新型控制与保护开关闭合过程动态特性探究

苏金州, 许志红

(1. 福州大学, 福建 福州 350108; 2. 福建省产品质量检验研究院, 福建 福州 350002)

1 引 言

控制与保护技术在配电网络、低压电气控制系统及电动机的安全可靠运行中至关重要。传统的将多种不同功能的分立电器件组合配套以达到特定的控制与保护组合功能的措施,会产生各分立电器的保护协调配合问题,于是出现了控制与保护开关 (control and protective switching device,CPS)。KB0系列产品集成了传统的断路器(熔断器)、接触器、过载(或过流、断相)继电器、起动器、隔离器等的主要功能,是一种新型产品。其保护特性、控制动作特性能够反映电寿命、机械寿命、动作可靠性,直接影响控制系统的上下级配合。开关动态特性研究主要集中在接触器、断路器等电磁电器产品,主要采用了动态仿真、图像处理等技术手段[1～7],暂鲜有针对KB0系列CPS的动态特性研究。

本文基于单片机和高速图像处理技术,研究了一种新型控制与保护开关的动态测试方法,并针对KB0系列CPS产品开展了在空载条件下的动态特性测试与分析。

2 动态数学模型分析

KB0系列CPS主要用于交流50 Hz(60 Hz)、额定电压低于690 V、额定电流3～100 A、可调工作电流0.12～100 A的电力系统中接通、承载和分断正常条件(包括规定的过载条件)下的电流,且能够接通、承载并分断规定的非正常条件(如短路)下的电流。其结构,如图1所示。

图1 新型控保开关结构图1—静触头; 2—动触头; 3—触头支持; 4—快速短路脱扣器;5—拔杆; 6—触头弹簧; 7—壳; 8—栅片灭火室

从结构和功能上来说,KB0系列产品已不再是接触器、断路器或热继电器等单个产品,而是一套控制保护系统。其电磁系统结构是直动式的,在忽略铁芯中涡流损耗的条件下其动态特性数学模型可参考直动式交流接触器,如式(1)所示:

(1)

式中:ψ(t)为磁链;u为线圈激磁电压;R为线圈电阻;i(t)为励磁电流;Fx(t)和Ff(t)分别为电磁吸力、反力;v(t)和x(t)分别为速度和位移;m为衔铁系统的质量。初始条件为ψ(0)=0,v(0)=0,x(0)=0。

式(1)可直接用数值法求解,将时间变量t离散化,用4阶Runge-Kutta法求解。然后采用数学仿真计算便可得到线圈电压、线圈电流、吸力、反力、磁链、铁芯位移、触头位移等与时间关系曲线。但由于该新型产品的仿真初始参数较难获取以及结构相对特殊,并不大适合用已有模型和经验进行动态特性仿真计算与分析。

3 基于单片机与图像处理的测试技术

利用单片机控制技术、检测技术、通讯技术和虚拟仪器技术设计测试系统的上位机、下位机,实现对KB0新型控保开关进行动态测试。测试原理图如图2所示。

图2 测试原理图

通过单片机检测与控制技术获得动态电压、电流特性,利用高速摄影机拍摄技术及图像自动化处理技术,获得动态位移特性。

3.1 检测与控制技术

单片机控制器模块的主要功能是接收前端信号检测模块采集到的电压信号,并进行相应的数据处理,而后控制调节电源模块输出设置的电压值。其控制原理如图3所示。

图3 单片机控制原理图

设置CPS线圈的通电合闸角度后,单片机通过选相控制回路接通CPS,在接通CPS的同时启动高速摄影机及单片机AD数据采样,即可获得CPS的动态电压、电流与位移参数。单片机主体程序采用C语言编程,CPS动态测试过程中检测与控制流程如图4所示。

图4 主程序流程图

CPS在吸合状态时,单片机检测上位机或键盘是否有分断CPS的命令。如果有分断命令则通过控制模块启动控制线路控制CPS分断,并同时进行采样。采样结束后将采集到的动态参数先保存在单片机中,然后通过通信子程序把采集到的动态过程参数传送到上位PC机。

3.2 高速摄像与图像处理技术

按感光元件来分,目前市面上的高速摄像机主要可分为CCD系统和CMOS系统两大类[8～11]。CCD系统运行速度较慢,大多需要3组电源供电,耗电量较大。CMOS系统的核心是一个感光二极管,速度也比CCD快,只需使用一个电源,耗电量仅为CCD系统的1/8～1/10。本文采用感光组件是CMOS系统的高速摄影机进行CPS动态特性位移参数拍摄,系统结构如图5所示。CMOS摄像头将物体反射的光强度转换成电信号,通过高速摄影机内部A/D转换获得数字信号,然后保存在图像存储器中,或者经IEEE1394数据线接口上传到计算机进行保存和显示。

图5 数字图像采集系统

高速摄影机采集到数字图像后,采用IPP (image-pro plus)专业图像分析软件对拍摄的图像分析处理以得到位移量数据。为了精确测量CPS目标(如动铁芯、动触头)在动态过程中运动的瞬时位置,采用一些特征标志点(黑圆点)对目标进行标记,如图6所示。利用IPP的图像自动识别功能,实现图像上圆特性标志点的圆中心自动识别与精确定位,从而实现了CPS在动态过程中的位移信号识别。

图6 触头及铁芯测试标记点示意图

在拍摄CPS动态过程之前要对图像的像素进行标定,如图7所示。标定的要求是与拍摄CPS动态过程时拍摄的位置固定不变,高速摄影机的设置也不变,这样通过图像上的2个标记点即可转换为实际的尺寸。

图7 标定使用的图片

高速摄影机最快可每50 μs采样1个点,而电器动态过程一般有几十ms,图像数量非常庞大,本文借助IPP软件宏纪录、VBA宏编程功能实现对大量图像进行自动批量处理。

4 控制与保护开关电器测试与分析

4.1 空载条件下的动态测试

选用了一台型号为RDCPS[KB0]-45,额定线圈工作电压Us=380 V,额定工作电流Ie=18～45 A,额定工作电压Ue=380 V的新型控制与保护开关进行空载条件下测试,试验现场如图8所示。

利用基于单片机和图像处理技术的动态测试系统,可获取该CPS样品吸合过程铁芯和触头的动态特性曲线(合闸角度为0°),如图9所示。

由图9可知,CPS吸合过程中,动铁芯刚闭合时的运动距离为6.71 mm,稳定后为6.45 mm,与实际测量的6.50 mm基本一致;触头刚闭合的运动距离为4.68 mm,稳定后为4.72 mm,与实际测量的触头开距4.70 mm基本一致。由此说明通过软件处理后获得的CPS位移曲线，真实有效。

图8 现场调试图

图9 CPS吸合过程动态特性曲线

4.2 吸合过程动态特性分析

4.2.1 不同电压等级下的吸合动作时间分析

在线圈工作频率f=50 Hz时,取不同的工作电压U=285 V(0.75Us),323 V(0.85Us),380 V(1.0Us),418V(1.1Us)进行测试。合闸角度0°～180°,每隔15°分别测试铁芯的吸合动作时间,吸合时间与合闸角度的关系,如图10所示。

图10 不同工作电压下的吸合动作时间

由图10可见,在同一合闸相角下,随着线圈工作电压增大,吸合动作时间随之减小,而且在线圈工作电压小于0.85Us时吸合动作时间变长的速度越来越快,在大于Us时吸合动作时间变短的速度越来越快;在不同的合闸相角下,都有一个最大和最小的吸合动作时间,最大值出现在90°左右,最小值出现在10°～40°,最小值出现时刻随着工作电压的减小而往左移。

4.2.2 不同工作频率下的触动和吸动时间分析

在线圈工作电压为Us=380 V时,电压频率分别为f=50 和60 Hz的电源进行测试,合闸角度0°～180°,每隔15°分别测试铁芯触动时间、吸动时间、吸合时间与合闸角度的关系,如图11所示。

图11 不同工作频率时的吸合动作时间

由图11可见：1)电源频率50 Hz和60 Hz时两者的临界触动相角一致,在120°左右达到峰值; 0°～120°时2个频率下的触动时间基本相同,在第一个半波内都能可靠触动;120°～180°时60 Hz电源的触动时间较短,这是因为60 Hz电源的电压周期更短,而电磁机构触动所需时间也较短;2)在90°左右两者都能吸动时间达到峰值,约为一个电源周期左右; 0°～75°时50 Hz电源比60 Hz电源吸动时间短, 75°～180°时50 Hz电源比60 Hz电源吸动时间更长,这是因为50 Hz电源较早到达吸力波峰之后吸力很快又降下来,导致吸动时间更长;3)吸合时间是触动时间与吸动时间之和,由于吸动时间比触动时间大得多,因此,在2种不同的频率下吸合时间随相角变化规律与吸动时间随相角变化规律一致。

4.2.3 闭合过程触头弹跳的特性分析

电磁电器的机械寿命主要取决于铁芯的碰撞能量,铁芯碰撞速度越快,碰撞能量越大,从而可能会引起触头的弹跳。触头弹跳是影响电寿命的重要因素,而且当铁心撞击能量太大时,还可能会导致触头发生二次弹跳,导致触头分断形成的电弧对触头磨损较大。因此,对新型控保开关闭合过程触头弹跳进行特性测试与分析。在线圈工作电压为Us=380 V,工作频率50 Hz时,合闸角度0°～180°间,每隔15°分别测试铁芯末速度、触头末速度、触头弹跳时间、触头一次弹跳次数、触头二次弹跳次数。与弹跳相关的每个特征值在相同测试条件下经3次测试,取平均值如表1所示。

表1 弹跳分析特征值测试表

由表1可见：1)触头末速度比铁芯末速度数值差一个数量级;铁芯末速度在合闸角度为60°左右最小,在105°左右最大,在120°之后趋于稳定;触头末速度变化没有铁芯那么激烈,在75°和150°左右达到最大值,在0°和180°左右达到最小值;2)在闭合过程中产生了触头弹跳,但弹跳时间曲线没有明显的函数曲线规律,有3个波谷,且在30°和90°左右达到最小值,此时不是铁芯末速度和触头末速度最大时刻,而是两者速度相对适中的时刻,此时刚好也是吸合时间随合闸相角变化的极值点;在0°和180°左右达到最大值,此时铁芯末速度和触头末速度基本上达到最小;3)没有发现触头二次弹跳现象,一次弹跳在3次之内,且弹跳次数与弹跳时间的变化趋势相同。

综上所述,这些测试结果可能是由于这种新型控制与保护开关结构的特殊性造成的。其铁芯系统与触头系统的运动连锁机构不是直接的刚性连接,中间有一个运动拔杆,当铁芯系统运动到一定位置后,由拔杆触发触头支持件,使动触头运动直到与静触头闭合。这样,使得铁芯系统的碰撞对触头闭合过程造成弹跳的影响大大减弱,消除了二次弹跳,避免实际工作过程中触头二次弹跳造成的电弧分断又重燃现象。因此,此种产品结构一定程度上改善和提升了铁芯和触头的末速度、动作时间、触头弹跳等动态特性。

5 结 论

本文基于单片机与图像处理技术,对KB0系列的新型控制与保护开关闭合过程的动态特性进行测试与分析1) 将高速摄像和图像处理技术应用在新型控制与保护开关的铁芯位移、触头位移测试是可行的,解决了非接触测试问题。2) 不同工作电压下和不同工作频率下的动作时间随合闸角度的变化曲线规律是一致的。3) 虽然铁芯系统与触头系统的运动连锁机构不是直接的刚性连接,消除了触头二次弹跳。但是一次弹跳还是存在的。4) 可初步得出该新型控制与保护开关的最佳合闸相角在30°左右。KB0系列CPS作为一种新型的控制与保护开关电器,具有广阔的发展前景。因此,在现有研究的基础上还可以继续开展带载条件下的闭合过程动态特性测试与分析。

[参考文献]

[1] 林抒毅,许志红.交流接触器三维动态过程数值计算与分析[J].中国电机工程学报,2014,34(18), 2967-2975.

[2] 陈弘,陈德为.基于LabVIEW的转动式交流接触器动态特性测试装置的研究[J].电气开关,2010, 48 (1) :37-39.

[3] 刘向军,许雄,兰太寿.电磁机构三维动态特性测试及数据处理与分析[J].仪器仪表学报,2014, 35 (10) :2208-2215.

[4] 顾建青,唐文献,谢心意.框架式断路器机构系统动态仿真与试验研究[J].低压电器,2006, (1) :16-19.

[5] 陈德为,张培铭.基于高速摄像机的智能交流接触器动态测试与分析技术[J].仪器仪表学报,2010, 31(4) :878-884.

[6] 鲍光海,张培铭.电器动态特性测试系统图像处理技术研究[J].郑州大学学报(工学版),2011, 32 (4) :72-75.

[7] 陈聪,郭其一,黄世泽,等.控制与保护开关电磁系统动态仿真研究[J].低压电器,2013, (21) :27-30.

[8] 王波 ,钮赛赛.一种基于图像处理的万能工具显微镜测量新方法[J].计量学报,2011,32 (5) :419-423.

[9] 贾伟广, 吉建华 , 马志刚, 等. 基于数字图像处理的高精度海洋潮位计量检测技术[J]. 计量学报, 2015 , 36 (5):513-516.

[10] 王卫东, 翟超 , 陈柯. 机床主轴回转精度的CCD测量系统[J].计量学报, 2006 , 27 (1) :18-21.

[11] 杨国标, 王东方, 朱启荣. 双CCD数字图像相关测量系统精度影响因素的综合分析[J]. 计量学报, 2006, 27(z1):142-145.