家用小型漏电保护开关电性能试验自动操作装置的设计与应用

陈金汕

（福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002）

家用小型漏电保护开关电性能试验自动操作装置的设计与应用

陈金汕

（福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002）

随着社会的发展，家用小型漏电保护开关应用越来越多，它关系到人身和设备的操作安全，因此，对它进行性能检测显得相当重要。文章对漏电保护开关的工作原理和电性能试验的标准要求进行研究，设计并实现了一套基于PLC的小型漏电断路器机械和电寿命试验自动操作装置，它具有三个工位同时运行的能力，操作简单、功能完善、运行稳定可靠等特点，实现自动操作以替代人工操作，大大节省了人力成本，极大提高了小型漏电断路器的机械和电寿命性能试验的检测效率，使检测技术更加科学、公正。

漏电保护开关；自动操作装置；电寿命；PLC

1 引言

漏电保护器在我国80年代初就开始推广使用，并于1986年9月发布了相应的产品国家标准GB6829-86《漏电电流动作保护器》，但由于该产品的性能不够稳定，质量参差不齐，漏电保护的特点难以体现[1]。随着社会的发展，科技进步，2002年国家将漏电开关列入强制产品认证范围，并引入国际标准IEC61008、IEC61009，经过十几年对产品质量监督规范管理，目前漏电保护开关相对以前产品来说质量有很大提高，使得保护开关进入千家万户，起到保护人体触电以及设备漏电时能自动跳闸作用，对减少人身触电伤亡事故，对设备的漏电保护有很大的作用，社会效果逐渐显示。因此，对漏电保护开关的产品质量性能检测尤为重要。文章将主要对漏电保护开关（如常用的小型漏电断路器）电性能检测方面的自动操作装置进行设计与应用研究。

2 工作原理与标准研究

2.1 漏电保护开关工作原理

漏电保护开关的工作原理：漏电保护开关（如常用的小型漏电断路器），它具有漏电、过载、短路保护等功能。漏电保护开关可以对低压电网中的直接触电和间接触电进行有效的防护，它在反应触电和漏电方面具有高灵敏性和快速性，这是其它开关如自动开关和熔断器等所不能比拟的。假设人体直接触及220V相线，人体电阻1000Ω，因中性点接地电阻（4Ω）相对很小，可忽略，因此通过人体的电流Id为：

此电流对人体会产生危险，但对一般自动开关或熔断器来说却根本不会动作。因此，必须采用漏电保护开关切断供电电源保护人身安全。

漏电保护开关按工作原理分为电压动作型、电流动作型、交流脉动型等。目前电压动作型趋于淘汰，交流脉动型也应用很少，最常用的是电流动作型漏电保护器（或漏电保护开关）。它的工作原理，如图1所示。

图1 漏电保护器工作原理图

如图所示：TA-零序电流互感器，二次侧绕有线圈，电流线L1，L2，L3及零线N，从TA中穿过，构成其一次侧线圈，TA的作用是反应漏电电流信号而构成整个装置的检测部分，并经测量、放大、比较后，控制KM的执行机构动作功能。在正常情况下漏电保护装置所控制的电路中没有人身触电及漏电等接地故障时，各相电流的相量和等于零，即=0，漏电装置不动作。当电路中发生触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这时穿过TA的三相电流相量和不等于零，其相量和为，TA线圈中将感应电压，放大后，如大于动作电流值，则作用于执行元件使漏电保护开关跳闸[1]。

因此，考核漏电保护开关的关键部件是漏电流检测到动作执行，使漏电保护开关切断电路。因此，对漏电保护开关产品的电性能考核是重要的试验部分。

2.2 标准研究

标准GB16917.1中条款9.10对漏电保护开关的机械和电气寿命试验作出了明确要求，例如为了实现小型漏电断路器产品DZ47LE（3P+N，400V，32A，30mA）的试验，标准要求试验应进行2000次的带载操作循环，其中1000次操作循环用手动操作方式进行断开操作，500次操作循环用试验装置进行断开操作，500次操作循环在一极通以的剩余动作电流进行断开操作；接着不带负载，再进行2000次的操作循环。操作频率要求每分钟二次操作循环，接通时间为1.5s～2s[2]。若由人工操作毕竟繁锁，而且在实现过程中会涉及人为因素对试验数据的影响，影响到检测的科学性和准确性。且对试验接通时间长短不易控制，以及试验过程中样品若不合格也可能危及试验人员的人身安全。

因此，假如能够设计一台，能对小型漏电断路器电性能试验进行自动控制的操作装置，实现自动操作，以替代人工操作，即省时省力，试验重复性更好，也使检测更加科学、公正。

3 自动操作装置的设计与实现

为了实现该电性能操作要求，该设计的硬件部分通过PLC、机械操作手、操作气缸、触摸屏、接触器、直流供电源等组合起来，通过PLC程序设计实现了一台漏电保护开关机械和电寿命自动操作装置，来模拟人工操作。自动操作装置的整体设计框图，如图2所示。

图2 自动操作装置的整体设计框图

由图2可知，PLC和触摸屏形成自动操作装置的控制管理核心，在触摸屏上面选择工位和参数设置，再由PLC执行相应的操作步骤试验程序，由气缸驱动各个机械手的关节按试验流程进行操作，操作过程中各工位的各种状态由PLC进行反馈处理，实现计数、报警等功能。供电模块是给PLC和触摸屏提供工作电源。

3.1 硬件和软件设计

3.1.1 硬件设计

为实现样品的自动合分操作，替代人工操作，提高工作效率，硬件设计时本装置设计了三个工位，可实现三台样品同时开始试验。该操作装置的主电路设计图，如图3所示。

图3 操作装置的主电路图

其中，N1为第一工位的公共零线，L1、为第一工位的控制火线，KM1为接触器，NOISE FILTER为噪声滤波器，FX1N-60MT为PLC，MT6070IH为触摸屏，AC220V/DC24V为电子元件直流工作电源模块[3]。

为了便于该产品安装操作和试验时的安全，在外观设计时将装置设计成一个柜体（外形尺寸：长1200mm*宽500*高1620mm），分上、下两层，下层为铝合金及镀锌板围成封闭式箱体，并设有双开门，柜内用于安装PLC、接触器、压力阀、以及控制电路板等器件。上层用铝合金及透明玻璃组成，柜体装有试品安装架、气缸、机械手、工装夹具等。其中：

（1）PLC是采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。该设计采用三菱产品，它应用FX操作系统，具有编程方便、运行稳定、运行速度快、可靠性高等特点。

（2）气缸是一种在气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件，由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成，缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。该设计采用德国进口，需要外供一个空压源，给气缸的控制和操作提供动力来源，要求的空气压力为5kg/cm2，它的理论推力可达1320N，满足小型漏电断路器各种试验分合操作的推力要求。

（3）机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。该设计采用气压驱动式机械手，具有足够的机械强度和防锈能力，能实现上下、左右、前后多角度调节功能，通过PLC程序发出指令对其工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等的准确控制，以满足不同规格样品的试验步骤要求。

（4）夹具是在试验时用来迅速紧固样品，使样品保持在相对正确位置上的工艺装置。该文设计了多种规格的夹具，上面的滑块应涂有润滑脂（如钙基润滑脂），以便灵活地上下、左右、前后调节，并与机械手的位置相配合，使样品在安装的位置上准确无误的进行合分操作试验。

（5）采用透明有机玻璃以便在试验过程中能清楚地观察样品分合操作情况，以及防止试验过程中出现故障或异常情况的发生，提高试验安全性。

3.1.2 软件设计

该自动操作装置的软件设计按照漏电保护开关标准要求的和实际操作的需要进行操作流程设计。设计程序通过PLC控制操作气缸和机械手的运动过程，通过指令控制气缸和机械手在何时合分及通过电时间的长短，以及操作次数各方面的控制，以满足标准规定的要求。主要的操作界面如下：

3.1.2.1 主页操作界面，如图4所示

图4 主页操作界面

当触按“一工位”键时，进入一工位操作画面；当触按“二工位”键时，进入二工位操作画面；当触按“三工位”键时，进入三工位操作画面；当触按“中文”键时，显示中文操作画面；当触按“英文”键时，显示英文操作画面。

3.1.2.2 工位操作步骤说明，如第一工位的操作步骤，如图5所示

图5 第一工位操作界面

其中，“当前状态”显示的是当前的操作状态，比如是自动或手动；手动操作：触按“手动”键选择手动操作，只有在此状态手动操作才有效；自动操作：触按“自动”键选择自动操作；“合闸”是手动合闸动作，只有在脱扣、分闸复位状态有效；“脱扣”是手动脱扣动作，只有在合闸、分闸复位状态有效；“分闸”是手动分闸动作，只有在合闸、脱扣复位状态有效；“启动”自动状态触按此键开始自动动作，手动状态/安全门打开无效；“停止”自动状态触按此键，一个周期动作结束后停止自动动作；“复位选择”自动试验装置测试模式状态下周期触按此键可选择为复位与不复位，手动状态触按此键复位气缸动作；“当前测试次数”显示周期动作的测试次数，当触按此键经过5s后可清零当前测试次数；“设定测试次数”触按此键可设定总测试次数，可设定值为1～9999999。

操作时需要注意的事项有：切换手动状态需在自动停止后方有效；切换自动状态时复位手动各动作；各动作时间设定手/自动状态均有效；复位选择手/自动状态均有效；自动停止中触按启动无效：分/合闸动作异常，触按手动复位到手动状态，触按启动复位继续自动动作。

报警显示的功能，在实际使用中非常实用，它起到警示作用。该设计的报警功能主要有：

（1）一工位计数器满：当前测试次数等于设定测试次数时显示，触按当前测试次数经过5s后复位。

（2）一工位自动停止中：自动状态触按停止时显示，当一个周期动作完成后复位。

（3）一工位分闸异常：当选择机械寿命模式，分闸动作完成，产品触点没有断开时显示，触按启动或手动复位。

（4）一工位合闸异常：当选择机械寿命模式合闸，动作完成，产品触点没有闭合时显示，触按启动或手动复位。

（6）一工位熔焊异常：当选择试验装置和漏电电流模式，X001接收到熔焊信号时显示,触按手动复位。

3.1.2.3 设置操作画面，如图6所示

图6 设置操作画面

（1）模式选择及其对应的实验接线

①机械和电寿命测试：对试品进行正常合分操作（如1000次合分操作），机械寿命无外加电压，电寿命需外加电压。选择此模式分/合闸气缸动作，如图7所示，其中X001为第一工位的通断和熔焊信号，V-为公共信号线。

图7 机械和电寿命测试模式

②试验装置测试：对试品装置试验，即样品按正常的试验线路接好，样品两端加试验电压，然后发命令给自动操作装置对样品的试验装置按钮进行试验。选择此模式合闸/试验按扭气缸动作, 复位气缸可选择动作与不动作，如图8所示。

图8 试验装置测试模式

③漏电电流测试：对试品进行500次的漏电操作循环，即对试品一极通以 的剩余动作电流进行断开操作。选择此模式合闸/试验按扭气缸动作, 复位气缸动作，如图9所示，其中KM1-交流接触器。

图9 漏电电流测试模式

（2）时间设置

对试验操作过程中的各个通电时间的整定如下：

信号输出时间: 触按此键设定完成合闸后,漏电电流输出信号动作的时间，可设定值0s～999s。

开始动作时间：触按此键设定启动延时时间,可设定值0s～999s。

分闸动作时间：触按此键设定分闸气缸伸出动作的时间，可设定值0s～999s。

分闸停止时间：触按此键设定分闸气缸缩回动作的时间，可设定值0s～199s。

合闸动作时间：触按此键设定合闸气缸伸出动作的时间，可设定值0s～999s。

合闸停止时间：触按此键设定合闸气缸缩回动作的时间，可设定值0s～999s。

试验按钮动作时间：触按此键设定试验按钮气缸伸出动作的时间，可设定值0s～999s。

试验按钮动作时间：触按此键设定试验按钮气缸缩回动作的时间，可设定值0s～999s。

其中，合闸/分闸/试验按钮气缸动作时间设置应大于0.5s，且在试验装置与漏电电流模式时，应注意试验按钮气缸和合闸气缸的碰撞，此时可将合闸停止时间设稍长一点。当接收到熔焊信号，马上停止各动作且报警，选择手动复位报警。二、三工位操作方法同一工位，不再赘述。

3.2 成品实现展示

目前，小型漏电保护开关电性能自动操作装置已形成产品，如图10所示。在实验室的实际使用过程当中，运行稳定、可靠，具有三个工作同时工作的能力，各机械手上下、前后、左右可调，适应不同大小的小型漏电保护开关产品的试验，安装方便，对各试验程序的操作次数、通电时间、断电时间均能准确控制，使得整个电性能试验的操作更加自动化，检测的数据更加真实，检测重复性更好，可信度更高，极大提高了小型漏电保护开关电性能试验的检测效率，因此，该设备具有一定的创新性。

4 结语

文中对漏电保护开关的工作原理和电性能试验的标准条款进行研究，设计并实现了一套基于PLC的小型漏电断路器机械和电寿命自动操作装置，具有三个工位同时运行的能力，操作简单、功能完善、运行稳定可靠等特点，实现自动操作代替人工操作，大大节省了人力成本，极大提高了小型漏电断路器的电机械和电寿命性能试验的检测效率，具有较广阔的应用前景。

图10 小型漏电保护开关电性能自动操作装置

[1]进网作业电工培训教材[M].辽宁科学技术出版社.

[2]国家标准GB16917.1-2003《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCBO）第1部分：一般规则》[S].

[3]龚仲华.三菱FX系列PLC应用技术[M].人民邮电出版社.

A Design and Application of Electrical Properties Device for Small Household Electrical Leakage Protection Switch

CHEN Jin-Shan
(Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality, Fuzhou 350002, Fujian, China)

With the development of society, small household electrical leakage protection switch is used more and more, it is related to the personal and equipment safety operation, therefore, the performance of detection it is very important. This paper makes research on the leakage protection switch principle of work and electric performance test standard clauses, designs and implementations a Electrical Properties Device based PLC, which has three stations at the same time running, simple operation, perfect function, stable and reliable operation, realizes automatic operation, and tests according to the conditions, saves manpower cost greatly, and improves the detection efficiency of small leakage circuit breaker mechanical and electrical life test.

Leakage protection switch; Automatic operation means; Electric life; PLC

2013-11-06

陈金汕，男，福建省产品质量检验研究院电器所，副所长，工程师