陳金汕

（福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350002）

家用小型漏電保護開關電性能試驗自動操作裝置的設計與應用

陳金汕

（福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350002）

隨著社會的發(fā)展，家用小型漏電保護開關應用越來越多，它關系到人身和設備的操作安全，因此，對它進行性能檢測顯得相當重要。文章對漏電保護開關的工作原理和電性能試驗的標準要求進行研究，設計并實現(xiàn)了一套基于PLC的小型漏電斷路器機械和電壽命試驗自動操作裝置，它具有三個工位同時運行的能力，操作簡單、功能完善、運行穩(wěn)定可靠等特點，實現(xiàn)自動操作以替代人工操作，大大節(jié)省了人力成本，極大提高了小型漏電斷路器的機械和電壽命性能試驗的檢測效率，使檢測技術更加科學、公正。

漏電保護開關；自動操作裝置；電壽命；PLC

1 引言

漏電保護器在我國80年代初就開始推廣使用，并于1986年9月發(fā)布了相應的產品國家標準GB6829-86《漏電電流動作保護器》，但由于該產品的性能不夠穩(wěn)定，質量參差不齊，漏電保護的特點難以體現(xiàn)[1]。隨著社會的發(fā)展，科技進步，2002年國家將漏電開關列入強制產品認證范圍，并引入國際標準IEC61008、IEC61009，經過十幾年對產品質量監(jiān)督規(guī)范管理，目前漏電保護開關相對以前產品來說質量有很大提高，使得保護開關進入千家萬戶，起到保護人體觸電以及設備漏電時能自動跳閘作用，對減少人身觸電傷亡事故，對設備的漏電保護有很大的作用，社會效果逐漸顯示。因此，對漏電保護開關的產品質量性能檢測尤為重要。文章將主要對漏電保護開關（如常用的小型漏電斷路器）電性能檢測方面的自動操作裝置進行設計與應用研究。

2 工作原理與標準研究

2.1 漏電保護開關工作原理

漏電保護開關的工作原理：漏電保護開關（如常用的小型漏電斷路器），它具有漏電、過載、短路保護等功能。漏電保護開關可以對低壓電網(wǎng)中的直接觸電和間接觸電進行有效的防護，它在反應觸電和漏電方面具有高靈敏性和快速性，這是其它開關如自動開關和熔斷器等所不能比擬的。假設人體直接觸及220V相線，人體電阻1000Ω，因中性點接地電阻（4Ω）相對很小，可忽略，因此通過人體的電流Id為：

此電流對人體會產生危險，但對一般自動開關或熔斷器來說卻根本不會動作。因此，必須采用漏電保護開關切斷供電電源保護人身安全。

漏電保護開關按工作原理分為電壓動作型、電流動作型、交流脈動型等。目前電壓動作型趨于淘汰，交流脈動型也應用很少，最常用的是電流動作型漏電保護器（或漏電保護開關）。它的工作原理，如圖1所示。

圖1 漏電保護器工作原理圖

如圖所示：TA-零序電流互感器，二次側繞有線圈，電流線L1，L2，L3及零線N，從TA中穿過，構成其一次側線圈，TA的作用是反應漏電電流信號而構成整個裝置的檢測部分，并經測量、放大、比較后，控制KM的執(zhí)行機構動作功能。在正常情況下漏電保護裝置所控制的電路中沒有人身觸電及漏電等接地故障時，各相電流的相量和等于零，即=0，漏電裝置不動作。當電路中發(fā)生觸電或漏電故障時，回路中有漏電電流流過，這時穿過TA的三相電流相量和不等于零，其相量和為，TA線圈中將感應電壓，放大后，如大于動作電流值，則作用于執(zhí)行元件使漏電保護開關跳閘[1]。

因此，考核漏電保護開關的關鍵部件是漏電流檢測到動作執(zhí)行，使漏電保護開關切斷電路。因此，對漏電保護開關產品的電性能考核是重要的試驗部分。

2.2 標準研究

標準GB16917.1中條款9.10對漏電保護開關的機械和電氣壽命試驗作出了明確要求，例如為了實現(xiàn)小型漏電斷路器產品DZ47LE（3P+N，400V，32A，30mA）的試驗，標準要求試驗應進行2000次的帶載操作循環(huán)，其中1000次操作循環(huán)用手動操作方式進行斷開操作，500次操作循環(huán)用試驗裝置進行斷開操作，500次操作循環(huán)在一極通以的剩余動作電流進行斷開操作；接著不帶負載，再進行2000次的操作循環(huán)。操作頻率要求每分鐘二次操作循環(huán)，接通時間為1.5s～2s[2]。若由人工操作畢竟繁鎖，而且在實現(xiàn)過程中會涉及人為因素對試驗數(shù)據(jù)的影響，影響到檢測的科學性和準確性。且對試驗接通時間長短不易控制，以及試驗過程中樣品若不合格也可能危及試驗人員的人身安全。

因此，假如能夠設計一臺，能對小型漏電斷路器電性能試驗進行自動控制的操作裝置，實現(xiàn)自動操作，以替代人工操作，即省時省力，試驗重復性更好，也使檢測更加科學、公正。

3 自動操作裝置的設計與實現(xiàn)

為了實現(xiàn)該電性能操作要求，該設計的硬件部分通過PLC、機械操作手、操作氣缸、觸摸屏、接觸器、直流供電源等組合起來，通過PLC程序設計實現(xiàn)了一臺漏電保護開關機械和電壽命自動操作裝置，來模擬人工操作。自動操作裝置的整體設計框圖，如圖2所示。

圖2 自動操作裝置的整體設計框圖

由圖2可知，PLC和觸摸屏形成自動操作裝置的控制管理核心，在觸摸屏上面選擇工位和參數(shù)設置，再由PLC執(zhí)行相應的操作步驟試驗程序，由氣缸驅動各個機械手的關節(jié)按試驗流程進行操作，操作過程中各工位的各種狀態(tài)由PLC進行反饋處理，實現(xiàn)計數(shù)、報警等功能。供電模塊是給PLC和觸摸屏提供工作電源。

3.1 硬件和軟件設計

3.1.1 硬件設計

為實現(xiàn)樣品的自動合分操作，替代人工操作，提高工作效率，硬件設計時本裝置設計了三個工位，可實現(xiàn)三臺樣品同時開始試驗。該操作裝置的主電路設計圖，如圖3所示。

圖3 操作裝置的主電路圖

其中，N1為第一工位的公共零線，L1、為第一工位的控制火線，KM1為接觸器，NOISE FILTER為噪聲濾波器，F(xiàn)X1N-60MT為PLC，MT6070IH為觸摸屏，AC220V/DC24V為電子元件直流工作電源模塊[3]。

為了便于該產品安裝操作和試驗時的安全，在外觀設計時將裝置設計成一個柜體（外形尺寸：長1200mm*寬500*高1620mm），分上、下兩層，下層為鋁合金及鍍鋅板圍成封閉式箱體，并設有雙開門，柜內用于安裝PLC、接觸器、壓力閥、以及控制電路板等器件。上層用鋁合金及透明玻璃組成，柜體裝有試品安裝架、氣缸、機械手、工裝夾具等。其中：

（1）PLC是采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。該設計采用三菱產品，它應用FX操作系統(tǒng)，具有編程方便、運行穩(wěn)定、運行速度快、可靠性高等特點。

（2）氣缸是一種在氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能的氣動執(zhí)行元件，由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成，缸筒的內徑大小代表了氣缸輸出力的大小。該設計采用德國進口，需要外供一個空壓源，給氣缸的控制和操作提供動力來源，要求的空氣壓力為5kg/cm2，它的理論推力可達1320N，滿足小型漏電斷路器各種試驗分合操作的推力要求。

（3）機械手是一種能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。該設計采用氣壓驅動式機械手，具有足夠的機械強度和防銹能力，能實現(xiàn)上下、左右、前后多角度調節(jié)功能，通過PLC程序發(fā)出指令對其工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等的準確控制，以滿足不同規(guī)格樣品的試驗步驟要求。

（4）夾具是在試驗時用來迅速緊固樣品，使樣品保持在相對正確位置上的工藝裝置。該文設計了多種規(guī)格的夾具，上面的滑塊應涂有潤滑脂（如鈣基潤滑脂），以便靈活地上下、左右、前后調節(jié)，并與機械手的位置相配合，使樣品在安裝的位置上準確無誤的進行合分操作試驗。

（5）采用透明有機玻璃以便在試驗過程中能清楚地觀察樣品分合操作情況，以及防止試驗過程中出現(xiàn)故障或異常情況的發(fā)生，提高試驗安全性。

3.1.2 軟件設計

該自動操作裝置的軟件設計按照漏電保護開關標準要求的和實際操作的需要進行操作流程設計。設計程序通過PLC控制操作氣缸和機械手的運動過程，通過指令控制氣缸和機械手在何時合分及通過電時間的長短，以及操作次數(shù)各方面的控制，以滿足標準規(guī)定的要求。主要的操作界面如下：

3.1.2.1 主頁操作界面，如圖4所示

圖4 主頁操作界面

當觸按“一工位”鍵時，進入一工位操作畫面；當觸按“二工位”鍵時，進入二工位操作畫面；當觸按“三工位”鍵時，進入三工位操作畫面；當觸按“中文”鍵時，顯示中文操作畫面；當觸按“英文”鍵時，顯示英文操作畫面。

3.1.2.2 工位操作步驟說明，如第一工位的操作步驟，如圖5所示

圖5 第一工位操作界面

其中，“當前狀態(tài)”顯示的是當前的操作狀態(tài)，比如是自動或手動；手動操作：觸按“手動”鍵選擇手動操作，只有在此狀態(tài)手動操作才有效；自動操作：觸按“自動”鍵選擇自動操作；“合閘”是手動合閘動作，只有在脫扣、分閘復位狀態(tài)有效；“脫扣”是手動脫扣動作，只有在合閘、分閘復位狀態(tài)有效；“分閘”是手動分閘動作，只有在合閘、脫扣復位狀態(tài)有效；“啟動”自動狀態(tài)觸按此鍵開始自動動作，手動狀態(tài)/安全門打開無效；“停止”自動狀態(tài)觸按此鍵，一個周期動作結束后停止自動動作；“復位選擇”自動試驗裝置測試模式狀態(tài)下周期觸按此鍵可選擇為復位與不復位，手動狀態(tài)觸按此鍵復位氣缸動作；“當前測試次數(shù)”顯示周期動作的測試次數(shù)，當觸按此鍵經過5s后可清零當前測試次數(shù)；“設定測試次數(shù)”觸按此鍵可設定總測試次數(shù)，可設定值為1～9999999。

操作時需要注意的事項有：切換手動狀態(tài)需在自動停止后方有效；切換自動狀態(tài)時復位手動各動作；各動作時間設定手/自動狀態(tài)均有效；復位選擇手/自動狀態(tài)均有效；自動停止中觸按啟動無效：分/合閘動作異常，觸按手動復位到手動狀態(tài)，觸按啟動復位繼續(xù)自動動作。

報警顯示的功能，在實際使用中非常實用，它起到警示作用。該設計的報警功能主要有：

（1）一工位計數(shù)器滿：當前測試次數(shù)等于設定測試次數(shù)時顯示，觸按當前測試次數(shù)經過5s后復位。

（2）一工位自動停止中：自動狀態(tài)觸按停止時顯示，當一個周期動作完成后復位。

（3）一工位分閘異常：當選擇機械壽命模式，分閘動作完成，產品觸點沒有斷開時顯示，觸按啟動或手動復位。

（4）一工位合閘異常：當選擇機械壽命模式合閘，動作完成，產品觸點沒有閉合時顯示，觸按啟動或手動復位。

（6）一工位熔焊異常：當選擇試驗裝置和漏電電流模式，X001接收到熔焊信號時顯示,觸按手動復位。

3.1.2.3 設置操作畫面，如圖6所示

圖6 設置操作畫面

（1）模式選擇及其對應的實驗接線

①機械和電壽命測試：對試品進行正常合分操作（如1000次合分操作），機械壽命無外加電壓，電壽命需外加電壓。選擇此模式分/合閘氣缸動作，如圖7所示，其中X001為第一工位的通斷和熔焊信號，V-為公共信號線。

圖7 機械和電壽命測試模式

②試驗裝置測試：對試品裝置試驗，即樣品按正常的試驗線路接好，樣品兩端加試驗電壓，然后發(fā)命令給自動操作裝置對樣品的試驗裝置按鈕進行試驗。選擇此模式合閘/試驗按扭氣缸動作, 復位氣缸可選擇動作與不動作，如圖8所示。

圖8 試驗裝置測試模式

③漏電電流測試：對試品進行500次的漏電操作循環(huán)，即對試品一極通以 的剩余動作電流進行斷開操作。選擇此模式合閘/試驗按扭氣缸動作, 復位氣缸動作，如圖9所示，其中KM1-交流接觸器。

圖9 漏電電流測試模式

（2）時間設置

對試驗操作過程中的各個通電時間的整定如下：

信號輸出時間: 觸按此鍵設定完成合閘后,漏電電流輸出信號動作的時間，可設定值0s～999s。

開始動作時間：觸按此鍵設定啟動延時時間,可設定值0s～999s。

分閘動作時間：觸按此鍵設定分閘氣缸伸出動作的時間，可設定值0s～999s。

分閘停止時間：觸按此鍵設定分閘氣缸縮回動作的時間，可設定值0s～199s。

合閘動作時間：觸按此鍵設定合閘氣缸伸出動作的時間，可設定值0s～999s。

合閘停止時間：觸按此鍵設定合閘氣缸縮回動作的時間，可設定值0s～999s。

試驗按鈕動作時間：觸按此鍵設定試驗按鈕氣缸伸出動作的時間，可設定值0s～999s。

試驗按鈕動作時間：觸按此鍵設定試驗按鈕氣缸縮回動作的時間，可設定值0s～999s。

其中，合閘/分閘/試驗按鈕氣缸動作時間設置應大于0.5s，且在試驗裝置與漏電電流模式時，應注意試驗按鈕氣缸和合閘氣缸的碰撞，此時可將合閘停止時間設稍長一點。當接收到熔焊信號，馬上停止各動作且報警，選擇手動復位報警。二、三工位操作方法同一工位，不再贅述。

3.2 成品實現(xiàn)展示

目前，小型漏電保護開關電性能自動操作裝置已形成產品，如圖10所示。在實驗室的實際使用過程當中，運行穩(wěn)定、可靠，具有三個工作同時工作的能力，各機械手上下、前后、左右可調，適應不同大小的小型漏電保護開關產品的試驗，安裝方便，對各試驗程序的操作次數(shù)、通電時間、斷電時間均能準確控制，使得整個電性能試驗的操作更加自動化，檢測的數(shù)據(jù)更加真實，檢測重復性更好，可信度更高，極大提高了小型漏電保護開關電性能試驗的檢測效率，因此，該設備具有一定的創(chuàng)新性。

4 結語

文中對漏電保護開關的工作原理和電性能試驗的標準條款進行研究，設計并實現(xiàn)了一套基于PLC的小型漏電斷路器機械和電壽命自動操作裝置，具有三個工位同時運行的能力，操作簡單、功能完善、運行穩(wěn)定可靠等特點，實現(xiàn)自動操作代替人工操作，大大節(jié)省了人力成本，極大提高了小型漏電斷路器的電機械和電壽命性能試驗的檢測效率，具有較廣闊的應用前景。

圖10 小型漏電保護開關電性能自動操作裝置

[1]進網(wǎng)作業(yè)電工培訓教材[M].遼寧科學技術出版社.

[2]國家標準GB16917.1-2003《家用和類似用途的帶過電流保護的剩余電流動作斷路器（RCBO）第1部分：一般規(guī)則》[S].

[3]龔仲華.三菱FX系列PLC應用技術[M].人民郵電出版社.

A Design and Application of Electrical Properties Device for Small Household Electrical Leakage Protection Switch

CHEN Jin-Shan
(Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality, Fuzhou 350002, Fujian, China)

With the development of society, small household electrical leakage protection switch is used more and more, it is related to the personal and equipment safety operation, therefore, the performance of detection it is very important. This paper makes research on the leakage protection switch principle of work and electric performance test standard clauses, designs and implementations a Electrical Properties Device based PLC, which has three stations at the same time running, simple operation, perfect function, stable and reliable operation, realizes automatic operation, and tests according to the conditions, saves manpower cost greatly, and improves the detection efficiency of small leakage circuit breaker mechanical and electrical life test.

Leakage protection switch; Automatic operation means; Electric life; PLC

2013-11-06

陳金汕，男，福建省產品質量檢驗研究院電器所，副所長，工程師