机电式控制电路电器试验技术研究

黄少坡，李奎，王洋，王丽丽，温金鑫（.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津30030；.天津电气科学研究院有限公司，天津30080）



机电式控制电路电器试验技术研究

黄少坡1，李奎1，王洋1，王丽丽1，温金鑫2
（1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130；
2.天津电气科学研究院有限公司，天津300180）

摘要：研究了机电式控制电路电器试验技术，包括正常和非正常条件下接通分断能力、电气耐久性试验等。根据试验条件不同，将考核触头接通能力和分断能力的试验分为恒载、变载和无载3种试验模式。以接触器辅助触头为研究对象，设计了基于计算机控制的试验装置，实现了交直流通用和各试验模式兼容，自动控制试验进程并实时监测和显示试验电压电流，提高了触头接通分断状态判断的精度和接触器辅助触头试验的自动化水平。

关键词：控制电路电器；试验技术；试验模式；波形显示；状态监测

在低压开关设备和控制设备范畴，机电式控制电路电器起着信号、控制、连锁等功能，保证控制系统的稳定、可靠运行。

机电式控制电路电器发生故障，将危及整个控制系统的安全运行。文献［1］中降压启动接触器的常闭触点接触不良，导致被控55 kV·A风机在由降压启动转换到全压运转瞬间瞬时停车而后马上启动，相当于电机直接启动，启动电流巨大，造成总屏低压断路器跳闸，全车间停机事故。文献［2］中控制非全相保护时间继电器动作的常闭触点断开不良，设备振动导致断开的常闭触点接通，从而引起时间继电器线圈得电而发生误保护、开关跳闸。可见，研究控制电路电器试验技术、提高其质量水平，对降低系统故障发生率、减少经济损失有着重要意义。

1　使用类别及试验模式划分

1.1使用类别［3］

正常条件下和非正常条件下的接通与分断能力是控制电路电器型式试验的重要项目，是产品必须满足的性能指标；为了研究产品的寿命水平或来自用户的质量需求，还需进行机械耐久性和电气耐久性的验证试验。根据控制对象的不同，国家标准（GB 14048.5）规定了几种机电式控制电路电器的使用类别，见表1。

表1　机电式控制电路电器使用类别Tab.1 Utilization categories for electromechanical control circuit devices

接通和分断能力指能在产品标准规定的条件下接通和分断正常负载电流和过载电流而不发生故障的能力。根据GB 14048.5，正常条件下，工作电压为Ue；非正常条件下，工作电压为1.1Ue。两种条件下对应于不同使用类别的接通电流和分断电流有的相同有的不同，如正常条件下对应于不同使用类别下的接通分断电流如表2所示。其中，6×P是经验值，代表大多数直流电磁铁负载的上限为P=50 W，即6×P=300 ms的经验关系中求得，对于功率消耗大于50 W的负载，可假定由较小负载并联组成，因此，300 ms可作为上限值；T0.95为达到95%稳态电流的时间，ms。

表2　正常条件下接通分断能力（U=Ue）Tab.2 Making and breaking capacities under normal conditions（U=Ue）

电气耐久性是指在规定的正常条件下，不需要维修或更换零件而能承受的负载操作循环次数，GB 14048.5规定电气耐久性试验中应有90%及以上的被试电器达到或超过该操作循环次数。每个操作循环应包括1次试验电流的接通和1次试验电流的分断，操作循环的通电时间应不小于操作循环周期的10%，也不大于周期的50%。

作为接通和分断能力的一种特殊情况，交流电气耐久性试验时，按正常条件下使用类别为AC-15的接通分断能力试验进行，但接通时功率因数应为0.7，分断时功率因数应为0.4；直流电气耐久性试验时，按正常条件下使用类别为DC-13的接通分断能力试验进行。

1.2试验模式分类

通过以上分析，根据控制对象、验证性能指标不同，考核控制电路电器的试验被分为若干个使用类别，且对于电气耐久性试验，虽然参考其中某些使用类别但试验条件不完全相同。通过归纳可将以上所有试验情况分为以下几种试验模式［4］：

1）恒载试验。试品接通和分断负载电流，接通和分断的负载电流相同，如AC-12，DC-12；

2）变载试验。试品接通和分断负载电流，接通和分断的负载电流不同，如AC-13，DC-14；

3）无载试验。试品只进行机械的闭合和断开，无需加载电压和电流，如机械耐久性试验。

2　接触器辅助触头试验技术研究

2.1试验主回路设计

由以上分析，考核控制电路电器接通和分断能力的试验类别较多，且有的接通和分断条件不同（电压不同、电流不同等），这对试验装置的自动化水平提出了更高的要求。为了兼顾电源类型（AC/DC）、恒载接通分断及变载接通分断，并同时考虑提高试验效率，以接触器辅助触头为研究对象，设计了如图1所示的接触器辅助触头接通分断能力试验装置主回路。

图1　试验装置主回路Fig.1　Main circuit of test device

图1中，QF1和QF2分别为交、直流主电路电源断路器，KM1，KM2和KM3，KM4分别为回路1和回路2的电源选择接触器，KM5，KM6和KM7，KM8分别为回路1和回路2的负载选择接触器。可分别提供AC或DC额定电压或1.1倍额定电压，满足了正常条件下和非正常条件下进行接通和分断能力试验的电源要求。以回路1为例，恒载试验时，可指定负载1或负载2；变载试验时，可选择负载1或负载2作为接通负载而另一个作为分断负载，通过控制KM5或KM6不同的动作时序，可实现不同的试验模式。

工位1和工位2可同时对分别与2台接触器同时动作的2个辅助触头试品进行试验，也可同时对与一台接触器同时动作的2个辅助触头试品（同常开或同常闭）进行试验，工位1和工位2的位置可分别同时并联3个辅助触头，并分别对其进行试验，这种设计最大化地提高了试验效率。

2.2动作时序

通过控制电源选择接触器和负载选择接触器，可实现恒载、变载及无载3种试验模式。工位1和工位2可分别或同时进行恒载、变载试验，也可分别或同时进行无载试验，这里重点对恒载和变载的试验动作时序进行分析。

由于2个工位上的辅助触头可能由同一台接触器控制，也可能分别由各自的接触器控制，所以这2种条件下的动作时序是不同的。对于工位1和工位2，有“两恒载”、“两变载”及“一恒载一变载”3种动作时序，再基于以上考虑，共有6种动作时序。这里重点分析较为复杂的2种动作时序：两工位上辅助触头由各自的接触器控制、一恒载一变载，记为时序1，见图2；两工位上辅助触头由同一接触器控制、一恒载一变载，记为时序2，见图3。

图2　时序1动作时序图Fig.2 Operation sequence chart of sequence 1

图3　时序2动作时序图Fig.3 Operation sequence chart of sequence 2

动作时序图中曲线低表示接触器释放状态、曲线高表示吸合状态，斜线表示吸合或释放的过程［5］。时序1中，工位1完成承载电流（t4）后即可将工位1接触器释放来分断负载；通过KM7和KM8的负载转换，实现工位2接通和分断的负载电流不同。时序2中，由于两工位由同一台接触器控制，工位1需在工位2完成承载分断电流（t8）后和工位2同时释放。根据接触器的实际吸合释放时间和标准要求的接通时间，通过设置各阶段的时间参数，可完成整个试验进程的自动控制。对于时序2，正常条件或非正常条件下接通与分断能力试验时，由于标准只规定了通电时间下限值，所以工位1通电时间亦满足要求；电气耐久性试验时，通过合理设定各阶段时间参数，也可保证工位1通电时间不大于操作循环周期的50%。时序2使用1台接触器控制2个辅助触头，减少了接触器用量，提高了试验效率。

2.3基于计算机控制的采集系统

文献［6］所述试验系统对接触器辅助触头回路施加DC 24 V电压，可通过采集触头压降并于门限值比较来判断触头的接触状态，但并未采集触头回路电流，不能准确反映触头接通和分断中的动态过程。为了提高触头接通分断状态监测的精度，设计了基于计算机控制的采集系统，并选用研华高速数据采集卡PCL-818HG进行数据采集。

进行辅助触头恒载试验或变载试验时，需在整个接通和分断过程中检测电源电压U、触头间电压u和主电路电流I［7］，试验过程中记录的电压电流波形如图4所示。

PCL-818HG数据采集卡可提供12位AD采样、最高100 kHz（DMA数据传输方式）的采样速率，保证数据采集可以真实还原原始信号［8］。试验时，将0～450 V电压信号转化为0～4.5 mA的电流信号，再经5 mA/20 mA霍耳传感器、放大电路转换为0～4.5 V的电压信号，供AD采样。使用1 A/20 mA和5 A/20 mA 2种霍耳传感器，对不同电平的电流信号进行转换和采集，再经放大电路转换为最大5 V的电压信号，供AD采样，提高了电流采样精度。考虑一定的过压、过流系数，设置电压电流采样通道的电压输入范围均为±10 V。本采集系统采用中断传输方式的多通道模拟量AD采样，单通道采样频率为2 kHz。

记试验电压为U0、试验电流为I0，接通时，若u≥10%U0或I≤90%I0，则记为接通故障；分断时，若u≤90%U0或I≥10%I0，则记为分断故障。10% 或90%为保护限，用户可自定义。试验装置可显示电压电流波形，通过波形分析，可精确得出接通和分断时间、燃弧时间等触头特征参数。

图4　试验电压电流波形面Fig.4 Display interface of voltage and current

3　结论

本文研究了机电式控制电路电器试验技术，并以接触器辅助触头为研究对象开发了基于计算机控制的试验装置，提高了接触器辅助触头试验自动控制水平。

1）总结分析了考核控制电路电器接通和分断能力的各种试验类别及试验条件，将各试验类别归纳为恒载、变载和无载3种试验模式；

2）以接触器辅助触头为研究对象设计了试验装置，可满足交直流通用、各试验模式兼容的要求，并重点分析了两工位2台接触器控制和两工位1台接触器控制下的一恒载一变载试验动作时序；

3）开发了基于计算机控制的采集系统，实现电压电流采集和显示，提高了触头状态监测和特征参数提取的精度。

参考文献

［1］王玉.一起因启动接触器辅助触头接触不良引起的故障［J］.电世界，1995（8）：36.

［2］华亮亮.辅助开关接触不良造成断路器故障的分析及处理［J］.科技创业家，2013（2）：112.

［3］GB 14048.5—2008.低压开关设备和控制设备机电式控制电路电器［S］.

［4］王丽丽，李奎，黄少坡，等.交流接触器电气操作试验测控技术的研究［J］.电器与能效管理技术，2015（10）：1-5.

［5］武一，陆俭国，赵鹏，等.基于计算机控制的接触器试验技术及其装置［J］.电气应用，2008，27（14）：68-71.

［6］张根柱，田志国，刘砚菊. 3TB40交流接触器辅助触头可靠性试验研究［J］.继电器，2003，31（8）：50-52.

［7］袁金丽，李奎，王尧，等.交流接触器电寿命监测技术的研究［J］.低压电器，2011（17）：7-10

［8］Advantech.Part No.20038180A0-2003，PCL-818 Series User′s Manual［Z］.Taiwan：Advantech Co.，Ltd，2003.

修改稿日期：2015-12-06

Test Technology of Electromechanical Control Circuit Devices

HUANG Shaopo1，LI Kui1，WANG Yang1，WANG Lili1，WEN Jinxin2
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；
2. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

Abstract：Test technology of electromechanical control circuit devices was studied such as the making and breaking capacities under normal load conditions and abnormal load conditions，the electrical durability，etc. According to different test conditions，the tests for verification of making and breaking capacities were classified into three test types，constant-load test，different-load test and no-load test. In fact，a test device for auxiliary contact of contactor was designed to automatically control test process and accurately monitor the condition of contacts by detecting test current and test voltage. With AC supply or DC supply，samples are tested in the three test types.

Key words：control circuit devices；test technology；test type；wave display；condition monitoring

中图分类号：TM572

文献标识码：A

基金项目：国家自然科学基金（51377043）；河北省自然科学基金（E2015202109）

作者简介：黄少坡（1986-），男，博士研究生，Email：shaopo0303@163.com

收稿日期：2015-09-16