塑料殼體式斷路器瞬動(dòng)保護(hù)可靠性試驗(yàn)研究

1塑殼大學(xué)《注塑殼路由可靠性試驗(yàn)方法》低壓電器通常是指具有開關(guān)、控制、保護(hù)、檢測(cè)、顯示和報(bào)警功能的設(shè)備。斷路器是低壓電器中的重要設(shè)備,用于低壓配電回路、電動(dòng)機(jī)或其他用電設(shè)備中,負(fù)責(zé)接通、承載以及分?jǐn)嗾l件或非正常條件(如短路)下的電流。隨著對(duì)塑殼斷路器需求數(shù)量的增長(zhǎng),對(duì)其性能、質(zhì)量提出新要求,其可靠性的影響也越來越大。為了考核與評(píng)價(jià)塑殼斷路器的可靠性,要對(duì)塑殼斷路器的機(jī)械操作、瞬動(dòng)保護(hù)和過載保護(hù)進(jìn)行考核。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10711—2007《塑料外殼式斷路器可靠性試驗(yàn)方法》中,采用操作失效率、瞬動(dòng)保護(hù)成功率和過載保護(hù)成功率作為塑殼斷路器的可靠性特征量。在標(biāo)準(zhǔn)中分別將操作失效率等級(jí)、瞬動(dòng)保護(hù)成功率等級(jí)和過載保護(hù)成功率等級(jí)作為其可靠性指標(biāo)。本文在對(duì)塑殼斷路器可靠性分析的基礎(chǔ)上,研制出塑殼斷路器可靠性試驗(yàn)裝置,該試驗(yàn)裝置是基于Windows系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,試驗(yàn)方便,既可以進(jìn)行可靠性試驗(yàn),也可以作為塑殼斷路器的性能試驗(yàn)設(shè)備。2驗(yàn)證試驗(yàn)抽樣方案考核塑殼斷路器可靠性的指標(biāo)是操作失效率、瞬動(dòng)保護(hù)成功率和過載保護(hù)成功率,因此需要根據(jù)失效率和成功率的可靠性理論確定試驗(yàn)方案。根據(jù)圖1可以確定失效率的抽樣方案。由圖1可知式中,λ0為合格失效率水平;λ1為批失效率容限;α為生產(chǎn)者風(fēng)險(xiǎn)率;β為使用者風(fēng)險(xiǎn)率。在失效率等級(jí)中規(guī)定了該等級(jí)下最大失效率,因此驗(yàn)證試驗(yàn)方案必須保證試驗(yàn)成功的產(chǎn)品失效率低于該等級(jí)下的最大失效率。同時(shí)抽樣方案必須滿足一定的置信度,失效率的驗(yàn)證試驗(yàn)方案可由下式確定式中,1-β為置信度,一般取0.9;λmax為失效率等級(jí)中的最大失效率;Ac為合格判定數(shù);T為總試驗(yàn)次數(shù)。根據(jù)圖2可以確定成功率的抽樣方案。由圖2可知式中,R0為可接受的成功率;R1為不可接受的成功率;α、β同式(1)。在成功率等級(jí)確定時(shí),是要保證產(chǎn)品的最小成功率不低于一定的值,成功率等級(jí)驗(yàn)證試驗(yàn)方案可以由式(4)確定式中,1-β為置信度,一般取0.9;Rmin為成功率等級(jí)中的最小成功率;Ac為合格判定數(shù);n為總試品數(shù)或總試驗(yàn)次數(shù)。根據(jù)式(2)和式(4)可以確定出塑殼斷路器的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)抽樣方案,操作失效率驗(yàn)證試驗(yàn)抽樣方案、瞬動(dòng)保護(hù)成功率驗(yàn)證試驗(yàn)抽樣方案和過載保護(hù)成功率驗(yàn)證試驗(yàn)抽樣方案如表1～表3所示。需要指出的是,在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中瞬動(dòng)保護(hù)成功率和過載保護(hù)成功率采用了“不可接受成功率”的概念,筆者認(rèn)為,采用“最小成功率”作為其指標(biāo)更恰當(dāng)。雖然不影響試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果,但物理意義更明確,也符合可靠性考核目的。即塑殼斷路器的瞬動(dòng)保護(hù)可靠性和過載保護(hù)可靠性達(dá)到某個(gè)等級(jí)時(shí),其成功率大于最小成功率。3試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析溫度對(duì)塑殼斷路器的操作可靠性與瞬動(dòng)保護(hù)可靠性影響較小,可以在室溫下進(jìn)行這兩個(gè)試驗(yàn)。過載保護(hù)可靠性受溫度影響較大,要采用標(biāo)準(zhǔn)的溫度條件,即周圍空氣基準(zhǔn)溫度為30℃±2℃。在操作可靠性試驗(yàn)中,塑殼斷路器的機(jī)構(gòu)受到操作循環(huán)應(yīng)力的影響,因此進(jìn)行操作可靠性試驗(yàn)時(shí),每小時(shí)的操作循環(huán)次數(shù)規(guī)定為120次,在每個(gè)操作循環(huán)期間,斷路器應(yīng)保持閉合足夠的時(shí)間,但不超過2s。進(jìn)行塑殼斷路器的瞬動(dòng)保護(hù)可靠性試驗(yàn)時(shí),電網(wǎng)電壓波動(dòng)、試品內(nèi)阻大小不一致、試驗(yàn)回路電阻的變化及合閘相角不同都影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。特別是合閘相角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響最大。當(dāng)隨機(jī)地施加交流電壓時(shí),通過塑殼斷路器的電流瞬時(shí)值為式中,Z為回路阻抗;為功率因數(shù)角;T為電路時(shí)間常數(shù)。由此可見,當(dāng)回路為感性負(fù)載時(shí),電感量越大,時(shí)間常數(shù)越大,非周期分量衰減得越慢。當(dāng)Ψ-=π/2時(shí),非周期分量最大。因此,實(shí)際電流的峰值可能比穩(wěn)態(tài)電流峰值高出近1倍,嚴(yán)重影響了瞬動(dòng)保護(hù)可靠性的試驗(yàn)。當(dāng)穩(wěn)態(tài)電流為整定電流的80%,塑殼斷路器的瞬動(dòng)脫扣器不應(yīng)脫扣,由于非周期分量的影響,實(shí)際加的試驗(yàn)電流可能為整定電流的160%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過整定電流的120%,使瞬動(dòng)脫扣器脫扣,使本應(yīng)合格的產(chǎn)品誤判為不合格;另一方面,如果產(chǎn)品不合格,在整定電流的120%時(shí)瞬動(dòng)脫扣器不脫扣,由于非周期分量的原因,瞬動(dòng)脫扣器脫扣,使本應(yīng)不合格的產(chǎn)品誤判為合格。為了解決這個(gè)問題,需要采用選相合閘技術(shù),使Ψ-=0,消除非周期分量,提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。過載保護(hù)可靠性是在基準(zhǔn)溫度下進(jìn)行的,即斷路器從冷態(tài)開始,在約定不脫扣電流時(shí),斷開脫扣器的各相同時(shí)通電,在小于約定時(shí)間的時(shí)間內(nèi)不應(yīng)發(fā)生脫扣。在約定時(shí)間結(jié)束后,立即使電流上升至電流整定值的1.3倍,即達(dá)到約定脫扣電流,斷路器應(yīng)在小于規(guī)定的約定時(shí)間內(nèi)脫扣。根據(jù)塑殼斷路器過載保護(hù)要求的特點(diǎn),將塑殼斷路器的過載保護(hù)試驗(yàn)分為三類。(1)冷態(tài)試驗(yàn)即從冷態(tài)下開始進(jìn)行塑殼斷路器的過載特性試驗(yàn)。(2)熱態(tài)試驗(yàn)即從熱態(tài)下開始進(jìn)行塑殼斷路器的過載特性試驗(yàn)。(3)可返回試驗(yàn)即對(duì)塑殼斷路器的可返回特性進(jìn)行試驗(yàn)。4塑料薄膜裝置的可靠性試驗(yàn)安裝4.1操作可靠性試驗(yàn)塑殼斷路器的可靠性試驗(yàn)包括三部分,因此試驗(yàn)裝置也包括了三部分。操作可靠性試驗(yàn)中,計(jì)算機(jī)控制塑殼斷路器進(jìn)行合分閘,在塑殼斷路器的主觸頭回路施加24V×1A的負(fù)載,并監(jiān)測(cè)主觸頭上的壓降,根據(jù)壓降的大小判斷斷路器的接觸狀態(tài)。4.2瞬動(dòng)保護(hù)可靠性試驗(yàn)方法塑殼斷路器瞬動(dòng)特性調(diào)試裝置的硬件電路包括主回路及計(jì)算機(jī)控制與檢測(cè)電路兩大部分。主回路提供塑殼斷路器瞬動(dòng)特性試驗(yàn)的電流。計(jì)算機(jī)控制與檢測(cè)部分主要完成試驗(yàn)時(shí)序控制、試驗(yàn)參數(shù)檢測(cè)、試驗(yàn)波形與數(shù)值的顯示、接收用戶的參數(shù)設(shè)定、試品合格狀態(tài)判定與存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理等功能。瞬動(dòng)保護(hù)可靠性試驗(yàn)裝置電路圖如圖3所示。塑殼斷路器的額定電流IN為6～225A時(shí),需要檢測(cè)的電流為6～3240A,因此檢測(cè)范圍非常大。為了提高檢測(cè)精度,檢流電阻R1分為四檔,根據(jù)試品的額定電流,將試品連接到相應(yīng)的檔位上。平衡電阻R2的作用是使電動(dòng)調(diào)壓器TC1工作在高壓區(qū),以提高調(diào)節(jié)的相對(duì)精度。平衡電阻RB對(duì)應(yīng)檢流電阻RM也被分為四檔,檢測(cè)參數(shù)如表4所示。4.4試驗(yàn)結(jié)果信息讀取塑殼斷路器的可靠性試驗(yàn)程序主要包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存取、參數(shù)設(shè)置和試驗(yàn)運(yùn)行四個(gè)模塊。數(shù)據(jù)顯示功能主要用來試驗(yàn)結(jié)果的查看,用戶能隨時(shí)了解每臺(tái)試品的試驗(yàn)情況。數(shù)據(jù)存取模塊可以將試驗(yàn)結(jié)果另保存為其他文件,以便用戶長(zhǎng)期保存試驗(yàn)結(jié)果。在進(jìn)行新的試驗(yàn)時(shí),也需要將原來的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。原來的數(shù)據(jù)文件也可以裝入計(jì)算機(jī),進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查看或打印。4.3試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置在過載保護(hù)可靠性試驗(yàn)裝置中有兩套電源,電流輸出為0～250A和0～750A。在試驗(yàn)中,進(jìn)行1.3Ie試驗(yàn)時(shí),需要在熱態(tài)下進(jìn)行,即先做1.05Ie的試驗(yàn),試品不動(dòng)作,緊接著通1.3Ie試驗(yàn)電流進(jìn)行試驗(yàn)。采用雙電源后,可以縮短不同試驗(yàn)電流間的轉(zhuǎn)換時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間,提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。同時(shí),還可以進(jìn)行3.0Ie的可返回特性試驗(yàn)。如果采用單電源則無法進(jìn)行塑殼斷路器的可返回特性試驗(yàn)。塑殼斷路器動(dòng)作后,試驗(yàn)電流回路也斷開,因此一般情況下一套試驗(yàn)電源只能進(jìn)行一臺(tái)試品的試驗(yàn)。而過載特性的試驗(yàn)需要2～4h,在多臺(tái)試品的試驗(yàn)中,需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。為加快試驗(yàn)速度,獲得較多可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了可以進(jìn)行多臺(tái)試品的試驗(yàn)方法,即多臺(tái)試品串聯(lián)連接后,同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)其中一臺(tái)或多臺(tái)試品動(dòng)作后,電路自動(dòng)轉(zhuǎn)接平衡回路繼續(xù)進(jìn)行其他試品的試驗(yàn)。平衡回路阻抗和試品的內(nèi)阻相近,并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)流,因此試驗(yàn)電流變化很小,變化的時(shí)間也很短。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電路可以同時(shí)進(jìn)行三臺(tái)試品的試驗(yàn),也可擴(kuò)展為三臺(tái)以上,并成功解決了試品不在相同時(shí)刻動(dòng)作引起的試驗(yàn)電流中斷和變化等因素產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。過載保護(hù)可靠性試驗(yàn)裝置電路圖如圖4所示。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊主要用來修改和設(shè)置試驗(yàn)參數(shù),用戶根據(jù)不同試品的試驗(yàn)參數(shù),進(jìn)行修改和設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)。圖5是過載保護(hù)可靠性試驗(yàn)中循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的界面,圖6是過載保護(hù)可靠性試驗(yàn)中過程試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置操作界面。試驗(yàn)運(yùn)行是軟件的關(guān)鍵部分,負(fù)責(zé)控制整個(gè)試驗(yàn)的進(jìn)行以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),主要包括了單次試驗(yàn)運(yùn)行模塊、循環(huán)試驗(yàn)運(yùn)行模塊和調(diào)/穩(wěn)流控制模塊。5瞬動(dòng)保護(hù)可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)本文對(duì)塑殼斷路器的可靠性進(jìn)行了研究,并研制出了可靠性試驗(yàn)裝置。主要取得以下成果:(1)分析了塑殼斷路器操作可靠性、瞬動(dòng)保護(hù)可靠性和過載保護(hù)可靠性的指標(biāo),并對(duì)失效率和成功率的抽樣方案進(jìn)行分析。(2)分析了非周期分量對(duì)瞬動(dòng)保護(hù)可靠性試驗(yàn)的影響,通過采用選相合閘技術(shù)可以消除試驗(yàn)電流的非周期分量。(3)對(duì)塑殼斷路器的過載保護(hù)試驗(yàn)進(jìn)行了分類,便于試驗(yàn)的進(jìn)行。(4)設(shè)計(jì)了塑殼斷路器操作可靠性、瞬動(dòng)保護(hù)可靠性和過載保護(hù)可靠性試驗(yàn)硬件。在操作可靠性試驗(yàn)裝置中,設(shè)計(jì)了主觸頭壓降監(jiān)測(cè)電