塑料壳体式断路器瞬动保护可靠性试验研究

塑料壳体式断路器瞬动保护可靠性试验研究

1塑壳大学《注塑壳路由可靠性试验方法》低压电器通常是指具有开关、控制、保护、检测、显示和报警功能的设备。断路器是低压电器中的重要设备,用于低压配电回路、电动机或其他用电设备中,负责接通、承载以及分断正常条件或非正常条件(如短路)下的电流。随着对塑壳断路器需求数量的增长,对其性能、质量提出新要求,其可靠性的影响也越来越大。为了考核与评价塑壳断路器的可靠性,要对塑壳断路器的机械操作、瞬动保护和过载保护进行考核。在行业标准JB/T10711—2007《塑料外壳式断路器可靠性试验方法》中,采用操作失效率、瞬动保护成功率和过载保护成功率作为塑壳断路器的可靠性特征量。在标准中分别将操作失效率等级、瞬动保护成功率等级和过载保护成功率等级作为其可靠性指标。本文在对塑壳断路器可靠性分析的基础上,研制出塑壳断路器可靠性试验装置,该试验装置是基于Windows系统设计的,系统操作简单,试验方便,既可以进行可靠性试验,也可以作为塑壳断路器的性能试验设备。2验证试验抽样方案考核塑壳断路器可靠性的指标是操作失效率、瞬动保护成功率和过载保护成功率,因此需要根据失效率和成功率的可靠性理论确定试验方案。根据图1可以确定失效率的抽样方案。由图1可知式中,λ0为合格失效率水平;λ1为批失效率容限;α为生产者风险率;β为使用者风险率。在失效率等级中规定了该等级下最大失效率,因此验证试验方案必须保证试验成功的产品失效率低于该等级下的最大失效率。同时抽样方案必须满足一定的置信度,失效率的验证试验方案可由下式确定式中,1-β为置信度,一般取0.9;λmax为失效率等级中的最大失效率;Ac为合格判定数;T为总试验次数。根据图2可以确定成功率的抽样方案。由图2可知式中,R0为可接受的成功率;R1为不可接受的成功率;α、β同式(1)。在成功率等级确定时,是要保证产品的最小成功率不低于一定的值,成功率等级验证试验方案可以由式(4)确定式中,1-β为置信度,一般取0.9;Rmin为成功率等级中的最小成功率;Ac为合格判定数;n为总试品数或总试验次数。根据式(2)和式(4)可以确定出塑壳断路器的可靠性验证试验抽样方案,操作失效率验证试验抽样方案、瞬动保护成功率验证试验抽样方案和过载保护成功率验证试验抽样方案如表1～表3所示。需要指出的是,在行业标准中瞬动保护成功率和过载保护成功率采用了“不可接受成功率”的概念,笔者认为,采用“最小成功率”作为其指标更恰当。虽然不影响试验方案和试验结果,但物理意义更明确,也符合可靠性考核目的。即塑壳断路器的瞬动保护可靠性和过载保护可靠性达到某个等级时,其成功率大于最小成功率。3试验结果的数据分析温度对塑壳断路器的操作可靠性与瞬动保护可靠性影响较小,可以在室温下进行这两个试验。过载保护可靠性受温度影响较大,要采用标准的温度条件,即周围空气基准温度为30℃±2℃。在操作可靠性试验中,塑壳断路器的机构受到操作循环应力的影响,因此进行操作可靠性试验时,每小时的操作循环次数规定为120次,在每个操作循环期间,断路器应保持闭合足够的时间,但不超过2s。进行塑壳断路器的瞬动保护可靠性试验时,电网电压波动、试品内阻大小不一致、试验回路电阻的变化及合闸相角不同都影响试验的准确性。特别是合闸相角对试验结果产生的影响最大。当随机地施加交流电压时,通过塑壳断路器的电流瞬时值为式中,Z为回路阻抗;为功率因数角;T为电路时间常数。由此可见,当回路为感性负载时,电感量越大,时间常数越大,非周期分量衰减得越慢。当Ψ-=π/2时,非周期分量最大。因此,实际电流的峰值可能比稳态电流峰值高出近1倍,严重影响了瞬动保护可靠性的试验。当稳态电流为整定电流的80%,塑壳断路器的瞬动脱扣器不应脱扣,由于非周期分量的影响,实际加的试验电流可能为整定电流的160%,远远超过整定电流的120%,使瞬动脱扣器脱扣,使本应合格的产品误判为不合格;另一方面,如果产品不合格,在整定电流的120%时瞬动脱扣器不脱扣,由于非周期分量的原因,瞬动脱扣器脱扣,使本应不合格的产品误判为合格。为了解决这个问题,需要采用选相合闸技术,使Ψ-=0,消除非周期分量,提高试验的准确性。过载保护可靠性是在基准温度下进行的,即断路器从冷态开始,在约定不脱扣电流时,断开脱扣器的各相同时通电,在小于约定时间的时间内不应发生脱扣。在约定时间结束后,立即使电流上升至电流整定值的1.3倍,即达到约定脱扣电流,断路器应在小于规定的约定时间内脱扣。根据塑壳断路器过载保护要求的特点,将塑壳断路器的过载保护试验分为三类。(1)冷态试验即从冷态下开始进行塑壳断路器的过载特性试验。(2)热态试验即从热态下开始进行塑壳断路器的过载特性试验。(3)可返回试验即对塑壳断路器的可返回特性进行试验。4塑料薄膜装置的可靠性试验安装4.1操作可靠性试验塑壳断路器的可靠性试验包括三部分,因此试验装置也包括了三部分。操作可靠性试验中,计算机控制塑壳断路器进行合分闸,在塑壳断路器的主触头回路施加24V×1A的负载,并监测主触头上的压降,根据压降的大小判断断路器的接触状态。4.2瞬动保护可靠性试验方法塑壳断路器瞬动特性调试装置的硬件电路包括主回路及计算机控制与检测电路两大部分。主回路提供塑壳断路器瞬动特性试验的电流。计算机控制与检测部分主要完成试验时序控制、试验参数检测、试验波形与数值的显示、接收用户的参数设定、试品合格状态判定与存储以及数据处理等功能。瞬动保护可靠性试验装置电路图如图3所示。塑壳断路器的额定电流IN为6～225A时,需要检测的电流为6～3240A,因此检测范围非常大。为了提高检测精度,检流电阻R1分为四档,根据试品的额定电流,将试品连接到相应的档位上。平衡电阻R2的作用是使电动调压器TC1工作在高压区,以提高调节的相对精度。平衡电阻RB对应检流电阻RM也被分为四档,检测参数如表4所示。4.4试验结果信息读取塑壳断路器的可靠性试验程序主要包括数据显示、数据存取、参数设置和试验运行四个模块。数据显示功能主要用来试验结果的查看,用户能随时了解每台试品的试验情况。数据存取模块可以将试验结果另保存为其他文件,以便用户长期保存试验结果。在进行新的试验时,也需要将原来的试验数据进行保存。原来的数据文件也可以装入计算机,进行试验数据的查看或打印。4.3试验参数设置在过载保护可靠性试验装置中有两套电源,电流输出为0～250A和0～750A。在试验中,进行1.3Ie试验时,需要在热态下进行,即先做1.05Ie的试验,试品不动作,紧接着通1.3Ie试验电流进行试验。采用双电源后,可以缩短不同试验电流间的转换时间和调节时间,提高试验结果的准确度。同时,还可以进行3.0Ie的可返回特性试验。如果采用单电源则无法进行塑壳断路器的可返回特性试验。塑壳断路器动作后,试验电流回路也断开,因此一般情况下一套试验电源只能进行一台试品的试验。而过载特性的试验需要2～4h,在多台试品的试验中,需要花费很长时间进行试验。为加快试验速度,获得较多可靠性试验数据,设计了可以进行多台试品的试验方法,即多台试品串联连接后,同时进行试验。当其中一台或多台试品动作后,电路自动转接平衡回路继续进行其他试品的试验。平衡回路阻抗和试品的内阻相近,并通过计算机进行自动稳流,因此试验电流变化很小,变化的时间也很短。设计的试验电路可以同时进行三台试品的试验,也可扩展为三台以上,并成功解决了试品不在相同时刻动作引起的试验电流中断和变化等因素产生的试验误差。过载保护可靠性试验装置电路图如图4所示。试验参数设置模块主要用来修改和设置试验参数,用户根据不同试品的试验参数,进行修改和设置试验参数。图5是过载保护可靠性试验中循环试验参数设置的界面,图6是过载保护可靠性试验中过程试验参数设置操作界面。试验运行是软件的关键部分,负责控制整个试验的进行以及试验数据的存储,主要包括了单次试验运行模块、循环试验运行模块和调/稳流控制模块。5瞬动保护可靠性试验系统的改进本文对塑壳断路器的可靠性进行了研究,并研制出了可靠性试验装置。主要取得以下成果:(1)分析了塑壳断路器操作可靠性、瞬动保护可靠性和过载保护可靠性的指标,并对失效率和成功率的抽样方案进行分析。(2)分析了非周期分量对瞬动保护可靠性试验的影响,通过采用选相合闸技术可以消除试验电流的非周期分量。(3)对塑壳断路器的过载保护试验进行了分类,便于试验的进行。(4)设计了塑壳断路器操作可靠性、瞬动保护可靠性和过载保护可靠性试验硬件。在操作可靠性试验装置中,设计了主触头压降监测电