基于LabVIEW的塑壳断路器智能脱扣器检测系统

刘清清，徐惠钢，谢 启，杨云飞

(1.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州 221008；2.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500)

0 引言

近年来，我国智能电网迅猛发展，塑壳断路器需求量不断增加[1]。为保证塑壳断路器使用过程中的质量，产品检测至关重要。作为重要的生产工序，产品检测主要分为整机组装前电子部件(智能脱扣器)的检测和出厂前整机功能的检测两个重要环节。塑壳断路器有着产品量大面广、规格型号繁多、需要测试的性能指标多、技术更新快、标准变化快等特点，传统检测设备功能单一、测试效率低、人工依赖大、信息化程度低，已不能满足现有产品的检测需求。

本文设计了一种以LabVIEW为软件控制平台，通过电量测量以及同步技术、大电流发生技术、系统柔性化技术等实现对塑壳断路器智能脱扣器过载长延时保护、短延时(堵转)保护、瞬动保护、不平衡保护、断相保护、接地保护、N相保护等功能的检测。试验证明，该系统运行稳定，满足产品检测要求。

1 系统整体原理结构设计

系统整体结构框图如图1所示。本系统采用PCI数据采集卡，利用其数据采集能力，实现对系统电路各项电量的监测；利用其数字I/O和模拟I/O，实现系统多工位同步测量以及对部分检测功能的控制。工控机通过RS-232转RS-485转接口和待测产品实时通信，并实现对待测产品运行参数的设置和读取。系统所有测量结果都可以选择汇总、显示、保存、打印并生成Excel报表文档。

图1 系统整体结构框图

2 系统硬件设计

系统主要由工控机、步进调压器组、高精度低噪声数据采集卡、接触器、互感器、传感器等组成。工控机通过数据采集卡获取电路中的不同电量信号，控制步进调压器组，以及多档位自耦变压器实现大电流的产生，并利用自耦变压器的不同档位，实现大电流多个等级的切换，满足不同的测试要求。

2.1 数据采集模块

选用PCI-6229、PCI-6509和PCI-6602数据采集卡，是整个检测系统的核心部件，具有数字量I/O口以及模拟量I/O口，可以用来控制系统的运行。搭配高精度传感器和互感器，数据采集卡直接和工控机通过PCI数据总线进行实时数据交换，数据采集速度快，精度高，可靠性好。

2.2 多工位同步技术

针对传统检测装置效率低下的问题，本检测系统采用五工位同步并行检测的工作模式。对于塑壳断路器电子部件(智能脱扣器)A、B、C、N相输入信号由电流变换器接入、且接口电路特殊等难点，设计了一种隔离型阵列式测试信号发生装置为五工位提供激励信号源，隔离型阵列式测试信号发生装置原理图如图2所示。

图2 隔离型阵列式测试信号发生装置原理图

该装置主要由线性校准电路、多电平逆变器电容电压平衡电路、电流源电路和高精度电流变换器阵列四部分组成。电流变换器阵列是由20个高精度电流互感器及外围电路组成的4×5阵列，能够模拟实际电流变换器的输出信号，通过线性补偿实现了在有效工作范围内的线性输出并满足了精度要求。5工位共20路并行输入信号相互隔离且不共地，输出信号幅度、相位、频率调节范围满足测试需求。隔离型阵列式测试信号源由工控机控制，在外加三相激励信号作用下实现调幅、调相、调频、断相、不平衡等输出要求，完成对塑壳断路器断相、不平衡等保护功能的测试。

2.3 大电流产生模块

瞬时保护检测是塑壳断路器合格检测的一项重要功能测试，检测过程中需要系统提供几kA的电流，传统大电流发生器控制效率低、电流输出稳定性差，导致检测结果误差过大，影响对产品的检测。本系统在传统粗、细调压器大电流发生技术的基础上，在调压器的输出端串联补偿微调变压器装置，采用瞬时型电量传感器对系统产生的大电流信号进行同步采集、跟踪并实时控制粗、细调压器的调节。

系统调节电流时，由粗调调压器TD先对电流进行调节，当电流精度达到电流设定值3%左右时，启动细调调压器TDW。微调调压器TDW由于其基准点在调压器中心点，所以当碳刷在调压器基准点上下调节时，可以有效对粗调调压器进行修正[2]，最终达到±0.5%的精度要求。并且粗、细调压器组由步进电机驱动，响应快，稳定性好，从而进一步提高电流调节的精度。

自耦变压器T1输出端有6个档位，用来拓展电流的输出范围。与传统电流边测量边调节的调节方式不同，本系统利用自耦变压器在低档位时，调压器电流相对较小，调压器调节速度快的特点，待电流调节到低档位的相应值时，通过接触器KM2-KM7切换到高档位，从而达到相应高档位的电流等级。试验结果表明，电流调节速度快，精度高，满足测试实验要求。大电流产生原理图如图3所示。

图3 大电流产生原理图

3 系统软件设计

上位机采用可视化图形编辑软件LabVIEW为软件处理平台，利用其数据处理与报表生成方面的优势[3]，依托工业计算机，同时采用柔性化技术，改善检测系统拓展性，最终实现对塑壳断路器多种保护功能的检测。系统检测软件流程图如图4所示。

图4 系统检测软件流程图

专用测试系统针对性强，适用性差；通用测试系统为保证多种型号产品功能的测量，相应增加了代码的冗余；柔性测试系统克服两者缺点，继承两者的优点，既满足适用性和通用性的需求，还达到经济性的要求。考虑同类塑壳断路器产品型号、规格、产品性能等的复杂性，软件通过采用模块化思想实现不同功能的测量[4]。根据不同产品规格的测试项目要求，建立相应的检测模块。产品检测时，可以根据不同的产品规格和产品检测要求选择相应的检测模块，避免了系统在检测时的重复调用。而且在产品测试功能拓展时，只需要对新增加的项目编辑相应的检测模块，供系统后期的调用。通过这种模块化设计方法，减少了系统程序的冗余，提高了产品检测效率，改善了系统的拓展性[5]，实现了检测系统软件的柔性化设计。软件检测模块选择如图5所示。

图5 检测模块选择

4 实验验证

检测系统功能检测中，电流的精度及其稳定性至关重要。表1是电流的具体测量结果，图6是5次实测电流的精度图，图7表示的是5次电流调节所用时间。由图6可以看出，电流调节整体精度在±0.5%以内，尤其在小于1 000 A时，精度可以有效控制在±0.3%以内，整体电流精度达到检测精度要求。由图7可以看出，系统电流调节时间可以有效控制在5 s以内，满足检测需求。

表1 检测电流调节时间及其实测值

5 结束语

本文设计了一种基于LabVIEW的塑壳断路器电子部件检测系统。主要包括数据采集模块、大电流产生模块、柔性化设计等。本系统解决了系统维护成本高、可拓展性差、应用范围受限等问题，提高了系统检测的灵活性和拓展性。经实际试验检测表明，系统实现了所有的检测需求，满足设计精度要求，检测效率是原来人工检测的10倍。