漏电断路器动作特性检测装置的研究*

刘帼巾，边鑫磊，马晓燕，李义鑫，白佳航

(河北工业大学电气工程学院，天津300130)

0 引言

作为低压配电系统中重要的终端保护电器，漏电断路器可有效地防止由于漏电所引发的火灾、触电等事故，保护用电人员的生命财产安全。由于漏电断路器的工作性能与组成其的电子或电磁元件性能紧密

相关，而环境温度、湿度、震动、电磁干扰等因素，会影响电子或电磁元件的性能进而影响漏电断路器的工作性能［1－5］。因此，为了提高其工作时的稳定性，对于漏电断路器工作性能的检测变得尤为重要。并且，漏电断路器动作特性的检测作为漏电断路器工作性能检测的重要组成部分，所得动作特性检测数据的优劣直接影响研究人员对漏电断路器工作性能的评价，这使得动作特性检测装置的研制成为了漏电断路器工作性能检测的关键。但是，目前有关继电器、接触器等控制电器工作性能的检测设备的研究较多［6-8］，而有关漏电断路器性能的检测设备却少有研究。并且，在这些有关漏电断路器性能检测设备的研究中，大多是关于漏电断路器可靠性的检测设备的研究［9-11］。针对这一情况，参照GB16916．1-2014、GB16917．1-2014 中有关漏电断路器动作特性检测的规定，设计了一台漏电断路器动作特性检测装置。实现了对多种型号的单极或多极型漏电断路器任意选定一极剩余动作电流、动作时间的快速、精确、重复性的检测，对于所得检测数据用户可对其进行数据统计和整理，方便用户分析漏电断路器的保护特性的变化趋势，并且检测装置配有UPS电源保证了在意外断电的情况下检测数据不丢失。

1 硬件设计

所设计漏电断路器检测装置主要由工业控制计算机、剩余动作电流产生模块、电流调整模块、剩余动作电流检测模块、动作时间检测模块、自动复位及合闸模块、单极选通模块等组成。如图1所示，分别为检测装置的整体效果图与工作原理框图。

图1 漏电断路器动作特性检测装Fig．1 Detection device for operating characteristics of residual current breaker

由图1(b)可知，在进行漏电断路器动作特性检测时工业控制计算机通过电流调整模块来控制剩余动作电流生成模块输出的剩余动作电流的大小，同时单极选通模块可在工业控制计算机的控制下将生成的剩余动作电流输入到漏电断路器的其中一极，由剩余动作电流检测模块、动作时间检测模块来检测漏电断路器动作时的剩余动作电流和动作时间，并将所得检测数据传送到工业控制计算机内，当需要进行重复测量时，工业控制计算机可通过控制复位及合闸模块对漏电断路器进行复位及合闸操作，以便进行下一次检测。

1．1 剩余动作电流生成模块

检测装置在进行剩余动作电流值的检测或者动作时间的检测时，作为漏电断路器检测装置关键部分的剩余动作电流生成模块，要向漏电断路器提供电流值准确、稳定的剩余动作电流。为了满足不同规格漏电断路器检测时对于检测装置剩余动作电流测量范围和测量精度的要求，在本模块中采用了如图2所示的剩余动作电流生成电路。

图2 剩余动作电流生成电路Fig．2 Generating circuit of residual operating current

由图2可知，此电路主要由电动调压器、降压变压器、定值电阻、继电器板卡(PCL-735卡)等组成，检测过程中工业控制计算机通过调节继电器板卡中1号、2号继电器的常开触点KA1、KA2的开断可得到0 mA ～125 mA、0 mA ～500 mA、0 mA ～1 000 mA 的3种范围的剩余动作电流，其精度分别可达0．03 mA、0．1 mA和0．2 mA。满足了不同规格漏电断路器检测时对于剩余动作电流测量范围和测量精度的要求。

1．2 单极选通模块

漏电断路器动作特性检测装置中增加了单极选通模块，可实现对多极型漏电断路器任选一极进行检测。同时，为了避免电子式漏电断路器检测过程中辅助电源端发生相间短路，在此电路中利用继电器板卡中的常开与常闭触点，设置了自锁、互锁电路，电路如图3所示。

图3 单极选通电路Fig．3 Single pole gating circuit

1．3 自动复位及合闸模块

动作特性检测时，漏电断路器动作后，进行下次测量时需要对漏电断路器复位和合闸。由于动作后的漏电断路器复位按钮会自动弹出，首先要将此按钮按下，漏电断路器才能合闸。因此设计了漏电断路器自动复位及合闸模块，其工作原理框图如图4所示。

图4 复位及合闸电路原理框图Fig．4 Principle block diagram of the reset and closing circuit principle

由图4可知，此模块主要由触头状态检测卡、工业控制计算机、复位操作机构、合闸操作机构等构成，触头状态检测卡检测到漏电断路器动作信息，工业控制计算机首先控制复位操作机构对漏电断路器进行复位操作，复位完成时复位接近开关会被触发，复位机构退回原位，同时合闸操作机构进行合闸操作，合闸到位后合闸接近开关会被触发，合闸机构退回原位，完成漏电断路器复位及合闸操作。这一过程中为避免由于控制程序错误，复位及合闸机构长时间工作所导致的机构中核心部件，直流电磁铁过热、直流电动机堵转的发生，在其驱动电路中增加了保护电路，如图5所示。

图5 驱动及保护电路Fig．5 Drive and protection circuit

由图5可知，在控制程序出现错误无法及时停止复位及合闸机构时，保护电路中的延时继电器KT1、KT2可在预先整定的时间内断开电源，实现了直流电磁铁和直流电动机的硬件保护，避免了长时间通电或者堵转所造成的器件过热的发生，提高了检测装置运行过程中的安全性能。

1．4 剩余动作电流检测模块

进行剩余动作电流检测时，剩余动作电流检测模块需要实时采集电路中的剩余动作电流信息，传送到工业控制计算机内进行分析、判断。因此，设计了如图6(a)所示的电流检测电路，并且为了避免电流检测时由于采样频率与电流频率不符所带来的采样累计误差，增加了如图6(b)所示的采样同步电路，使得电流检测电路在被测电流过0时开始检测，进一步提高了检测的精度。

图6 剩余动作电流检测模块中电路Fig．6 Circuit of residual operating current detection module

2 控制程序设计

良好的控制程序设计是检测装置安全、稳定工作的关键，本次所设计漏电断路器检测装置采用LabVIEW软件进行控制程序的编制。LabVIEW软件采用图形化编程，避免了复杂、繁琐的代码的编写，提高了编程效率。并且LabVIEW软件提供了与MATLAB、EXCEL等软件的接口，可直接将数据导入这些软件内进行处理或存储，为检测数据的分析处理提供了便利［12-15］。

三是机构间存在差别。依据机构特点、成果性质以及劳资合同或事先约定等情况的不同，各机构科研成果的收益分配情况不完全一样。《雇员发明法》规定，高校雇员作为发明人应获得发明转化毛收入的30%，高校作为知识产权所有人获得70%收入；如研发由两个机构合作完成，则各获35%，依此类推。但对高校外的独立科研机构的收益分配没有明确规定，在实际中是11%到30%之间。其中，主要从事前沿基础研究的科研机构的发明人获益较高，最多可得30%，如马普学会[9～11]；主要从事应用研究的科研机构的发明人获益较低，约为20%左右，如弗劳恩霍夫协会[7]。

所设计的控制程序采用了模块化的设计思想，将需要实现的功能拆分为若干个小的功能模块分别进行控制程序的构建。当检测装置在实际运行过程中需要用到某一部分功能时，主程序可通过调用这部分功能所对应的控制程序来实现。这样不仅降低了控制程序构建的难度，而且当某一部分功能出现异常时，可以有针对性的对相应的控制程序进行修改、调试。

2．1 剩余动作电流调整模块程序设计

在进行漏电断路器动作特性检测时，无论是剩余动作电流的检测还是动作时间的检测都需要对施加在漏电断路器上的剩余动作电流进行调整。为保证剩余动作电流调整过程中电流精确、平稳的改变，设计了控制剩余动作电流调节的程序避免电流超调或变化速率过快对检测过程的影响，以提高检测的精度。其工作流程如图7所示。

图7 电流调整程序工作流程Fig．7 Workflow of current adjustment program

2．2 剩余动作电流检测模块程序设计

剩余动作电流检测程序是实现检测装置检测功能的重要控制程序之一，在进行漏电断路器剩余动作电流检测时，此程序可按照用户输入的漏电断路器参数以及检测通道的选定来控制相应的硬件电路实现剩余动作电流的施加、剩余动作电流值的检测和数据记录等功能，其工作流程如图8所示。

2．3 动作时间检测模块程序设计

图8 剩余动作电流检测程序工作流程Fig．8 Workflow of residual operating current detection program

动作时间检测程序是实现检测装置检测功能的另一个重要控制程序，此程序在初始化时可对检测装置中数据采集卡(PCL-818卡)内集成的定时器/计数器模块进行设置，使其产生周期为1 ms的触发脉冲作为动作时间检测过程中的计时基准。漏电断路器在接入电路时会造成负载变化使得施加在漏电断路器上的剩余动作电流值与设定值产生偏差，又由于电子式漏电断路器与电磁式漏电断路器之间电气特性的差异，针对这一情况，此控制程序中设计了两种检测方法用于电子式漏电断路器、电磁式漏电断路器动作时间的检测。对于电子式漏电断路器，在检测过程中首先在不施加辅助电源的情况下调整输入漏电断路器内的剩余动作电流到达额定值，然后再接通辅助电源并检测动作时间;对于电磁式漏电断路器由于其动作过程中不需要施加辅助电源，因此在对其进行动作时间检测时，首先接通剩余动作电流施加电路并调整其输出的剩余动作电流到达额定值后断开此电路。然后接通检测主电路待电路中电流稳定后，再接通剩余动作电流施加电路并检测动作时间。这两种检测方法有效的避免了由于漏电断路器接入电路所造成的电流变化，提高了动作时间检测的精度，其工作流程如图9(a)所示，并且为了避免检测过程中由于电网电压波动、环境温度等因素造成的剩余动作电流的波动，设计了电流稳定控制程序其工作流程如图9(b)所示。

图9 动作时间检测模块程序工作流程Fig．9 Workflow of actuating time detection module program

3 结束语

为实现漏电断路器动作特性检测的连续实时、高效、精确的测量，参照有关标准研制了一台漏电断路器动作特性检测装置。装置中设计了多档电流输出和同步采样电路保证检测精度;设计了单极选通模块，实现对多极漏电断路器中任意选通一极进行检测;设计了相间短路保护和设备过热保护等多重保护电路。控制程序设计过程中运用了图形化编程软件LabVIEW采用模块化的编程。为了保证剩余动作电流调整过程的精确、平稳，设计了电流调整控制程序和电流稳定控制程序;针对电子式漏电断路器与电磁式漏电断路器的差异，在进行动作时间检测模块控制程序的构建时，设计了两个分支来分别应对，提高了检测的精度。检测装置内硬件电路与软件控制程序相互配合，实现了漏电断路器动作特性的自动检测，提高了检测效率为漏电断路器的研究提供了便利。