微机监控程序和人机界面，p l c 控制程序的编辑以及 和上微机的通信。 ( 6 ) 系统调试：进行模拟调试和联机调试。首先在不连接主电路的情况下，监 6 华中科技大学硕士学位论文 测控制流程的正确与否：然后将编制好的程序下载到现场的p l c 中，对控制对象和 主电路进行联调。 1 3 3 本课题的关键技术 本课题所牵涉到的开关电器单个试验本身并不复杂，但其关键在j ：要做到安全有 效的在一。个有多种电源、多组试验l 亘i 路组合的情况下完成各种类型的试验。不仅要求 控制的丌关数目众多，而且在各种不同试验中，各个保护开关、合闸开关刀：合所要求 的延时、循环、报警、自锁、互锁也各不相同。其技术关键在于： ( 1 ) 要处理好操作界面布置，合理地安排好各种试验类型、试验线路、保护合 闸丌关试验周期等的选择顺序，能在运行时做到快速简洁地修改和调试。 ( 2 ) 在各个试验状态，编程时所需的各个试验的各个变量必需分类 ! l j l 确，必须 做到刘系统一p 所有电器设备动作的先后顺序、各种电器元件本身的自锁及其与其他元 件间的互锁关系有清醒的认识，必须做到对各个试品位置、不同试验回路、不同试验 特性有深入的了解。 ( 3 ) 要掌握p l c 的几种编程语言硐i 编程方法，处理好微机雨ip l c 之间的通信， 解决信号冲突和异常时的中断与报警的设定问题。 ( 4 ) 在现场调试阶段，要积极与开关电器试验力相互配合，在实践中解决问题， 对程序编制和硬件调试不断改进，以期达到最好试验效果和效率。 7 华中科技大学硕士学位论文 第二章开关电器试验原理 社会的发展离不开生产实践与科学实验，开关电器的发展也不例外，电器测试技 术同样对于开关电器的发展具有特别重要的作用。电器产品量大面广，品种规格多， 产品更新要求高。为适应电力系统、配电与控制系统容量的扩大、技术复杂程度的提 高，电器产品标准与试验方法也随之不断交化和发展。电器理论的研究、产品的改进 和开发需要进行大量的试验。例如，对一种新的灭弧机理的研究，从模型到产品的样 品要经历数百次甚至上千次的试验研究。产品在生产定型前必须按照标准规定进行各 项试验，有时还要根据用户提出的某些指定要求进行试验，以验证是否符合标准及订 货合同规定的技术要求。对于产品的试验验证，不仅需要在试验室中进行，重要的产 品还需要经历现场的试运行考核，以补充型式试验条件在真实性方面的局限性。对已 投产产品的工艺和材料有变更时，以及每隔一定生产年限的产品需重新进行试验验 证，以确保产品质量的长期稳定性。试品应从有代表性的批量生产产品中随机取样进 行，其目的是保证产品在批量生产中性能的稳定性。 不经过试验验证的电器产品是不允许生产、销售和使用的。如何控制试验的进行， 提高试验的效率，如何尽可能多地测出影响开关电器性能的各种参数及其变化，以提 供更多的信息与数据，对于开关电器试验有着重要的意义和作用。开关电器试验过程 和试验监控的良好配合是完成试验的关键。 2 1 开关电器试验和试验质量 电器试验在保证产品质量上起到重要的作用，但必需指出试验本身也存在质量问 题，即试验也可能有差错。如果试验质量不能保证，当然谈不上保证产品质量。因此， 严格要求试验本身的质量是保证产品质量的先决条件之一。试验质量可概括为以下几 个主要方面： ( 1 ) 试验设备的质量符合要求：试验设备包括电源设备、调节电压和电流设备、 负载阻抗设备等一些试验专用的、试验标准对它们有一定质量要求的设备。例如对交 流电源设备的频率和波形方面，试验标准对之都有严格要求。因为试验设备如有质量 问题，必将影响试验结果，从而也影响对产品质量做出正确的判断。 ( 2 ) 正确的试验电路：试验电路包括主电路、保护和控制电路等。不同试验有 不同的试验电路，相同试验也可以有不完全相同的试验电路。例如通断能力试验中负 载阻抗有前接和后接的不同，接地方式有一点接地和两点接地之分等。不同试验电路 华中科技大学硕士学位论文 一= = ；= = = = = = = 2 = = = = = ；= = = = = = = i ! = = = = 的试验结果一般是一i 相同的。 f 3 、证确的试验方法：同一试验项目可以有多种不同的试验方法。例如电器温 升试验有恒电流、恒电压、恒功率温升试验之分；电压线圈动作试验有电砸突加羽i 电 压渐加两种方式等。显然，不同试验方法，也可出现不同的试验结果。 r 4 ) 符合规定的试验条件：试验条件主要指不同的环境条件，例如在不同的环 境温度f 进行温升试验、在不同气艇( 或不同海拔高度) 下进行涮压试验，其试验结 果都叫能不同。 f 5 ) 难确选用试验仪表和仪器：测量仪表仪器如选择不当或使用不当，测得的 可能是不正确的数据，从丽直接影响试验结果，刘产品质量可能作出错误的判断n ( 6 1砥确的测量电路和方法：不同的测量电路和测量方法对试验结果也会有影 j 向，从而影l 蛔试验结果1 8 1 。 2 2 开关电器交、直流通断能力试验 交流通断能力试验是考核或研究用于交流电路中的刀：关电器的接通和分断能力 的。这是模拟性的试验，主要模拟交流电路中发生各种过载或短路故障口_ j ，电路巾 安装的：j _ ：关电器应能及时可靠地接通和分断此故障电流。，1 ：关电器除必须i = j ：r 靠通断所 有故障电流外，还要能频繁地通断正常的工作电流即非故障电流。 随流通断能力试验是考核或研究用于商流电路巾的丌关电器的接通和分断能力 的。它是模拟直流电路中发生各种过载或短路故障时，电路中安装的扑关电器应能可 靠地通断此故障电流的一种试验。赢流通断能力试验除电源和部分试验设备与交流通 断能力试验有所不i n ：9 b ，其它都很接近。 山r j f ：关电器所安装的电路发生故障时，出现的敞障电流的大小随故障性质用i 战 障点的不同而有不同，因此相应地通断能力试验也按电流大小的不同而分为极限通断 能力试验和临界通断能力试验。而且开关电器在操作此故障电流时可能有三种不同的 操作方式：一一种操作方式是仅“接通”此故障电流，由下一级或l 一级开关电器分断此 电流；另一种操作是仅“分断”此故障电流；第三种操作是既接通又分断此故障电流， 简称为“通断”操作。相应于此三种操作的试验分别称为“接通”试验、“分断”试验和“通 断”试验。我国标准和i e c 标准对此三种试验方式分别以符号c 、0 ，和“c o ”来表示。 由于开关电器绝大多数用于交流电路上，些交、直流两用的开关电器如自动7 f ： 关、融断器和刀丌关等也首先是按交流的要求进行设计和试验的，因此，相划来说交 流通断能力试验要比直流通断能力试验更为重要。 9 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = 自= = = = = 4 = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 2 i 交流通断能力试验设备 交流通断能力试验的试验设备比其它试验项目的要复杂一些，主要包括：电源、 冲击变压器、保护开关和合闸开关、控制和测量装置及负载阻抗等几类设备。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 弋g k 由肌 舌z d l $ x 臼r 自s 1 z k j 2 z k l 截 i 一：试品 3x 。 互n 。 ( a ) ( b ) x g r r x r r b x 。 r 。 x i r 圈2 - l 交流通断能力试验主电路原理图和等效阻抗图 ( a ) 以电网为电源的电路；( b ) 以冲击发电机为电源的电路；( c ) 等效阻抗电路 g k - - 隔离开关；d l - - 断路器；m 一三相电动机；畦冲击发电机；b 一变乐器； i z k 一保护开关；2 z k 一合闸开关 x 一负载电感：r 一负载电阻 ( 1 )电源：交流通断能力试验一般需要有一容量较大的交流电源。图2 1 所示为 交流通断能力试验主电路原理图。显然，电源直接取自电网在设备上和试验上都要比 采用冲击发电机简单。因此，当试验容量不太大且不超过电网短路容量的十分之一时， 可考虑直接以电网为电源。当电网容量或频率不能满足试验要求或电网不允许作为试 验电源时，应考虑采用冲击发电机作为电源。采用冲击发电机作为电源的主要缺点是 造价高，而且使用和维修也较复杂。但也有许多优点：一是试验时对电网的影响小， 因此，试验一般不受电网供电的限制，可随时试验，试验次数也可任意；二是可以连 续地改变电压和改变频率：三是短路试验是利用电机转动后所贮存的惯性能量即动 1 0 txu厂yulvni中旦 华中科技大学硕士学位论文 能，所以拖动冲击发电机g 用的电动机m 的容量不必太大，只要能空载起动冲击发 电机就可，即装机容量可很小。 ( 2 1 冲击变压器：为了把电网电压或冲击发电机电压变换为通断能力试验所要 求的各种试验电压，需要有降压变压器( 见图2 1 中的b ) 。由于此变压器主要工作 在反复短时通电方式一f ( 通断能力试验中常常需要短时通电) 和短路或过载状态下， 因此，这种变压器通常被称为“冲击变压器”。冲击变压器除必须耐受j ：述短路状念下 和反复短时工作制下所产生的热效应和电动力效应外，还要具备以f 要求：变压器电 压必须能多档调节，且既能粗调又可细调，以满足对各种试验电压的要求：变压器的 阻抗压降通常要求要小于2 ，以便在相同的额定容量下能输出更大的短路电流和具 有更大的过载能力；变压器的短路损耗或功率因数要比一般变压器的小，以保证试验 电流较大时，试验电路的功率因数不致太大达不到要求值。 ( 3 ) 保护开关和合闸开关：保护开关的作用有三：一是经常用于空载接通或分 断试验电源：二是在试验过程中如果出现试品不能分断试验电流时，用以及时切断此 l 乜流；三是万一试验电路发生短路故障，供瞬时分断此故障电流用。合闸开关只担任 “合闸”试验电流的任务，它只要具备能可靠接通最大可能的试验电流的能力即可。 ( 4 ) 测量设备：通断能力试验过程中必须测量的参数主要有电压、电流、功率 因数、燃弧时间等。这些被测参数多是瞬变量。因此，除采用常规测量仪表外，还要 有专用的示波器设备，即既要测量被测参数的量值，还要显示和记录被测参数的波形 和瞬变过程。 。 ( 5 ) 负载阻抗：通断能力试验所用的负载阻抗由可调电抗器和可调电阻器一1 者 串连组成。它的作用是调节试验电流大小和试验电路功率因数大小。 2 2 2 直流通断能力试验设备 直流通断能力试验的试验设备包括电源、保护开关和合闸开关、控制和测量设备、 负载阻抗等几个部分。图2 - 2 给出了以直流发电机组为试验电源的直流通断能力试验 ：试品 图2 2 以直流发电机组为直流试验电源的直流通断能力试验电路的主电路原理图 m 一三相电动机：o 一直流发电机t i z k 一保护开关；2 z k 一合闸开关： l 一负载电感lr 一负载电阻 1 l 华中科技大学硕士学位论文 的主电路原理图。 直流通断能力试验的电源设备分为三种：蓄电池组、直流发电机组和整流装置。 蓄电池组作为直流试验电源的优点是电压很稳定，不会受外界的干扰和影响，且电压 和电流纹波系数都为零。缺点是需要反复充电，维修麻烦及寿命较短等。因此，蓄电 池组一般只在特殊情况下才采用。直流发电机组作为直流试验电源的优点是电压可以 均匀调节，电压的脉动分量很小，电压值比较稳定，而且对电网影响小。缺点足机组 有机械转动部分，因此噪音大，维修也麻烦，而且过载能力也差。除上述两种试验电 源外，目前用得更普遍的是整流装置。但整流装置的直流电压纹波系数较大，因此必 须加以规定，即不得大于三相全波( 或六相半波) 的整流纹波系数。整流电源装置的整 流部分主要由硅整流二极管串并联组成，并配有可变换电压的整流变压器。艇流电源 装置的优点是无机械转动部分，也不必像蓄电池组那样要经常充电，因此，维修和使 用都比较方便。缺点是电压要受电网电压波动的影响，如果试验容量较大，在试验时 通电流的瞬间对电网还会有较大的反影响。 直流通断能力试验的试验设备除电源部分外，其它如保护开关、合闸开关、负载 阻抗、测量等设备都与交流通断能力试验设备作用相同或类似，故不再重复说明。 2 2 3 交、直流通断能力试验结果判定 开关电器在经受交、直流通断能力试验后必须对试品进行合格与否的判定。通断 能力试验中又分有多种项目，如额定通断、额定分断、短路通断等等。不同试验的试 验要求各不相同，在试验标准中对各试验项目的合格与否的判定都有不同规定和准 则。根据这些准则再在试验前、试验过程和试验后三个阶段中对试品认真地进行必要 的检查、测量、观察、试验和分析，一般就可做到能较正确和合理地判定试品是否合 格。试前的检查主要是了解产品的情况，以便确定此产品是否可以作为试品，多以物 理测量为主；试验过程中主要是观察可能出现的弧光、响声、冒烟和燃烧、爆炸等现 象及其它异常情况，并测量各种必要参数如通电时间、燃弧时间、恢复电压、过电压 等等；试验后的检查是建立在试验过程中试品熄弧正常的情况之上，它包括试品试后 绝缘电阻的测量、外观检查、零部件烧损情况检查等，主要目的是验证试品在试后的 某些性能是否仍保持正常。 下面以交流分断试验为例分析试品的熄弧状况，如图2 3 为试品i e 常分断的示波 图，i a 和u a 为实际测得的电流和电压波形，虚线i 为预期电流波形，i 。l 。为预期电流 的第一半波峰值，i 。l 。为实际分断电流瞬时值，可以看到i 。i 。比i 。l 。要小些，这证明 此试品具有一定的限流能力。整个图中可以看到此试品能正常熄弧，有很好的恢复电 压。试品通断试验不合格有多种情况，分述如下： 华中科技大学硕士学位论文 ! 一! ! - = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = g = = = = = 一 图2 3试r “1 1 1j j 三常分断的示波倒 f 1 ) 持续燃弧 试品发生持续燃弧当然是不合格，如燃弧时间已超出允许值很多，但弧电压形状 仍持续刁i 变，即无熄弧迹象，即可认为是持续燃弧。图2 - 4 是试；铬持续燃弧的示波图 之一。由于此示波图中未出现恢复电压，故可知试品一直在持续燃弧，直至保护j f 关 动作，把试验电流切断为t f i 。 l 、厂、八厂、7 、 图2 - 4 试品持续燃弧的示波图 ( 2 ) 试品已熄弧，但是燃弧时问较长并已超出允许值 这种情况多出现在试验电流较小时。虽然是出试品熄弧，但是燃弧时问过长。图 2 5 是这种情况的典型示波图。从图中可见在试验电流消失后出现有恢复电压，这说 明试验电流是由试品分断的而不是由保护开关切断的。这种情况属试品能熄弧，但如 果燃弧时州持续太久，已超出规定值，仍将认为是不合格。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 5 试品能熄弧，但燃弧时间比较长 i 一弧电压；2 一恢复电压 ( 3 ) 试品能正常熄弧，但出现多次电弧重燃 这种情况是常见的：试品在正常熄弧后出现了恢复电压，但经约十几毫秒后又击 穿重燃，接着又再次熄弧和出现恢复电压。也可能会出现多次击穿重燃的情况，但最 后能熄弧和出现正常恢复电压。出现这种情况的原因多数是由于试品在分断电弧瞬 间，触头问绝缘水平严重降低所致。 ( 4 ) 触头融焊 触头融焊很容易从检查试品中发现。其原因大多数是由于触头在电流产生的电动 力作用下产生跳动以及触头材料的抗融焊性能不够理想等所致。 ( 5 ) 恢复电压不正常 恢复电压出现不正常的根源可能来自两方面：一是来自试品本身，二是来自试验 设备，也可能是两方面都有。由试品引起的恢复电压不正常的原因多半是试后触头间 绝缘电阻太小所致。如绝缘表面在电弧高温下部分炭化，使表面绝缘电阻严重降低且 不稳定；或是断弧瞬间产生的金属蒸汽等附着于触头断口间的绝缘表丽上，导致绝缘 不稳定。 ( 6 ) 试验中发生飞弧 试品熄弧虽正常，但在通断过程中电弧喷出时发生了飞弧，按规定判为不合格。 每次触头分断电流时是否发生飞弧，是由飞弧指示熔丝是否熔断来确定。指示熔丝如 熔断就是发生了飞弧，否则，就不是。 2 3 开关电器温升试验 温升试验也称发热试验，它是开关电器最基本的试验项目之一。开关电器在正常 通电使用的情况下，内部不免有各种电能损耗，这些损耗可归纳为三种：一是金属导 电体的有效电阻损耗，包括集肤效应和临近效应的附加损耗在内，二是铁磁体的渴漉 1 4 华中科技大学硕士学位论文 和磁滞损耗；三是绝缘体的介质损耗。这些电能损耗最后几乎都转变为热能，使丌关 电器的各部分发热，从而使温度升高。 电器温度升高到一定限度后就可能出现下述j l 种影l 蛳f 常工作的情况：第 ，导 电体的接触部分包括触头和固定接触连接，当温度升高至一定值后可能发生接触电阻 的恶性增加现象。第二，对绝缘体来既，温度升高可使绝缘部件的绝缘电阻和绝缘强 度f 酬压水平) 降低，因而可能影响安全运行。第三，温度过高会影1 4 目电器的使用性能。 第四，电器的手柄，外壳和底座等如温度过商也会影响操作人员的安全操作。由r l 述原因，所以对电器中某些部件的温度加以限制是必要的。制定电器的最高允许温度 ( 或称极限允许温度) 的标准，就是为了限制电器在正常运行条件下温度不致过高，从 而保i d ：不出现上述影响f 乜器难常运行的凼素。 温升试验的目的则是验证、考核、检查或研究外关电器各部位的温升是否符合标 准规定的温升限值，同时并验证设计及其所确定的数据是否正确。 2 3 1 恒电流温升试验的试验电路和试验设备 恒电流通电发热方式是指在通电期间电流保持恒定不变的一一种通电方式，所有儿 关电器的触头系统和过电流继电器的电流线圈等的发热都属于这一通电发热方式。 ( 1 ) 交流恒电流温升试验：交流恒电流温升试验电路有单相电路和三相电路， 义有大电流小电流之分。图2 - 6 是单相试验电流较小时开关电器温升试验原理电路图。 图中z k 是电源丌关；t y 是一接触式自耦凋压器，供凋节试验电流用：a 是交流 乜 流表；r 是电阻器。 一i 试 i u 图2 - 6 单相交流触头系统温升试验电路( 试验电流较小时) ( 2 ) 直流恒电流温升试验：其试验电路与上述单相交流试验电路相似，仅电源 改用直流。常采用的电源有低电压大电流的直流发电机和低电压三相全波硅整流电 源。直流电器触头系统的温升试验也可通以单相交流电流来试。理论上认为交流的发 热要比直流的严重，所以通以交流比通以直流试，温升一般要偏高些，但如果电流不 大，试品触头系统中又无铁磁性部件，则通以交流试，温升偏商不会太大。如果直流 电器通以交流试其温升，结果发现温升很高且超过规定，即不合格时，则应考虑改用 1s 华中科技大学硕士学位论文 直流再试。但交、直流两用的开关电器的温升试验应通以交流电流进行试验，并且只 试交流即可。 2 3 2 恒电压温升试验的试验电路和试验设备 恒电压温升试验的对象是交、直流电压线圈。图2 7 为交流电压线圈的温升试验 原理图。图中z k 为电源开关，t y 是一单相调压器( 应尽量采用接触式自耦调压器， 使电压波形不