摘 要：為實(shí)現(xiàn)電氣防火限流保護(hù)器電氣性能的自動(dòng)測(cè)試，研制了一套基于LabVIEW的電氣防火限流保護(hù)器電氣性能自動(dòng)測(cè)試裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)0-40A、0-63A、160-250A等多種規(guī)格的電氣防火限流保護(hù)器電氣性能自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括短路限流試驗(yàn)、過負(fù)荷保護(hù)試驗(yàn)和電壓波動(dòng)試驗(yàn)。測(cè)試裝置可以自動(dòng)捕獲短路限流試驗(yàn)波形和過負(fù)荷保護(hù)試驗(yàn)波形，準(zhǔn)確計(jì)算短路限流時(shí)間和過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間，并存儲(chǔ)波形、數(shù)據(jù)和生成測(cè)試報(bào)告。選用額定工作電壓220 V、電流10A的電氣防火限流保護(hù)器作為被測(cè)試樣例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，所開發(fā)的測(cè)試裝置提高了測(cè)試效率和安全性能，降低了測(cè)試成本，實(shí)現(xiàn)了電氣防火限流保護(hù)器電氣性能測(cè)試的自動(dòng)化和智能化。

關(guān)鍵詞：電氣防火限流保護(hù)器；短路限流

一、引言

近年來，因線路短路、過負(fù)荷及電氣設(shè)備故障等原因引發(fā)的電氣火災(zāi)已成為所有火災(zāi)中發(fā)生頻率較高、造成損失較大的一類火災(zāi)，根據(jù)公安部消防局發(fā)布的中國消防年鑒顯示，2014—2017年電氣火災(zāi)數(shù)量占總體火災(zāi)數(shù)量的比重呈逐年上升趨勢(shì)，2017年達(dá)到了35.7%，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅。電氣線路短路時(shí)，由于現(xiàn)有的機(jī)械式斷路器存在關(guān)斷速度慢、無法限制短路電流、開斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧等問題，往往會(huì)造成事故擴(kuò)大，誘發(fā)電氣火災(zāi)，例如哈爾濱“8·25"和北京大興“11·18"兩起造成重大人員傷亡的火災(zāi)事故均是由電氣線路短路、機(jī)械斷路器未能可靠保護(hù)、引燃周圍可燃物所致。為了降低火災(zāi)隱患，全國消防標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警分技術(shù)委員會(huì)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)第6部分：電氣防火限流式保護(hù)器》，要求電氣防火限流保護(hù)器完成短路限流時(shí)間應(yīng)不大于150μs。能夠?qū)﹄姎舛搪饭收蠈?shí)現(xiàn)微秒級(jí)限流保護(hù)，可以大大降低因電氣線路短路造成的火災(zāi)事故。目前該標(biāo)準(zhǔn)正處于報(bào)批階段。

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置的研發(fā)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批同步進(jìn)行，為標(biāo)準(zhǔn)正式出臺(tái)后的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。為此，在滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試方法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于LabVIEW的電氣防火限流保護(hù)器電氣性能自動(dòng)測(cè)試裝置，利用該測(cè)試裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種規(guī)格的電氣防火限流保護(hù)器電氣性能自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括短路限流測(cè)試、過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試和電壓波動(dòng)測(cè)試。在測(cè)試結(jié)束之后自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣防火限流保護(hù)器電氣性能測(cè)試的自動(dòng)化和智能化。

二、整體方案設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電氣防火限流保護(hù)器電氣性能測(cè)試的相關(guān)規(guī)定，短路限流測(cè)試電路如圖1所示，過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試電路如圖2所示。圖1和圖2中的GR為電壓源、TR為被測(cè)試樣、S為單刀單擲開關(guān)、R為0.01Ω無感取樣電阻、CR為示波器、T為按鈕開關(guān)、Z1為3~6A阻性負(fù)載，圖2中A為鉗式電流表、Z2為25~50A阻性負(fù)載。

短路限流測(cè)試步驟：將被測(cè)試樣按圖1所示與設(shè)備連接，閉合開關(guān)S，保護(hù)器正常工作，按通按鈕開關(guān)T，記錄并觀察閉合瞬間示波器顯示的R兩端電壓波形，記錄被測(cè)試樣完成短路限流時(shí)間。

圖1 短路限流測(cè)試電路

過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試步驟：將被測(cè)試樣按圖2所示與設(shè)備連接，導(dǎo)線上套入鉗式電流表A，將開關(guān)S接通后，記錄試樣完成過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間。

電壓波動(dòng)測(cè)試步驟：將被測(cè)試樣按正常工作要求進(jìn)行布置，分別按額定電壓的110%和85%給試樣供電，重復(fù)上述短路限流測(cè)試和過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試。

圖2 過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試電路

2.2 整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的電氣防火限流保護(hù)器電氣性能自動(dòng)測(cè)試裝置，裝置整體方案設(shè)計(jì)框圖如圖3所示?；贚abVIEW的測(cè)試軟件安裝在工控機(jī)上，測(cè)試軟件通過電壓檢測(cè)模塊、高速電流采集模塊分別采集調(diào)壓器輸出側(cè)的電壓和線路中的電流，根據(jù)測(cè)試內(nèi)容自動(dòng)控制調(diào)壓器輸出電壓、可調(diào)負(fù)載切換阻值、接觸器KM開關(guān)狀態(tài)以及短路支路是否短路。

圖3 整體方案設(shè)計(jì)框圖

三、硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括工控機(jī)、供電單元、可調(diào)負(fù)載、高速電流采集模塊、短路支路和電壓檢測(cè)模塊的選擇與設(shè)計(jì)。工控機(jī)選用研華公司的IPC-610L；可調(diào)負(fù)載型號(hào)為RXF-AC220V 1-64A交流負(fù)載，可調(diào)負(fù)載上安裝有DC24V繼電器，可通過控制繼電器進(jìn)行阻值切換；高速電流采集模塊選用固緯MDO-2000E系列多功能混合域示波器，頻率帶寬200MHz，較大實(shí)時(shí)采樣率可以達(dá)到1GSa/s。

3.1 供電單元設(shè)計(jì)

在對(duì)電氣防火限流保護(hù)器進(jìn)行電氣性能測(cè)試時(shí)，需要進(jìn)行電壓波動(dòng)測(cè)試，分別按額定電壓的110%（約242V）和85%（約187V）給被測(cè)試電氣防火限流保護(hù)器供電。因此，供電單元應(yīng)滿足輸入電壓為交流220V，輸出電壓為0~250V的要求，用于給被測(cè)試樣以及整個(gè)裝置供電。供電單元硬件電路如圖4所示。

圖4 供電單元硬件電路圖

供電單元由調(diào)壓器、步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。所選用的調(diào)壓器型號(hào)為TEGGC2J-30KVA，輸入電壓為單相220V，輸出電壓0~250V，輸出額定工作電流為120 A；選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為HST884A，采用直流24~50V供電。工控機(jī)可通過控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，避免了手動(dòng)操作。

3.2 短路支路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行短路限流測(cè)試時(shí)，接觸器和雙向可控硅構(gòu)成短路支路。選用雙向可控硅作為短路支路時(shí)，可以準(zhǔn)確控制短路發(fā)生的相位角，但是因?yàn)榭煽毓鑼?dǎo)通時(shí)存在通態(tài)壓降，在一定程度上會(huì)限制短路電流的增長(zhǎng)。接觸器在導(dǎo)通時(shí)電阻小，不會(huì)因?yàn)榻佑|器的原因影響短路電流的大小，但是無法控制短路發(fā)生的相位角。當(dāng)對(duì)短路發(fā)生的相位角有要求時(shí)，選用雙向可控硅作為短路支路；當(dāng)對(duì)短路發(fā)生的相位角沒有要求時(shí)，選用接觸器作為短路支路。短路支路硬件電路如圖5所示，所選用的雙向可控硅TRIAC型號(hào)為MTC1000A，額定電流1000A，額定電壓1600V；可控硅觸發(fā)器型號(hào)為SCR-Y，觸發(fā)功率大，可以直接觸發(fā)3000A以內(nèi)的可控硅。在進(jìn)行過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試時(shí)，控制器控制可控硅觸發(fā)器脈沖信號(hào)，雙向可控硅不導(dǎo)通，或斷開接觸器，短路支路斷開；在進(jìn)行短路限流測(cè)試時(shí)，控制器控制可控硅觸發(fā)器發(fā)出脈沖信號(hào)，使雙向可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)或閉合接觸器，將負(fù)載短路。

圖5 短路支路電路

3.3 電壓檢測(cè)模塊的選擇與設(shè)計(jì)

利用電壓檢測(cè)模塊對(duì)供電單元輸出側(cè)的交流電壓進(jìn)行檢測(cè)，所選用的電壓檢測(cè)模塊型號(hào)為KBM-44交流電壓隔離變送器，該交流電壓隔離變送器電壓檢測(cè)范圍為0~250 V，支持modbus通信協(xié)議，可以直接和上位機(jī)之間進(jìn)行通信，將檢測(cè)到的交流電壓有效值上傳給上位機(jī)測(cè)試軟件。

四 軟件設(shè)計(jì)

為了充分利用LabVIEW圖形化的編程特點(diǎn)以及靈活、有效的儀器控制方式，使開發(fā)的測(cè)試軟件具有更高的可靠性，基于LabVIEW 2018開發(fā)了裝置的測(cè)試軟件。LabVIEW由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，它以G編程語言為基礎(chǔ)，是開發(fā)測(cè)試、測(cè)量以及儀器控制的理想選擇，適用于數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析和圖像顯示等，目前已廣泛應(yīng)用于各種測(cè)試領(lǐng)域。

測(cè)試軟件由測(cè)試界面和測(cè)試程序兩部分組成。測(cè)試界面用于對(duì)測(cè)試參數(shù)和測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置；測(cè)試程序則根據(jù)設(shè)置的測(cè)試參數(shù)和測(cè)試內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作，主要包括供電程序、短路限流測(cè)試程序、過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試程序和時(shí)間計(jì)算子程序。

4.1 測(cè)試軟件界面設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件界面如圖6所示，左側(cè)設(shè)置有供電電壓?jiǎn)芜x按鈕、參數(shù)確認(rèn)按鍵和供電電壓確認(rèn)按鍵，針對(duì)電壓波動(dòng)測(cè)試，在供電電壓?jiǎn)芜x按鈕中設(shè)置了187、220、242V三個(gè)電壓，可根據(jù)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行選擇。右側(cè)設(shè)置有額定工作電流枚舉按鈕、短路限流測(cè)試按鍵、過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試按鍵和生成報(bào)告按鍵，額定工作電流枚舉按鈕中設(shè)置了10、20、32、63A四個(gè)規(guī)格，可根據(jù)被測(cè)試樣的規(guī)格選擇對(duì)應(yīng)的額定工作電流。

圖6 測(cè)試軟件界面

4.2 供電程序設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置供電程序流程圖如圖7所示。在對(duì)電氣防火限流保護(hù)器進(jìn)行電壓波動(dòng)測(cè)試時(shí)，調(diào)壓器輸出側(cè)需要提供187V和242V電壓；在進(jìn)行短路限流測(cè)試和過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試時(shí)，調(diào)壓器輸出側(cè)需要提供220V電壓。在測(cè)試軟件界面選定供電電壓之后，軟件通過電壓檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)讀取調(diào)壓器輸出側(cè)的電壓有效值，并判斷其是否在設(shè)定的電壓范圍之內(nèi)，若在范圍之內(nèi)，則調(diào)壓結(jié)束；反之，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，判斷其是否大于設(shè)定范圍的較大值。若大于，則使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，減小調(diào)壓器輸出側(cè)電壓；反之，使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，增大調(diào)壓器輸出側(cè)電壓。重復(fù)上述操作，直至調(diào)壓器輸出側(cè)電壓調(diào)整到設(shè)定范圍之內(nèi)，保證供電電壓的準(zhǔn)確性。

圖7 測(cè)試裝置供電程序流程圖

4.3 短路限流測(cè)試和過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試程序設(shè)計(jì)

短路限流測(cè)試程序流程和過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試程序流程分別如圖8和圖9所示。對(duì)測(cè)試裝置的供電電壓進(jìn)行調(diào)整確認(rèn)之后，在測(cè)試軟件界面點(diǎn)擊短路限流測(cè)試按鍵或過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試按鍵，便可以進(jìn)行短路限流測(cè)試或過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試，執(zhí)行相應(yīng)的流程，得到短路電流波形、過負(fù)荷電流波形、短路限流時(shí)間和過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間，并將波形和數(shù)據(jù)保存，用于后期生成測(cè)試報(bào)告。

圖8 短路限流測(cè)試程序流程圖

圖9 過負(fù)荷保護(hù)測(cè)試程序流程圖

4.4 時(shí)間計(jì)算子程序設(shè)計(jì)

電氣防火限流保護(hù)器完成短路限流時(shí)間為從流過保護(hù)器的短路故障電流值超過短路保護(hù)整定電流報(bào)警值時(shí)到短路故障電流降到其值5%時(shí)的時(shí)間間隔。短路限流時(shí)間計(jì)算子程序如圖10所示。

圖10 短路限流時(shí)間計(jì)算子程序流程圖

過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間為從流過保護(hù)器的負(fù)載電流值超過過負(fù)荷保護(hù)整定電流報(bào)警值時(shí)到負(fù)載電流降到其值5%時(shí)的時(shí)間間隔。過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間計(jì)算子程序流程和短路限流時(shí)間計(jì)算程序類似，只是過負(fù)荷時(shí)高速電流采集模塊的采樣率和短路時(shí)設(shè)置不同。

五、安科瑞電氣防火限流式保護(hù)器

5.1 概述

ASCP系列電氣防火限流式保護(hù)器可有效克服傳統(tǒng)斷路器存在的短路電流大、動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、短路電弧大、使用壽命短等弊端。發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級(jí)速度快速限制短路電流以實(shí)現(xiàn)滅弧保護(hù)，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場(chǎng)所人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

5.2 功能特點(diǎn)

1)短路限流：當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150us內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，因短路電流過大所引起的電氣火災(zāi)事故。

2)過載限流：當(dāng)被保護(hù)線路的電流超過額定電流，線路過載且過載持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間（3-60秒）時(shí)，保護(hù)器進(jìn)行限流保護(hù)。

3)超溫限流：當(dāng)保護(hù)器的內(nèi)部元器件溫度超過設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)品啟動(dòng)超溫限流保護(hù)功能，防止因溫度過高造成產(chǎn)品損壞。

4)過/欠壓保護(hù)：當(dāng)保護(hù)器檢測(cè)到線路電壓欠壓或過壓時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

5)線纜溫度監(jiān)測(cè)：當(dāng)被監(jiān)測(cè)線纜溫度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

6)漏電流監(jiān)測(cè)：當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路漏電超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

7)通訊功能：具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控后臺(tái)可以是安科瑞Acrel-6000/B電氣火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)，也可以是安科瑞Acrel-6000安全云平臺(tái)，或第三方監(jiān)控軟件或平臺(tái)。

5.3 設(shè)備選型

六、結(jié)束語

本文研制的一套基于LabVIEW的電氣防火限流保護(hù)器電氣性能自動(dòng)測(cè)試裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)0-40A、0-63A、160-250A等多種規(guī)格的電氣防火限流保護(hù)器電氣性能自動(dòng)測(cè)試，可以自動(dòng)捕獲短路限流試驗(yàn)波形和過負(fù)荷保護(hù)試驗(yàn)波形，準(zhǔn)確計(jì)算得到短路限流時(shí)間和過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間，并能生成測(cè)試報(bào)告。測(cè)試表明，該測(cè)試裝置提高了測(cè)試效率和安全性能，降低了測(cè)試成本，實(shí)現(xiàn)了電氣性能測(cè)試的自動(dòng)化和智能化。