智能心电图负荷开关实负荷试验研究

智能心电图负荷开关实负荷试验研究

0静态接触电阻的特性随着中国智能电网建设的加快，单个智能电能表在全国范围内得到普及。大部分智能电能表使用磁保持继电器作为负荷开关,实现售电过程中的“欠费拉闸”功能。在供电计量部门对电能表做全性能检定时,必须对负荷开关进行检测。传统的检测方法采用继电器测试卡加万用表测量,效率低、易出错而且检测结果具有各种随机性、人为性［1－2］。接触系统失效是造成磁保持继电器故障的最主要的模式,约占总故障数的80%以上。影响接触系统可靠性的因素虽然很多,由电弧或火花放电等原因引起的电弧侵蚀是触点侵蚀的主要形式［3］。静态接触电阻作为衡量继电器接触性能的主要参数,在一定程度上反映了电磁继电器可靠性的高低［4］。并且,电能表用磁保持继电器与一般磁保持继电器的最大区别就体现在接触电阻,在一般情况下,60A电能表用磁保持继电器要求接触电阻小于2mΩ［5］。因此,可通过对静态接触电阻的变化规律的研究分析其对电磁继电器接触系统可靠性的影响。文献讨论了影响接触电阻的若干因素,包括触点材料、形状,触点表面条件,触点压力等。文献分析了接触电阻的组成并提出了收缩电阻的概念,推导出收缩电阻的测量方法,进而探讨采用测量收缩电阻值来确定电寿命性能指标的方法。文献利用动态接触电阻测量系统测量触点闭合过程的接触压降进而提出了动态接触电阻的概念,分析了继电器接触失效与接触电阻之间的关系,对继电器触点进行失效预测。文献研究了接触电阻的时变规律并进行了短期预测,进而对因接触不良导致的接触故障进行预测。上述研究的局限在于,研究内容大多为定性而不是定量研究,并且通常在较小的直流负荷下进行测试,与智能电表中负荷开关的实际工作条件存在差异,实验结果有待进一步验证。本文利用自行研制的电能表负荷开关试验装置系统,在实负荷条件下对负荷开关接触电阻、开关闭合产生的电弧能等之间关系进行了研究和分析。1收缩电阻rs电流通过两金属导体时,电接触处存在附加电阻,称之为接触电阻R。由于金属表面粗糙不平的,在表面接触时,只有少数凸出的点或者小面发生了真正的接触。当电流通过这些很小的导电斑点(半径为a)时,电流线会发生图1所示收缩现象,造成流过导电斑点附近的电流路径增长,有效导电截面减小,形成的附加电阻称为收缩电阻Rs。Holm［10］认为导电斑点的收缩电阻可以表示为:式中ρ为接触金属的电阻率;ai为第i个导电斑点的半径,n为接触面内的导电斑点的个数。另一方面,由于金属表面有膜的存在,如果实际接触面之间的薄膜能导电,则当电流通过薄膜时将会受到一定的阻碍而有另外的附加电阻,称为膜电阻Rb。接触电阻R在物理本质上是收缩电阻Rs和膜电阻Rb之和,即:接触电阻值的大小与触点的材料、表面粗糙度、接触形式、表面膜情况、接触力、电流大小、通电时间等有关。由于实际中有关导电接触斑点和表面膜的参数很难确定,因此,接触电阻的研究大多采用试验方法进行研究。2关试验系统简介目前国内的电能表检定装置对电能表进行负荷开关试验,都是在较小的交直流负荷下进行的。根据智能电表负荷开关工作特性,研制了一套智能电表交流实负荷开关试验系统。该系统主要由计算机、控制单元、通道切换单元、参数测试单元、波形监测单元、负载单元组成。系统功能如下:(1)可完成单相或三相智能电能表负荷开关寿命测试;(2)采用多档位实负载,程控切换方式进行电能表负荷开关实负荷通断测试。负载功率因数,负载电流均可在一定范围内任意设置;(3)实负荷测试条件下负荷开关通断瞬态压降、电流波形监测;(4)测试数据实时监测,研究电能表负荷开关通断性能,分析负荷开关特性参数。2.1负载模拟系统的硬件设计智能电表负荷开关试验装置如图2(a)所示,系统整体结构图如图2(b)所示。该测试装置由计算机上位机软件系统控制装置进行各项试验,同时接收测试数据。计算机与控制单元、参数测试单元均采用RS232通讯方式,与波形测试单元采用USB通讯方式。软件系统接收参数测试单元、波形测量单元测试数据,对数据进行综合分析,得出电能表负荷开关特性参数,预估电能表负荷开关寿命。软件系统同时也完成对控制单元下发指令,控制电能表负荷开关通断、参数测试单元测试通道切换、负载档位切换、输出启停等。控制单元接收软件系统控制指令,控制单元根据软件系统下发的指令,控制通道切换单元切换测量通道、控制负载档位切换,读取电能表通讯数据及负载电压、电流、功率因数测量数据,将数据转发至软件系统。控制单元采用STM32微控制器,ARM内核,高速、可靠。RS485通讯1~3用于表位电能表通讯,RS485通讯4与负载测量模块通讯,获取负载电压、电流和功率因数数据。参数测试通道切换控制用于表位负荷开关参数测量回路切换,负载档位切换控制用于切换负载电流、功率因数档位。RS232通讯采用光隔离方式与计算机连接,以保证系统安全运行。负载主要由电阻、电感、电容、继电器等元件组成,电阻、电阻加电感、电阻加电容分别构成纯阻性、感性、容性负载,每种负载均有5个电流档位。负载原理图如图3所示。2.2上位机软件设计智能电表负荷开关测试系统系统软件设计包括下位机软件设计和上位机软件设计两部分。下位机软件设计主要采用C语言对控制单元、通道切换单元及波形监测单元的ARM主控器进行编程。其主要功能是将上位机设置的试验条件通过CAN总线传输至通道切换单元,同时在试验进行过程中负责同步各单元执行线圈加电和断电、动态波形采集等操作,并将所有采集的波形数据通过串口统一发送至上位机。本系统上位机软件基于WindowsXP/Window7操作系统平台,采用.NetFramework4.0开发环境,应用面向对象技术编写。软件主要完成试验条件设置、动态波形采集、数据分析等功能,软件功能流程框图如图4所示。数据分析时,由动态电压电流波形的数据计算负荷开关断开闭合时所产生的电弧能量,计算交流电弧能量的基本公式为:式中uh为电弧电压;ih为电弧电流;tr为燃弧时间。负荷开关触点的静态接触电阻可由负荷开关闭合时的动态电压电流波形,根据伏安法计算:式中uc、为电压电流瞬时值,tc为动态波形采集时间。2.3试验条件本测试采用的试验样品为单相智能电表,实验条件和电表规格见表1~表2。3试验结果及分析3.1触头闭合试验图5所示为触点分合电压电流典型波形曲线。在触头分断过程中,电弧出现于触头刚分离时触点间距极小的时刻,随着触头距离的增加,电场强度减弱,电弧燃烧过程中伴随着电离进行的同时也存在着消电离的作用,当消电离的速度大于电离速度时,电弧逐渐熄灭。如图5(a)所示,电弧现象明显。相比之下,图5(b)所示触头闭合过程中电弧出现于触头闭合后,而电弧的产生由触头弹跳引起。由于磁保持继电器中永久磁钢的吸力较大,造成动静触点间没有明显的弹跳现象,从而导致触头闭合过程的电弧现象不明显。图6(a)所示为触头断开和闭合时的电弧能量随试验次数变化规律。由于前述的磁保持继电器的动静触点特性,触点的电弧能量主要来源于触头分断期间,分断期间产生的电弧能量比闭合时高出一个数量级以上,且触头分合时的电弧能量在一定范围内波动。文献[11-12]讨论了影响触头电弧的若干因素,包括触头分合时的电压相角,触头的分断速度等。虽然在单次触头分合时影响触头电弧的因素较为复杂,但由于试验中触头分合时机选择的随机性,导致了在统计规律上累积电弧能量近似于随试验次数线性变化的关系,如图6(b)累积触点电弧能量与试验次数关系图所示。3.2继电器触头失效形式图7所示为使用式(4)得出的接触电阻与试验次数的关系。从图6可以看出:负荷开关开始测试时接触电阻较低。随着测试过程的进行,接触电阻具有缓慢的增加趋势;整个测试期间数据中可能出现异点。异点可能是触头污染等偶然失效因素引起的,也可能是数据采集时引入的虚假数据。接触电阻的变化趋势可以反映出继电器触头随着开合动作的进行,接触面表层不断发生电弧侵蚀致使表面情况不断恶化的过程。为了使得拟合结果反映出触头的偶然接触因素,没有对实验数据中的异点进行平滑处理。如前所述,继电器触头的主要失效形式是由电弧侵蚀和材料转移引起的接触失效。电弧对触点的侵蚀主要有蒸发汽化侵蚀和喷溅侵蚀两种形式。在小电流情况下主要以蒸发汽化为主,随着电流的增大,喷溅侵蚀则起主导作用,二者的临界电流为8A左右。继电器触头失效形式本质上是材料转移导致触点损伤逐渐累积的过程。文献根据疲劳累积损伤理论,提出了继电器接触失效的物理退化模型。式(5)和式(6)分别表述了物理退化模型中的线性累积模型和退化率模型。式中X为表征触头接触性能的物理参数,N为试验次数,X0为物理参数的初值,A为侵蚀系数,反映了单位燃弧能量对物理参数的影响,Φ(N)为累积燃弧能量,m为退化系数,反映物理量当前值对退化速率的影响。图8显示了根据接触电阻及电弧能量的实验数据(3000次开合)拟合得到的线性累积模型和退化率模型曲线。两种模型虽然具有相近的回归标准偏差,但从图中可以看出,退化率模型由于考虑了电弧效应对触头接触电阻的累积效应,表征的接触电阻的增长趋势快于线性累积模型。4试验过程分析通过在交流实负荷下针对智能电表负荷开关的试验,可以得到: