一种新型低压大电流试验装置

江苏省低压电器产品质量监督检验中心 丁志东 郑剑云 张 钰

0 引言

电器产品温升试验一般采用可调低压工频交流电源，而温升试验的目的是测量试品各部件的最高温度或温升，以确定试品是否符合相关国家标准要求。目前，国内较为广泛采用的是在试品电源输入端施加一个低电压，通过调节串联在试品各分支馈出电路的阻抗或变流器来获得试验电流。

传统温升试验方法的缺陷是：①在调节试验电流过程中，由于三相电流不平衡导致调节速度缓慢；②电能直接消耗在阻抗或变流器上，试验成本提高；③试验过程中电网电压波动、连接导线阻抗变化、以及试品本身阻抗发热变化，需反复调节阻抗或变流器以恒定电流；④对成套开关设备来说,特别是抽屉式开关柜,除主电路外其分支电路多达20多个，分支电路阻抗或变流器调节费时费力，且无法保证精度。根据GB7251.1《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》和GB14048.1《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》的要求,成套开关设备的主电路及各分支电路必须同时通额定电流进行温升试验。传统试验方法很难适应当今技术发展需要，有必要采用自动化程度高的试验装置来提高效率并达到节能目的。

1 系统设计

1.1 试验方法

采用短路法进行低压成套开关设备温升试验，短路法是所有温升试验中需要电源容量最小、试验电压最低的试验方法。图1是短路法进行低压成套开关设备温升试验原理框图。它是利用对被测设备主电路输入端直接短接，而通过多台恒流电源通过搭积木的方式分别并接在被测设备各分支馈出回路倒输入恒定电流以达到测试目的。本方法成功克服了原方案无法解决的铜阻温升造成电流飘移需实时调整的缺点，不但可以提高检测精度，加快校验速度，提高工作效率，而且恒流电源额定输出电压低(仅1～2V)，节能效果可以提高75%以上，大大地降低了能耗。

1.2 工作原理

图1 积木式温升试验原理框图

图2 低压大电流试验装置原理框图

低压大电流试验装置主要由交流配电单元、调压变压器、变流器、电机控制传动单元、电流采样单元、人机界面 (触摸式液晶屏)、微机控制单 元(PLC)等组成。

其工作原理如下：电机控制传动单元接收微机监控单元信息处理的结果控制调压变压器使交流电源输出电流自动保持恒定。交流采样单元实时监测交流电源电流输出情况并将信息通过数据总线送入微机监控单元。微机监控单元作为交流恒流电源的数据处理中心，以现场总线方式对交流系统进行信息采集、处理完成智能化管理，信息处理的结果一方面将作为人机界面触摸式液晶显示屏的信息来源；另一方面通过通信接口传给上位计算机监控系统实现实时远程监控管理。

1.3 试验装置特点

本装置采用数字化控制、人机界面、智能传感技术方面进行了创新属国内首创，符合国际测试设备发展趋势要求，实现了交流电源的微机化、智能化、网络化，集测量、控制和数据通信一体化。

试验装置特点如下：①人机界面选用触摸式液晶显示屏，界面清晰直观，操作简单方便；②主控单元选用可编程控制器完成全数字化智能控制，自动化程度高、可靠性好、控制灵活方便；③采用支持现场总线技术的智能型传感器，以通信方式进行现场数据的传输，提高了数据的准确性；④采用大容量隔离变压器，将系统电源与试验电源进行隔离，并在初级与次级之间加装屏蔽层，使电源免受电网暂态过程和谐波干扰保证了电源质量；⑤提供串行通信接口，配合自行开发的软件可与后台计算机连接实现远程监控与管理。

2 稳流控制

可调变压器依靠机械移动调节原理实现稳流控制，当有偏差时，应驱动电机减小偏差，当偏差为零时立即停止，但由于机械惯性和控制的滞后，由命令发出到电机停止时需要一定的时间，这段时间与电机速度相关，在这段时间内驱动机构会继续移动一段距离，可能会造成过调节现象，严重时会导致在目标值附近出现震荡。因此，需要动态调节制动速度，到接近目标值时速度降到足够低。PLC稳流控制算法的目的是实时测量目标电流偏差，估算调压器滑动触头距离目标位置的路程和当前速度下的制动距离，当制动距离大于到达稳流位置路程时，应降低速度使制动距离等于计算路程。如此不断执行调整和计算知道进入稳流范围。

2.1 三相同步稳流

图3 电机驱动调压器稳流原理框图

在三相温升试验中，往往是中间相电压较其他两相低，表现出三相电压不平衡。因此，三相电压同步升降是无法获得三相相同的电流。稳流时，三相如果以相同速度上升，中间相会首先达到目标电流，而另外两相还需要继续升压，这样用进一步升高了中间相电压，导致中间相电流超出目标电流，信号经反馈后对中间相降压。如此反复，中间相会出现来回震荡。如果电机转速快，PLC反馈灵敏，震荡就会很明显。因此采用三相相对同步，即三相电流差异保持在5%以内。当某相电流超出另外两相的5%，该相调压器暂停升压，三相都处于5%时，再进行动作。实践表明，稳流过程的时间没增加，而震荡现象明显减少。

2.2 快速稳流

电机的速度控制曲线如图4所示，曲线的第1段对应于负载电流远离用户设定的目标值电流的情况，电机速度经过加速、恒速、减速3个运行阶段，如果负载电流同目标电流相差不是很大，电机速度曲线可能只有加速、减速段，该算法由PLS2指令自动实现，PLS2指令充分考虑了电机的机械特性，会以最快的速度发出控制脉冲但不会造成步进电机因为脉冲变化太快而出现失步的现象；曲线的第2段对应于负载电流接近于目标值的低速运行情况。

图4 电机速度控制曲线

3 装置在低压电器温升试验中的应用

低压成套开关设备在低压供电系统中负责完成电能的控制、保护、测量、转换和分配。由于低压成套开关设备深入到生产现场、公共场所、居民住宅等地点。对于低压成套开关设备本身来说，重要的就是可靠性，而反映可靠性的一个最重要的指标就是低压成套开关设备在传输、分配电流中的温升状态。该实验装置已经在江苏省低压电器产品质量监督检验中心投入使用，经过多次试验验证，该设备稳流精度达到1%，电流范围根据要求可以在200～5000A范围内积木式搭接。在实施过程中，还增加了调试界面、计量校准界面、故障信息界面等。不仅实现了企业的性能需求，还极大地方便了调试维护等工作。为行业内试验站提高工作效率及企业研发能力的提升，提供了重要保障。

4 结论

经测试，该装置稳流精度达到1.5%，可以对所设定的试验电流进行自动跟踪，从而实现了温升试验大电流的自动稳定。该系统主要性能指标符合并优于国家标准GB7251和GB14048的规定，满足温升试验的要求。“温升试验自动稳流系统”实现了试验电流自动稳定。该系统属智能仪器，操作简单，使用方便，功能齐全，减轻了试验人员的劳动强度、提高了工作效率，能有效地限制“人”对试验结果的负面干扰。基于PLC的低压大电流试验装置已用于低压成套开关设备产品的3C型式试验的温升试验，取得了良好的经济效益。