家用小型漏电保护开关电性能试验自动操作装置的设计与应用.pdf

家用小型漏电保护开关电性能试验 自动操作装置的设计与应用 陈金汕 （福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002） 摘要：随着社会的发展，家用小型漏电保护开关应用越来越多，它关系到人身和设备的操作安全，因此， 对它进行性能检测显得相当重要。文章对漏电保护开关的工作原理和电性能试验的标准要求进行研究，设 计并实现了一套基于 PLC 的小型漏电断路器机械和电寿命试验自动操作装置，它具有三个工位同时运行的 能力，操作简单、功能完善、运行稳定可靠等特点，实现自动操作以替代人工操作，大大节省了人力成本， 极大提高了小型漏电断路器的机械和电寿命性能试验的检测效率，使检测技术更加科学、公正。 关键词：漏电保护开关；自动操作装置；电寿命；PLC 1 引言 漏电保护器在我国 80 年代初就开始推广使 用，并于 1986 年 9 月发布了相应的产品国家标准 GB6829-86漏电电流动作保护器，但由于该产 品的性能不够稳定，质量参差不齐，漏电保护的 特点难以体现 1。随着社会的发展，科技进步， 2002 年国家将漏电开关列入强制产品认证范围， 并引入国际标准 IEC61008、IEC61009，经过十几 年对产品质量监督规范管理，目前漏电保护开关 相对以前产品来说质量有很大提高，使得保护开 关进入千家万户，起到保护人体触电以及设备漏 电时能自动跳闸作用， 对减少人身触电伤亡事故， 对设备的漏电保护有很大的作用，社会效果逐渐 显示。因此，对漏电保护开关的产品质量性能检 测尤为重要。文章将主要对漏电保护开关（如常 用的小型漏电断路器）电性能检测方面的自动操 作装置进行设计与应用研究。 2 工作原理与标准研究 2.1 漏电保护开关工作原理 漏电保护开关的工作原理：漏电保护开关（如 常用的小型漏电断路器），它具有漏电、过载、 短路保护等功能。漏电保护开关可以对低压电网 中的直接触电和间接触电进行有效的防护，它在 反应触电和漏电方面具有高灵敏性和快速性，这 是其它开关如自动开关和熔断器等所不能比拟的。 假设人体直接触及 220V 相线，人体电阻 1000， 因中性点接地电阻（4）相对很小，可忽略，因 此通过人体的电流 Id 为： 此电流对人体会产生危险，但对一般自动开关或 熔断器来说却根本不会动作。因此，必须采用漏电保护 收稿日期：2013-11-06 作者简介：陈金汕，男，福建省产品质量检验研究院电器所，副所长，工程师 开关切断供电电源保护人身安全。 漏电保护开关按工作原理分为电压动作型、 电流动作型、交流脉动型等。目前电压动作型趋 于淘汰，交流脉动型也应用很少，最常用的是电 流动作型漏电保护器（或漏电保护开关）。它的 工作原理，如图 1 所示。 图 1漏电保护器工作原理图 如图所示：TA- 零序电流互感器，二次侧绕有 线圈，电流线 L1，L2，L3 及零线 N，从 TA 中穿过， 构成其一次侧线圈，TA 的作用是反应漏电电流信 号而构成整个装置的检测部分，并经测量、放大、 比较后，控制 KM 的执行机构动作功能。在正常情 况下漏电保护装置所控制的电路中没有人身触电 及漏电等接地故障时， 各相电流的相量和等于零， 即 =0，漏电装置不动作。当电路中发生 触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这 时穿过 TA 的三相电流相量和不等于零，其相量和 为 ，TA 线圈中将感应电压，放大后， 如大于动作电流值，则作用于执行元件使漏电保 护开关跳闸 1。 因此，考核漏电保护开关的关键部件是漏电 流检测到动作执行，使漏电保护开关切断电路。 因此，对漏电保护开关产品的电性能考核是重要 的试验部分。 2.2 标准研究 标准 GB16917.1 中条款 9.10 对漏电保护开 关的机械和电气寿命试验作出了明确要求，例如 为了实现小型漏电断路器产品 DZ47LE（3P+N， 400V，32A，30mA）的试验，标准要求试验应进行 2000 次的带载操作循环，其中 1000 次操作循环 用手动操作方式进行断开操作，500 次操作循环 用试验装置进行断开操作，500 次操作循环在一 极通以 的剩余动作电流进行断开操作；接着不 带负载，再进行 2000 次的操作循环。操作频率要 求每分钟二次操作循环， 接通时间为1.5s2s2。 若由人工操作毕竟繁锁，而且在实现过程中会涉 及人为因素对试验数据的影响，影响到检测的科 学性和准确性。 且对试验接通时间长短不易控制， 以及试验过程中样品若不合格也可能危及试验人 员的人身安全。 因此，假如能够设计一台，能对小型漏电断 路器电性能试验进行自动控制的操作装置，实现 自动操作，以替代人工操作，即省时省力，试验 重复性更好，也使检测更加科学、公正。 3 自动操作装置的设计与实现 为了实现该电性能操作要求，该设计的硬件 部分通过 PLC、机械操作手、操作气缸、触摸屏、 接触器、直流供电源等组合起来，通过 PLC 程序 设计实现了一台漏电保护开关机械和电寿命自动 操作装置，来模拟人工操作。自动操作装置的整 体设计框图，如图 2 所示。 图 2自动操作装置的整体设计框图 由图 2 可知，PLC 和触摸屏形成自动操作装 置的控制管理核心，在触摸屏上面选择工位和参 数设置， 再由PLC执行相应的操作步骤试验程序， 由气缸驱动各个机械手的关节按试验流程进行操 质量技术监督研究2014 年第 2 期 （总第32期）Quality and Technical Supervision Research NO.2.2014 General NO.32 家用小型漏电保护开关电性能试验 自动操作装置的设计与应用 陈金汕 （福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002） 摘要：随着社会的发展，家用小型漏电保护开关应用越来越多，它关系到人身和设备的操作安全，因此， 对它进行性能检测显得相当重要。文章对漏电保护开关的工作原理和电性能试验的标准要求进行研究，设 计并实现了一套基于 PLC 的小型漏电断路器机械和电寿命试验自动操作装置，它具有三个工位同时运行的 能力，操作简单、功能完善、运行稳定可靠等特点，实现自动操作以替代人工操作，大大节省了人力成本， 极大提高了小型漏电断路器的机械和电寿命性能试验的检测效率，使检测技术更加科学、公正。 关键词：漏电保护开关；自动操作装置；电寿命；PLC 1 引言 漏电保护器在我国 80 年代初就开始推广使 用，并于 1986 年 9 月发布了相应的产品国家标准 GB6829-86漏电电流动作保护器，但由于该产 品的性能不够稳定，质量参差不齐，漏电保护的 特点难以体现 1。随着社会的发展，科技进步， 2002 年国家将漏电开关列入强制产品认证范围， 并引入国际标准 IEC61008、IEC61009，经过十几 年对产品质量监督规范管理，目前漏电保护开关 相对以前产品来说质量有很大提高，使得保护开 关进入千家万户，起到保护人体触电以及设备漏 电时能自动跳闸作用， 对减少人身触电伤亡事故， 对设备的漏电保护有很大的作用，社会效果逐渐 显示。因此，对漏电保护开关的产品质量性能检 测尤为重要。文章将主要对漏电保护开关（如常 用的小型漏电断路器）电性能检测方面的自动操 作装置进行设计与应用研究。 2 工作原理与标准研究 2.1 漏电保护开关工作原理 漏电保护开关的工作原理：漏电保护开关（如 常用的小型漏电断路器），它具有漏电、过载、 短路保护等功能。漏电保护开关可以对低压电网 中的直接触电和间接触电进行有效的防护，它在 反应触电和漏电方面具有高灵敏性和快速性，这 是其它开关如自动开关和熔断器等所不能比拟的。 假设人体直接触及 220V 相线，人体电阻 1000， 因中性点接地电阻（4）相对很小，可忽略，因 此通过人体的电流 Id 为： 此电流对人体会产生危险，但对一般自动开关或 熔断器来说却根本不会动作。因此，必须采用漏电保护 收稿日期：2013-11-06 作者简介：陈金汕，男，福建省产品质量检验研究院电器所，副所长，工程师 开关切断供电电源保护人身安全。 漏电保护开关按工作原理分为电压动作型、 电流动作型、交流脉动型等。目前电压动作型趋 于淘汰，交流脉动型也应用很少，最常用的是电 流动作型漏电保护器（或漏电保护开关）。它的 工作原理，如图 1 所示。 图 1漏电保护器工作原理图 如图所示：TA- 零序电流互感器，二次侧绕有 线圈，电流线 L1，L2，L3 及零线 N，从 TA 中穿过， 构成其一次侧线圈，TA 的作用是反应漏电电流信 号而构成整个装置的检测部分，并经测量、放大、 比较后，控制 KM 的执行机构动作功能。在正常情 况下漏电保护装置所控制的电路中没有人身触电 及漏电等接地故障时， 各相电流的相量和等于零， 即 =0，漏电装置不动作。当电路中发生 触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这 时穿过 TA 的三相电流相量和不等于零，其相量和 为 ，TA 线圈中将感应电压，放大后， 如大于动作电流值，则作用于执行元件使漏电保 护开关跳闸 1。 因此，考核漏电保护开关的关键部件是漏电 流检测到动作执行，使漏电保护开关切断电路。 因此，对漏电保护开关产品的电性能考核是重要 的试验部分。 2.2 标准研究 标准 GB16917.1 中条款 9.10 对漏电保护开 关的机械和电气寿命试验作出了明确要求，例如 为了实现小型漏电断路器产品 DZ47LE（3P+N， 400V，32A，30mA）的试验，标准要求试验应进行 2000 次的带载操作循环，其中 1000 次操作循环 用手动操作方式进行断开操作，500 次操作循环 用试验装置进行断开操作，500 次操作循环在一 极通以 的剩余动作电流进行断开操作；接着不 带负载，再进行 2000 次的操作循环。操作频率要 求每分钟二次操作循环， 接通时间为1.5s2s2。 若由人工操作毕竟繁锁，而且在实现过程中会涉 及人为因素对试验数据的影响，影响到检测的科 学性和准确性。 且对试验接通时间长短不易控制， 以及试验过程中样品若不合格也可能危及试验人 员的人身安全。 因此，假如能够设计一台，能对小型漏电断 路器电性能试验进行自动控制的操作装置，实现 自动操作，以替代人工操作，即省时省力，试验 重复性更好，也使检测更加科学、公正。 3 自动操作装置的设计与实现 为了实现该电性能操作要求，该设计的硬件 部分通过 PLC、机械操作手、操作气缸、触摸屏、 接触器、直流供电源等组合起来，通过 PLC 程序 设计实现了一台漏电保护开关机械和电寿命自动 操作装置，来模拟人工操作。自动操作装置的整 体设计框图，如图 2 所示。 图 2自动操作装置的整体设计框图 由图 2 可知，PLC 和触摸屏形成自动操作装 置的控制管理核心，在触摸屏上面选择工位和参 数设置， 再由PLC执行相应的操作步骤试验程序， 由气缸驱动各个机械手的关节按试验流程进行操 质量技术监督研究2014 年第 2 期 （总第32期）Quality and Technical Supervision Research NO.2.2014 General NO.32 作，操作过程中各工位的各种状态由 PLC 进行反 馈处理，实现计数、报警等功能。供电模块是给 PLC 和触摸屏提供工作电源。 3.1 硬件和软件设计 3.1.1 硬件设计 为实现样品的自动合分操作， 替代人工操作， 提高工作效率，硬件设计时本装置设计了三个工 位，可实现三台样品同时开始试验。该操作装置 的主电路设计图，如图 3 所示。 图 3 操作装置的主电路图 其中，N1 为第一工位的公共零线，L1、为第一 工位的控制火线，KM1 为接触器，NOISE FILTER 为 噪声滤波器， FX1N-60MT为PLC， MT6070IH为触摸屏， AC220V/DC24V 为电子元件直流工作电源模块 3。 为了便于该产品安装操作和试验时的安全， 在外观设计时将装置设计成一个柜体（外形尺寸： 长 1200mm* 宽 500* 高 1620mm），分上、下两层， 下层为铝合金及镀锌板围