周永榮，葛佳盛，王思皓，王煜

（國網電力科學研究院，南京210061）

0 引 言

隨著我國電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來越受到關注。作為繼電保護裝置核心器件的繼電器，其穩(wěn)定性直接影響了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定與否，而繼電保護裝置跳閘出口觸點的性能是評估繼電器特性的一項重要指標［1］。目前繼電保護裝置型式試驗主要采用的兩個檢驗依據“IEC 60255-1”和“DL／T 478-2013繼電保護和安全自動裝置通用技術條件”對繼電器的觸點性能提出了明確的技術要求，但是這兩個標準中并未提及繼電器觸點性能測試的具體試驗方法。文獻［1］提出的實現(xiàn)方法，未能對數(shù)據進行后續(xù)處理，只是簡單地用示波器觀看波形的變化，人工判別繼電器觸點性能的相關參數(shù)，效率偏低；距離系統(tǒng)自動化完成繼電器失效模式判別、壽命預測和可靠性評估還有一段距離［2-5］，而目前國內也很少有其他科研機構和廠家對于該試驗裝置進行深入研究。同時隨著第三代電力電子器件IGBT的發(fā)展［3］，這種具有易驅動，峰值電流容量大，自關斷等優(yōu)異性能集于一身的器件被廣泛運用［6-9］。文章以IEC 60255-1和 DL／T 478-2013作為觸點性能試驗［10-11］的依據，以繼電器極限接觸容量試驗為主要研究對象，研究設計了一套繼電器觸點性能試驗全自動測試裝置。

1 試驗要求

IEC 60255-1中的 6.11與 DL／T 478-2013中明確規(guī)定了觸點性能試驗主要包括：

（1）機械耐久：不帶負載接點動作不小于10 000次；接通不小于1 000次，斷開不小于1 000次；

（2）極限接通容量：不小于1 000 W，時間常數(shù)L／R＝40 ms；

（3）連續(xù)和短期通過接點電流：連續(xù)，不小于5 A；短時持續(xù)200 ms，不小于30 A。短時額定工作周期為：接通 200 ms、斷開 15 s；

（4）極限斷開容量：不小于 30 W，L／R＝40 ms。

考慮到極限接通容量測試相較于其他測試內容對方案軟硬件設計要求高，回路功率大、電流變化復雜，對于其他試驗方案在設計上有一定的冗余性。因此文章主要針對極限接通容量測試試驗進行研究與設計。

2 硬件設計

如圖1所示，本系統(tǒng)的硬件主要由三個部分組成，分別為主回路，控制及保護回路和電源供電回路。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

2.1 主回路硬件電路

主回路主要由：直流電源，大功率電阻（通流能力30 A），滑動變阻器（通流能力5 A）以及電感組成，各器件參數(shù)如表1所示。

表1 主回路硬件參數(shù)Tab.1 Hardware parameters of the main circuit

2.2 控制及保護回路

2.2.1 STM32F103VET6單片機最小系統(tǒng)

鑒于某半導體公司的STM32F103VET6單片機擁有主頻高，資源豐富，開發(fā)高效，運行穩(wěn)定等一系列特點，被選為本系統(tǒng)的核心控制器。核心控制模塊的工作框圖及資源分配如圖2所示。

DC 12 V電源輸入后（含50 Hz諧波，會影響單片機核心工作頻率），經兩個線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓濾波后，給單片機最小系統(tǒng)供電。STM32F103VET6單片機首先由定時器配置成8路GPIO（General Purpose Input Output），4路經由光耦放大輸出成15 V有源開出信號，其中1路輸入至IGBT驅動器控制IGBT模塊的工作狀態(tài)，其余三路接至接線端子，可作為其他用途的有源15 V輸出；4路經由光耦放大輸出成24 V有源開出信號，其中2路驅動DC 24 V繼電器，作為2路無源開出，其余2路接至接線端子，可作為其他用途的有源24 V輸出。IGBT驅動模塊的一個有源開出腳，經由光耦進行電平轉換輸入至單片機，實現(xiàn)系統(tǒng)對IGBT工作狀態(tài)的監(jiān)控。為了完善人機交互功能，為實驗提供豐富的數(shù)據，特意采用1.7寸LCD和8個按鈕組成了人機交互模塊。同時預留了一組以太網接口和一組USB接口，方便和PC機進行 數(shù)據交互。

圖2 控制模塊工作框圖Fig.2 Block diagram of the control module

2.2.2 IGBT模塊及IGBT驅動模塊

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊和IGBT驅動模塊的選型主要考慮以下兩點因素：

（1）IGBT的通流能力（觸點性能試驗主回路最大電流為30 A）；

（2）IGBT集電極和發(fā)射極所能承受的電壓（觸點性能試驗主回路電壓為DC 250 V，經試驗測得電路斷開瞬間電感兩端電壓最高為279 V）；

綜合各方資料，考慮了一定的設計裕度，最后選定如表2所示的搭配驅動方案。

表2 IGBT驅動電路器件型號Tab.2 Devices type of IGBT drive circuit

2.2.3 RC能量吸收回路設計

由于觸點性能接通試驗中串入了一個L＝2 H的電感，主回路工作時的穩(wěn)態(tài)電流為5 A，并且根據試驗邏輯，IGBT必須先于被測觸點斷開，因此電感兩端產生的高壓電動勢將會加載在IGBT的CE兩端，長久如此勢必造成IGBT壽命縮短，提前損壞。因此如圖3所示，方案設計在IGBT的集電極（C）和發(fā)射極（E）兩端接入一個RC電路組成的充放電回路，用于吸收電感產生的浪涌電動勢，并通過一組大功率電阻以熱能的形式將能量釋放出去，有效的保護了IGBT，提高了主回路的安全性。

通過配置IGBT驅動模塊2BB0108T的驅動電阻將IGBT的開關速度設定為35 ms，所以關斷瞬間電感兩端產生的電壓U1為：

因此吸收電容的電壓值必須大于285 V，考慮目前市場常見電容的電壓等級，故選擇電壓等級為400 V的電容。而電容大小應滿足：

故：

最后確定電解電容的參數(shù)為400 V，470μF。

2.2.4 電流采集模塊

由于IEC 60255-1中6.11條規(guī)定整個觸點性能試驗的次數(shù)不得小于2 000次，考慮每次試驗預留電容放電的時間，每個試驗周期按照20 s計算，一次完整的合閘試驗需要耗時11小時，若通過人工監(jiān)視的方式，勢必會導致效率低下。

在極限接通容量測試中，被測繼電器合閘后，主回路會產生電流，電流經過3～4個時間常數(shù)（160 ms）后趨于穩(wěn)定，若合閘失敗，則穩(wěn)態(tài)電流會很小，根據此判據來判定本次試驗是否成功。同時，電流傳感器還可以時刻監(jiān)控主回路電流的異樣，一旦發(fā)現(xiàn)IGBT損壞或者被測繼電器出現(xiàn)一些未知錯誤導致主回路電流過大，則可及時中斷試驗，保證人員和儀器財產的安全。電流采集模塊本質上是將本系統(tǒng)變成一個閉環(huán)系統(tǒng)的關鍵方法，也是本系統(tǒng)全自動化測試最核心的器件之一。據此，本方案采用了一個電流互感器，對主回路的電流進行采樣，并將電流值轉換成2.5 V±2.5 V的電壓信號傳輸給單片機，單片機通過ADC采樣將其變?yōu)閿?shù)字信號提供給程序使用。

圖3 能量吸收回路電路圖Fig.3 Circuit diagram of energy absorption

2.2.5 電源模塊

考慮到系統(tǒng)設計效率和安全性，電源模塊直接采用某公司的AC-DC電源轉換模塊。如圖4所示，本方案采用了三個直流電壓等級支撐系統(tǒng)運行，三者之間采用光耦進行隔離。

圖4 電源模塊工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of power module

交流220 V進入三個AC-DC模塊，+12 V給單片機采樣控制模塊供電；+15 V給IGBT驅動模塊供電，并且通過光耦隔離方式，作為有源開出信號輸出；+24 V通過光耦隔離的方式，作為有源開出信號輸出，并且驅動2組繼電器作為無源開出接口。

3 軟件設計

分析系統(tǒng)全自動測試工作邏輯，本系統(tǒng)的軟件設計分為三個模塊：系統(tǒng)初始化模塊、中斷處理函數(shù)模塊、主回路電流采集模塊。

（1）系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要作用是配置STM32F103VET6單片機的底層資源功能，包括IO驅動，屏幕驅動能功能，為系統(tǒng)的安全可靠工作提供底層支持。

（2）中斷處理函數(shù)

由于系統(tǒng)的主函數(shù)主要負責對IGBT和被測繼電器的開關邏輯進行控制，因此軟件中設計了2個中斷服務函數(shù)分別對IGBT驅動模塊的工作狀態(tài)腳和主回路的電流進行定時中斷采樣，一旦IGBT驅動模塊的工作狀態(tài)腳變?yōu)楦唠娖交蛘咧骰芈冯娏鞔笥?.5 A時，此時說明系統(tǒng)進入了嚴重錯誤狀態(tài)，為了保證人身財產安全，試驗必須被終止，發(fā)出告警信號并通知相關檢驗員對被測樣品和系統(tǒng)進行檢查。

（3）主回路電流采樣程序

主回路電流采樣程序主要用于對IGBT和被測繼電器變位后的回路電流進行采集計算。本系統(tǒng)采樣用定時ADC采樣與DMA存儲相結合的模式，提高采樣精度和效率，降低CPU的負擔。

由于主回路電流L／R常數(shù)為40 ms，根據電路模型，回路電流在3～4個時間常數(shù)（120 ms～160 ms）后趨于穩(wěn)定；如圖5所示，為保證將整個回路電流波形［12］采集完畢，因此通過總線時鐘分頻的方法，將ADC采樣周期設置為0.11 ms，即采樣頻率9.1 kHz，AD數(shù)據精度為16位，共采集2 500個點。因此一個采樣邏輯循環(huán)結束，采樣時長275 ms，占用內存5K，將整個上升波形采集完畢。

圖5 電流采樣示意圖Fig.5 Schematic diagram of current sampling

圖6 全自動測試程序流程圖Fig.6 Flow chart of automatic test program

（4）主程序流程

全自動測試程序流程圖如圖6所示。

4 實測結果及典型誤差分析

下面通過一個實測討論典型誤差分析。這里以圖7、圖8的硬件連接方式作為極限接通容量的典型性測試。

圖7 試驗裝置整體圖Fig.7 Overall picture of test devices

圖8 控制及保護回路實物圖Fig.8 Physical picture of control and protection circuit

圖9為一個測試周期的系統(tǒng)實際運行波形。表3為主要參數(shù)的理論值與實際值的對比。

表3 主要參數(shù)誤差對比表Tab.3 Comparison of the main parameters

圖9 系統(tǒng)實際運行波形Fig.9 Actual operating waveform of the system

分析圖9和表3不難發(fā)現(xiàn)，主回路和RC能量吸收回路主要參數(shù)的實際值和理論值存在一定的誤差，但是誤差都在可接受范圍內，由此可見電路方案設計合理，IGBT模塊工作在安全區(qū)。但在分析系統(tǒng)的工作情況后，發(fā)現(xiàn)誤差主要來源于以下兩點：

（1）電感在常溫狀態(tài)下，內阻r＝2.1Ω，電感L＝2 H，試驗初始時整個回路的電阻值也是基于電感內阻的大小，調節(jié)滑動變阻器的值，讓 τ＝40 ms；在2 000次的試驗過程中，電感中會產生渦流導致電感溫度上升，電感的內阻也隨之變大，當試驗次數(shù)接近結束時，τ＜40 ms。下一步考慮采用類似油浸式電感方案進行改良；

（2）電路中一些接觸點采用鱷魚夾連接，故接觸點的電阻在一定范圍內不可控且難以計算，因此導致實際值和理論值會有一些偏差。

5 結束語

以IEC 60255-1和DL／T 478-2013作為觸點性能試驗的依據，以繼電器極限接觸容量試驗為主要研究對象，以模塊化的方式設計了三大硬件模塊，通過理論分析計算對各器件的參數(shù)做了分析選型，制作了PCB板，編寫了相關單片機采集控制程序，實現(xiàn)了繼電器觸點性能試驗全自動測試的功能，最后通過實物測試記錄分析了系統(tǒng)運行波形等參數(shù)，對誤差進行了分析和控制。經多次試驗，裝置工作穩(wěn)定，可靠，高效，基本滿足了以IEC 60255-1和DL／T 478-2013為檢驗依據的型式試驗的需要。