智能心電圖負(fù)荷開關(guān)實負(fù)荷試驗研究

智能心電圖負(fù)荷開關(guān)實負(fù)荷試驗研究

0靜態(tài)接觸電阻的特性隨著中國智能電網(wǎng)建設(shè)的加快，單個智能電能表在全國范圍內(nèi)得到普及。大部分智能電能表使用磁保持繼電器作為負(fù)荷開關(guān),實現(xiàn)售電過程中的“欠費拉閘”功能。在供電計量部門對電能表做全性能檢定時,必須對負(fù)荷開關(guān)進行檢測。傳統(tǒng)的檢測方法采用繼電器測試卡加萬用表測量,效率低、易出錯而且檢測結(jié)果具有各種隨機性、人為性［1－2］。接觸系統(tǒng)失效是造成磁保持繼電器故障的最主要的模式,約占總故障數(shù)的80%以上。影響接觸系統(tǒng)可靠性的因素雖然很多,由電弧或火花放電等原因引起的電弧侵蝕是觸點侵蝕的主要形式［3］。靜態(tài)接觸電阻作為衡量繼電器接觸性能的主要參數(shù),在一定程度上反映了電磁繼電器可靠性的高低［4］。并且,電能表用磁保持繼電器與一般磁保持繼電器的最大區(qū)別就體現(xiàn)在接觸電阻,在一般情況下,60A電能表用磁保持繼電器要求接觸電阻小于2mΩ［5］。因此,可通過對靜態(tài)接觸電阻的變化規(guī)律的研究分析其對電磁繼電器接觸系統(tǒng)可靠性的影響。文獻討論了影響接觸電阻的若干因素,包括觸點材料、形狀,觸點表面條件,觸點壓力等。文獻分析了接觸電阻的組成并提出了收縮電阻的概念,推導(dǎo)出收縮電阻的測量方法,進而探討采用測量收縮電阻值來確定電壽命性能指標(biāo)的方法。文獻利用動態(tài)接觸電阻測量系統(tǒng)測量觸點閉合過程的接觸壓降進而提出了動態(tài)接觸電阻的概念,分析了繼電器接觸失效與接觸電阻之間的關(guān)系,對繼電器觸點進行失效預(yù)測。文獻研究了接觸電阻的時變規(guī)律并進行了短期預(yù)測,進而對因接觸不良導(dǎo)致的接觸故障進行預(yù)測。上述研究的局限在于,研究內(nèi)容大多為定性而不是定量研究,并且通常在較小的直流負(fù)荷下進行測試,與智能電表中負(fù)荷開關(guān)的實際工作條件存在差異,實驗結(jié)果有待進一步驗證。本文利用自行研制的電能表負(fù)荷開關(guān)試驗裝置系統(tǒng),在實負(fù)荷條件下對負(fù)荷開關(guān)接觸電阻、開關(guān)閉合產(chǎn)生的電弧能等之間關(guān)系進行了研究和分析。1收縮電阻rs電流通過兩金屬導(dǎo)體時,電接觸處存在附加電阻,稱之為接觸電阻R。由于金屬表面粗糙不平的,在表面接觸時,只有少數(shù)凸出的點或者小面發(fā)生了真正的接觸。當(dāng)電流通過這些很小的導(dǎo)電斑點(半徑為a)時,電流線會發(fā)生圖1所示收縮現(xiàn)象,造成流過導(dǎo)電斑點附近的電流路徑增長,有效導(dǎo)電截面減小,形成的附加電阻稱為收縮電阻Rs。Holm［10］認(rèn)為導(dǎo)電斑點的收縮電阻可以表示為:式中ρ為接觸金屬的電阻率;ai為第i個導(dǎo)電斑點的半徑,n為接觸面內(nèi)的導(dǎo)電斑點的個數(shù)。另一方面,由于金屬表面有膜的存在,如果實際接觸面之間的薄膜能導(dǎo)電,則當(dāng)電流通過薄膜時將會受到一定的阻礙而有另外的附加電阻,稱為膜電阻Rb。接觸電阻R在物理本質(zhì)上是收縮電阻Rs和膜電阻Rb之和,即:接觸電阻值的大小與觸點的材料、表面粗糙度、接觸形式、表面膜情況、接觸力、電流大小、通電時間等有關(guān)。由于實際中有關(guān)導(dǎo)電接觸斑點和表面膜的參數(shù)很難確定,因此,接觸電阻的研究大多采用試驗方法進行研究。2關(guān)試驗系統(tǒng)簡介目前國內(nèi)的電能表檢定裝置對電能表進行負(fù)荷開關(guān)試驗,都是在較小的交直流負(fù)荷下進行的。根據(jù)智能電表負(fù)荷開關(guān)工作特性,研制了一套智能電表交流實負(fù)荷開關(guān)試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由計算機、控制單元、通道切換單元、參數(shù)測試單元、波形監(jiān)測單元、負(fù)載單元組成。系統(tǒng)功能如下:(1)可完成單相或三相智能電能表負(fù)荷開關(guān)壽命測試;(2)采用多檔位實負(fù)載,程控切換方式進行電能表負(fù)荷開關(guān)實負(fù)荷通斷測試。負(fù)載功率因數(shù),負(fù)載電流均可在一定范圍內(nèi)任意設(shè)置;(3)實負(fù)荷測試條件下負(fù)荷開關(guān)通斷瞬態(tài)壓降、電流波形監(jiān)測;(4)測試數(shù)據(jù)實時監(jiān)測,研究電能表負(fù)荷開關(guān)通斷性能,分析負(fù)荷開關(guān)特性參數(shù)。2.1負(fù)載模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計智能電表負(fù)荷開關(guān)試驗裝置如圖2(a)所示,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2(b)所示。該測試裝置由計算機上位機軟件系統(tǒng)控制裝置進行各項試驗,同時接收測試數(shù)據(jù)。計算機與控制單元、參數(shù)測試單元均采用RS232通訊方式,與波形測試單元采用USB通訊方式。軟件系統(tǒng)接收參數(shù)測試單元、波形測量單元測試數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行綜合分析,得出電能表負(fù)荷開關(guān)特性參數(shù),預(yù)估電能表負(fù)荷開關(guān)壽命。軟件系統(tǒng)同時也完成對控制單元下發(fā)指令,控制電能表負(fù)荷開關(guān)通斷、參數(shù)測試單元測試通道切換、負(fù)載檔位切換、輸出啟停等?？刂茊卧邮哲浖到y(tǒng)控制指令,控制單元根據(jù)軟件系統(tǒng)下發(fā)的指令,控制通道切換單元切換測量通道、控制負(fù)載檔位切換,讀取電能表通訊數(shù)據(jù)及負(fù)載電壓、電流、功率因數(shù)測量數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至軟件系統(tǒng)?？刂茊卧捎肧TM32微控制器,ARM內(nèi)核,高速、可靠。RS485通訊1~3用于表位電能表通訊,RS485通訊4與負(fù)載測量模塊通訊,獲取負(fù)載電壓、電流和功率因數(shù)數(shù)據(jù)。參數(shù)測試通道切換控制用于表位負(fù)荷開關(guān)參數(shù)測量回路切換,負(fù)載檔位切換控制用于切換負(fù)載電流、功率因數(shù)檔位。RS232通訊采用光隔離方式與計算機連接,以保證系統(tǒng)安全運行。負(fù)載主要由電阻、電感、電容、繼電器等元件組成,電阻、電阻加電感、電阻加電容分別構(gòu)成純阻性、感性、容性負(fù)載,每種負(fù)載均有5個電流檔位。負(fù)載原理圖如圖3所示。2.2上位機軟件設(shè)計智能電表負(fù)荷開關(guān)測試系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計包括下位機軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計兩部分。下位機軟件設(shè)計主要采用C語言對控制單元、通道切換單元及波形監(jiān)測單元的ARM主控器進行編程。其主要功能是將上位機設(shè)置的試驗條件通過CAN總線傳輸至通道切換單元,同時在試驗進行過程中負(fù)責(zé)同步各單元執(zhí)行線圈加電和斷電、動態(tài)波形采集等操作,并將所有采集的波形數(shù)據(jù)通過串口統(tǒng)一發(fā)送至上位機。本系統(tǒng)上位機軟件基于WindowsXP/Window7操作系統(tǒng)平臺,采用.NetFramework4.0開發(fā)環(huán)境,應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)編寫。軟件主要完成試驗條件設(shè)置、動態(tài)波形采集、數(shù)據(jù)分析等功能,軟件功能流程框圖如圖4所示。數(shù)據(jù)分析時,由動態(tài)電壓電流波形的數(shù)據(jù)計算負(fù)荷開關(guān)斷開閉合時所產(chǎn)生的電弧能量,計算交流電弧能量的基本公式為:式中uh為電弧電壓;ih為電弧電流;tr為燃弧時間。負(fù)荷開關(guān)觸點的靜態(tài)接觸電阻可由負(fù)荷開關(guān)閉合時的動態(tài)電壓電流波形,根據(jù)伏安法計算:式中uc、為電壓電流瞬時值,tc為動態(tài)波形采集時間。2.3試驗條件本測試采用的試驗樣品為單相智能電表,實驗條件和電表規(guī)格見表1~表2。3試驗結(jié)果及分析3.1觸頭閉合試驗圖5所示為觸點分合電壓電流典型波形曲線。在觸頭分?jǐn)噙^程中,電弧出現(xiàn)于觸頭剛分離時觸點間距極小的時刻,隨著觸頭距離的增加,電場強度減弱,電弧燃燒過程中伴隨著電離進行的同時也存在著消電離的作用,當(dāng)消電離的速度大于電離速度時,電弧逐漸熄滅。如圖5(a)所示,電弧現(xiàn)象明顯。相比之下,圖5(b)所示觸頭閉合過程中電弧出現(xiàn)于觸頭閉合后,而電弧的產(chǎn)生由觸頭彈跳引起。由于磁保持繼電器中永久磁鋼的吸力較大,造成動靜觸點間沒有明顯的彈跳現(xiàn)象,從而導(dǎo)致觸頭閉合過程的電弧現(xiàn)象不明顯。圖6(a)所示為觸頭斷開和閉合時的電弧能量隨試驗次數(shù)變化規(guī)律。由于前述的磁保持繼電器的動靜觸點特性,觸點的電弧能量主要來源于觸頭分?jǐn)嗥陂g,分?jǐn)嗥陂g產(chǎn)生的電弧能量比閉合時高出一個數(shù)量級以上,且觸頭分合時的電弧能量在一定范圍內(nèi)波動。文獻[11-12]討論了影響觸頭電弧的若干因素,包括觸頭分合時的電壓相角,觸頭的分?jǐn)嗨俣鹊取ｋm然在單次觸頭分合時影響觸頭電弧的因素較為復(fù)雜,但由于試驗中觸頭分合時機選擇的隨機性,導(dǎo)致了在統(tǒng)計規(guī)律上累積電弧能量近似于隨試驗次數(shù)線性變化的關(guān)系,如圖6(b)累積觸點電弧能量與試驗次數(shù)關(guān)系圖所示。3.2繼電器觸頭失效形式圖7所示為使用式(4)得出的接觸電阻與試驗次數(shù)的關(guān)系。從圖6可以看出:負(fù)荷開關(guān)開始測試時接觸電阻較低。隨著測試過程的進行,接觸電阻具有緩慢的增加趨勢;整個測試期間數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)異點。異點可能是觸頭污染等偶然失效因素引起的,也可能是數(shù)據(jù)采集時引入的虛假數(shù)據(jù)。接觸電阻的變化趨勢可以反映出繼電器觸頭隨著開合動作的進行,接觸面表層不斷發(fā)生電弧侵蝕致使表面情況不斷惡化的過程。為了使得擬合結(jié)果反映出觸頭的偶然接觸因素,沒有對實驗數(shù)據(jù)中的異點進行平滑處理。如前所述,繼電器觸頭的主要失效形式是由電弧侵蝕和材料轉(zhuǎn)移引起的接觸失效。電弧對觸點的侵蝕主要有蒸發(fā)汽化侵蝕和噴濺侵蝕兩種形式。在小電流情況下主要以蒸發(fā)汽化為主,隨著電流的增大,噴濺侵蝕則起主導(dǎo)作用,二者的臨界電流為8A左右。繼電器觸頭失效形式本質(zhì)上是材料轉(zhuǎn)移導(dǎo)致觸點損傷逐漸累積的過程。文獻根據(jù)疲勞累積損傷理論,提出了繼電器接觸失效的物理退化模型。式(5)和式(6)分別表述了物理退化模型中的線性累積模型和退化率模型。式中X為表征觸頭接觸性能的物理參數(shù),N為試驗次數(shù),X0為物理參數(shù)的初值,A為侵蝕系數(shù),反映了單位燃弧能量對物理參數(shù)的影響,Φ(N)為累積燃弧能量,m為退化系數(shù),反映物理量當(dāng)前值對退化速率的影響。圖8顯示了根據(jù)接觸電阻及電弧能量的實驗數(shù)據(jù)(3000次開合)擬合得到的線性累積模型和退化率模型曲線。兩種模型雖然具有相近的回歸標(biāo)準(zhǔn)偏差,但從圖中可以看出,退化率模型由于考慮了電弧效應(yīng)對觸頭接觸電阻的累積效應(yīng),表征的接觸電阻的增長趨勢快于線性累積模型。4試驗過程分析通過在交流實負(fù)荷下針對智能電表負(fù)荷開關(guān)的試驗,可以得到: