【正文】 reaker, reduce the working intensity. To improve work efficiency, and it is helpful to the research and development of new products. The system can, for life, high temperature, overload and characteristics of lowvoltage circuit breaker automatically control, and the experimental measurement of sampling test waveforms on PC, according to the different parameter determination, plete the circuit breaker performance testing. Keywords： lowvoltage circuit breaker； Type； PLC； Atuomatic control.基于 PLC的低壓斷路器的試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 課題背景 隨著新技術(shù)的發(fā)展，特別是電子、微電子和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 的迅速發(fā)展，將對(duì)低壓斷路器產(chǎn)業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響，在現(xiàn)代化電站和工礦企業(yè)中已經(jīng)廣泛采用電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)與之配套的低壓斷路器提出了高智能的要求，并要求產(chǎn)品具有保護(hù) 、監(jiān)測、試驗(yàn)、自診斷、顯示等功能，故采用 PLC 控制系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的邏輯元件組成的控制系統(tǒng)，已是機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的主流。該系統(tǒng)要求電氣產(chǎn)品具有高可靠性、高干擾 性，還要求觸點(diǎn)能可靠接通低電壓、弱電流，觸頭斷開時(shí)的電弧 不能干擾電子電路的正常運(yùn)行，以便完善低壓斷路器的性能、功能，提高產(chǎn)品的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量。因此斷路器的型式試驗(yàn)有極其重要的作用。 課題主要研究內(nèi)容 低 壓斷路器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，新產(chǎn)品的性能是否符合要求，改進(jìn)一項(xiàng)生產(chǎn)工藝，方案是否可行等都離不開產(chǎn)品是實(shí)驗(yàn)，而產(chǎn)品的型式試驗(yàn)是全面考核產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)。定型生產(chǎn)的產(chǎn)品也要經(jīng)常需要產(chǎn)品的試驗(yàn) ，以保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。低壓斷路器的產(chǎn)品的試驗(yàn)包括型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)兩種。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)部的標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品的技術(shù)條件規(guī)定，他所包含的項(xiàng)目較多，其中某些試驗(yàn)具有破壞性。 主要型式試驗(yàn)包括以下幾項(xiàng)： 驗(yàn)證 溫升 、驗(yàn)證絕緣強(qiáng)度、驗(yàn)證 機(jī)械壽命 與 電壽命 、驗(yàn)證 短路通斷能力 、驗(yàn)證 過載操作性能 、驗(yàn)證脫扣 特性 。 本 文通過對(duì)低壓斷路器的工作原理、各項(xiàng)特性及其型式試驗(yàn)的分析， 選用 三菱的 FX系列的 PLC 為 控制模塊 ， 編寫 PLC 程序，建立了斷路器的型式試驗(yàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以保障斷路器的安全性能、減少試驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度。提高工作效率、也有利于新 產(chǎn)品的研究開發(fā)。 該 系統(tǒng) 可以對(duì)溫升、壽命、通斷 、過載和特性 等 低壓斷路器型式 試驗(yàn)自動(dòng) 控制 、 并采樣試驗(yàn)中測的 波形給于上位機(jī)，根據(jù)不同的參數(shù)判定斷路器的性能好壞，完成型式試驗(yàn)。 課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域是廣闊的。目前，可編程程序控制器向高性能、高速度、大容量發(fā)展已經(jīng)是一個(gè)不可阻擋的趨勢。大型的可編程程序控制器大多采用 CPU 結(jié)構(gòu)。三菱的AnA 系列可編程程序控制器使用了世界上第一個(gè)在芯片上實(shí)現(xiàn)可編程程序控制器全部基于 PLC的低壓斷路器的試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 功能的 32 位微處理器。松下公司的 FP10SH 系列可編程程序控制器采用 32 位 5 級(jí)流水線 RISC 結(jié)構(gòu)的 CPU，可以同時(shí)處理 5 條命令。在模擬控制方面，除了專門用于模擬量閉環(huán)控制的 PID 的指令和智能 PID 模塊，某些可編程程序控制器還具有模擬量的模糊控制、自適應(yīng)、參數(shù)自整定功能，使調(diào)試時(shí)間減少，控制精度得以提高。用于監(jiān)控、管理和編程的人機(jī)接口和圖形工作站的功能日益增強(qiáng)。如西門子公司的 TISTAR 和 PCS 工作站適用的 APT（應(yīng)用開發(fā)工具）軟件，是面向?qū)ο蟮慕M態(tài)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)和管理工具 軟件。自上而下的模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，大大提高了組態(tài)效率，降低了工程費(fèi)用，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)自始至終體現(xiàn)了高度結(jié)構(gòu)化的 特點(diǎn)。 一個(gè)或若干個(gè) PLC 與 PC 機(jī)，到原編程器的人機(jī)界面操作站的作用，是現(xiàn)代 PLC發(fā)展的新潮流，為系統(tǒng)集成商帶來了商機(jī)，同時(shí)編程和人機(jī)界面軟件及軟件接口（或驅(qū)動(dòng)軟件）也得到了發(fā)展。另外， PLC 控制器的獨(dú)立運(yùn)行，只要有接口及調(diào)制解調(diào)器，利用商業(yè)無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（ GPRS），就可完成數(shù)據(jù)通信。除用手機(jī)和 PDA 作為機(jī)界面外，還可與互聯(lián)網(wǎng)相連，這是 PLC 走出自動(dòng)化信息孤島的途徑之一。 作為線路保護(hù)的塑料外殼式 斷路器（ Mccb）額定短路分段能力必須作進(jìn)一步地改進(jìn)和提高，以便和用戶需求相適應(yīng)。目前不少保護(hù)電器的設(shè)計(jì)和使 用單位，對(duì) 100~250A斷路器的短路分?jǐn)嗄芰σ筮_(dá)到 35~50KA（在 380~415V 時(shí)），個(gè)別使用場所要求達(dá)到65KA。為了盡量減小配電柜的體積，就要求斷路器在保證安全、可靠的前提下，縮小尺寸，要滿足高分?jǐn)唷⑿◇w積而又售價(jià)適中的要求。 基于 PLC的低壓斷路器的試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 第 2 章 斷路器 及其型式試驗(yàn) 斷路器的工作原理 低壓斷路器也稱為自動(dòng)空氣開關(guān)，可用來接通和分?jǐn)嘭?fù)載電路，也可用來控制不頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。它功能相當(dāng)于閘刀開關(guān)、過電流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器及漏電保護(hù)器等電器部分或全部的功能總和，是低壓配電網(wǎng)中一種重要的保護(hù)電器 。 低壓斷路器具有多種保護(hù)功能 (過載、短路、欠電壓保護(hù)等 )、動(dòng)作值可調(diào)、分?jǐn)嗄芰Ω?、操作方便、安全等?yōu)點(diǎn)，所以目前被廣泛應(yīng)用。 低壓斷路器由觸點(diǎn) 系統(tǒng) 、保護(hù)裝置 (各種脫扣器 )、滅弧系統(tǒng) 、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和脫扣機(jī)構(gòu) 等組成 。 斷路器的結(jié)構(gòu) 如圖 所示： 圖 斷路器結(jié)構(gòu)圖 1主觸頭 2自由脫扣器 3過電流脫扣器 4分勵(lì)脫扣器 5熱脫扣器 6失壓脫扣器 7按鈕 低壓斷路器的主觸點(diǎn)是靠手動(dòng)操作或電動(dòng)合閘的。主觸點(diǎn)閉合后，自由脫扣機(jī)構(gòu)將主觸點(diǎn)鎖在合閘位置 上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯(lián)，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯(lián)。當(dāng)電路發(fā)生短路或嚴(yán)重過載時(shí)，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，主觸點(diǎn)斷開主電路。當(dāng)電路過載時(shí)，熱脫扣器的熱元件發(fā)熱使雙金屬片上彎曲，推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)電路欠電壓時(shí)，欠電壓脫扣器的銜鐵釋放。也使自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。 滅弧室用于熄滅主觸頭系統(tǒng)在分?jǐn)嚯娐窌r(shí)產(chǎn)生的電弧。 分勵(lì)脫扣器則作為遠(yuǎn)距離控制用，在正常工作時(shí)，其線圈是斷電的，在需要距離控制時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，使線圈通電，銜鐵帶動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使主觸點(diǎn)斷開。 基于 PLC的低壓斷路器的試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 若去掉脫 扣器，當(dāng)電路發(fā)生故障后，脫扣機(jī)構(gòu)無法動(dòng)作，會(huì)使故障范圍擴(kuò)大。 斷路器的主要結(jié)構(gòu) 低壓斷路器由主觸頭系統(tǒng)，輔助觸頭，脫扣器，分合閘操作機(jī) 構(gòu)，滅弧室和框架或外殼等部分組成的。 脫扣器接受外來的信號(hào)，并傳遞給分合閘操作機(jī)構(gòu)，由其控制主觸頭及輔助觸頭的斷開和閉合。滅弧室用于熄滅主觸頭系統(tǒng)在分?jǐn)嚯娐窌r(shí)產(chǎn)生的電弧。 低壓斷路器按結(jié)構(gòu)形式分為框架式（又稱萬能式）和塑殼式（又稱裝置式）低壓短路器。 脫扣器 脫扣器是低壓斷路器中用來接受信號(hào)的元件。若線路中出現(xiàn)不正常情況或由操作人員或繼電保護(hù)裝置發(fā)出信號(hào)時(shí)，脫 扣器會(huì)根據(jù)信號(hào)的情況通過傳遞元件使觸頭動(dòng)作掉閘切斷電路。低壓斷路器的脫扣器一般有過流脫扣器、熱脫扣器、失壓脫扣器、分勵(lì)脫扣器等幾種。它們的結(jié)構(gòu) 如 圖 所示： 圖 低壓斷路器的脫扣器 1操作手柄 2主觸頭 3自由脫扣器 4分閘彈簧 5過電流脫扣器 6過電流脫扣器銜鐵 13反作用力彈簧 9熱脫扣器電流整定螺絲 10加熱元件 11失壓脫扣電磁鐵 12失壓脫扣銜鐵 1 16斷路器輔助觸頭 1 17分閘按鈕 18傳遞元件 19分勵(lì)脫扣電磁鐵 20分勵(lì)脫扣銜鐵 低壓斷路器投入運(yùn)行時(shí)，操作手柄已經(jīng)使主觸頭閉合，自由脫扣機(jī)構(gòu)將主觸頭鎖定基于 PLC的低壓斷路器的試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 在閉合位置，各類脫扣器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。 （ 1）電磁脫扣器 電磁脫扣器與被保護(hù)電路串聯(lián)。線路中通過正常電流時(shí)，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力小于反作用力彈簧的拉力，銜鐵不能被電磁鐵吸動(dòng)，斷路器正常運(yùn)行。當(dāng)線路中出現(xiàn)短路故障時(shí)，電流超過正常電流的若干倍，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力大于反作用力彈簧的作用力，銜鐵被電磁鐵吸動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)釋放主觸頭。主觸頭在分閘彈簧的 作用下分開切斷電路起到短路保護(hù)作用。 （ 2）熱脫扣器 熱脫扣器與被保護(hù)電路串聯(lián)。線路中通過正常電流時(shí)，發(fā)熱元件發(fā)熱使雙金屬片彎曲至一定程度 (剛好接觸到傳動(dòng)機(jī)構(gòu) )并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，雙金屬片不再繼續(xù)彎曲。若出現(xiàn)過載現(xiàn)象時(shí)，線路中電流增大，雙金屬片將繼續(xù)彎曲，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)釋放主觸頭，主觸頭在分閘彈簧的作用下分開，切斷電路起到過載保護(hù)的作用。 （ 3）失壓脫扣器 失壓脫扣器并聯(lián)在斷路器的電源測，可起到欠壓及零壓保護(hù)的作用。電源電壓正常時(shí)扳動(dòng)操作手柄，斷路器的常開輔助觸頭閉合，電磁鐵得電，銜鐵被電磁鐵 吸住，自由脫扣機(jī)構(gòu)才能將主觸頭鎖定在合閘位置，斷路器投入運(yùn)行。當(dāng)電源側(cè)停電或電源電壓過低時(shí)，電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力不足以克服反作用力彈簧的拉力，銜鐵被向上拉，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)使斷路器掉閘，起到欠壓及零壓保護(hù)作用。 電源電壓為額定電壓的 75%～ 105%時(shí)，失壓脫扣器保證吸合，使斷路器順利合閘。當(dāng)電源電壓低于額定電壓的 40%時(shí)，失壓脫扣器保證脫開使斷路器掉閘分?jǐn)唷? 一般還可用串聯(lián)在失壓脫扣器電磁線圈回路中的常閉按鈕做分閘操作。 （ 4） 分勵(lì)脫扣器 分勵(lì)脫扣器用于遠(yuǎn)距離操作低壓斷路器分閘控制。它的電磁線圈 并聯(lián)在低壓斷路器的電源側(cè)。需要進(jìn)行分閘操作時(shí)，按動(dòng)常開按鈕使分勵(lì)脫扣器的電磁鐵得電吸動(dòng)銜鐵，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)，使低壓斷路器掉閘。 在一臺(tái)低壓斷路器上同 時(shí)裝有兩種或兩種以上脫扣器時(shí)，則稱這臺(tái)低壓斷路器裝有復(fù)式脫扣器。 觸頭系統(tǒng) 低壓斷路器的主觸頭在正常情況下可以接通分?jǐn)嘭?fù)荷電流，在故障情況下還必須可靠分?jǐn)喙收想娏?。主觸頭有單斷口指式觸頭、雙斷口橋式觸頭、插入式觸頭等幾種形式。主觸頭的動(dòng)、靜觸頭的接觸處焊有銀基合金觸點(diǎn)，其接觸電阻小，可以長時(shí)間通過較大的負(fù)荷電流。在容量較大的低壓斷路器中 ，還常將指式觸頭做成兩擋或三擋，形成主觸基于 PLC的低壓斷路器的試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 頭、副觸頭和弧觸頭并聯(lián)的形式。 1弧觸頭 2主觸頭 3觸頭壓力 4彈簧軟連接 5傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （ a）觸頭斷開位置 （ b）觸頭閉合位置 （ c） 主 觸頭 后 閉合 圖 低壓斷路器的弧觸頭和主觸頭 兩接觸頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示，分為弧觸頭和主觸頭?；∮|頭用耐弧金屬材料制成，主觸頭和弧觸頭在斷路器分、合閘時(shí)有不同的作用和操作次序。開關(guān)合閘時(shí)，弧觸頭承擔(dān)合閘的電磨損；開關(guān) 在 分閘時(shí)，弧觸頭承 擔(dān)電路分?jǐn)鄷r(shí)的強(qiáng)電弧，起保護(hù)主觸頭的作用；主觸頭承擔(dān)長期通過負(fù)荷電流的任務(wù)。所以在合閘時(shí)弧觸頭先閉合、主觸頭后閉合；分閘時(shí)主觸頭先斷開、弧觸頭后斷開 。 大容量的斷路器中為了更好地保護(hù)主觸頭又增設(shè)了副觸頭，即為三接觸頭，合閘時(shí)的動(dòng)作順序?yàn)榛∮|頭先閉合，然后副觸頭閉合，最后弧觸頭閉合；分 閘時(shí)的操作順序?yàn)榛∮|頭先分?jǐn)?，然后副縣觸頭分?jǐn)?，最后主觸頭分?jǐn)唷? 滅弧裝置 低壓斷路器 中的滅弧裝置一般為柵片式滅罩，滅弧室的絕緣壁一般用鋼板紙壓制或陶土燒制。 基于 PLC的低壓斷路器的試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 斷路器的分類 （ 1） 按用途分 有保護(hù)配電線路用 、控制和保護(hù)電動(dòng)機(jī)用、保護(hù)照明線路用和漏電保護(hù)用低壓斷路器。 （ 2） 按結(jié)構(gòu)型式分 有框架式（又稱萬能式）和塑料外殼式（又稱裝置式）低壓斷路器。 （ 3） 按極數(shù)分 有單級(jí)、雙極、三極和四極低壓斷路器。 （ 4） 按限流性能分 有一般不限流和快速限流型低壓斷路器。 （ 5） 按保護(hù)特性分 有選擇型和非選擇型低壓斷路器。 （ 6） 按操作方式分 有直接手柄操作式、杠桿操作式、電磁鐵操作式和電動(dòng)機(jī)操作式。 決定低壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)