CN113866619A - 一种继电器耐久性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于继电器耐久性的测试技术领域，公开了一种继电器耐久性测试装置及方法。包括交流程控源、PC客户端、台体、程控负载箱和程控电抗器；本发明提供了一种能够带动实负载，功率因素与电流值输出值可调，并能控制电能表的继电器开合闸时间和次数的测试装置。解决了如今大多数测试装置只能带动虚负载，不能模拟实际情况中继电器的使用环境与不满足GB/T 17215.231电能表安全要求中对电能表用继电器耐久性的测试要求的难题，并提高了测量准确度。

Description

一种继电器耐久性测试装置及方法

技术领域

本发明属于继电器耐久性的测试技术领域，尤其涉及一种继电器耐久性测试装置及方法。

背景技术

继电器开关断开时存在感性负载的电路会产生反向电动势即通断过电压：

当电压超过20V时就会在空气中产生电弧，因此感性负载的存在会使加剧继电器开合时电弧侵蚀的能力。随着电弧侵蚀能力的增强，继电器的可靠性寿命也会随之下降。电能表继电器作为电能表的主要功能元件，其损坏，就意味着电能表的损坏。经国网统计，在电能表故障因素的原因分析中，继电器故障占电能表故障原因的60％。

现有的测试方法大多通过虚拟功率源来模拟实际的用电环境，来测试继电器的通断情况。但虚拟功率源中电压与电流是完全独立的，并没有其他负载，这造成了他的实际输出功率非常小，并且电能表继电器的开合会导致电流回路单独切断，而电压回路不切断,从而导致虚拟功率源报警的情况；或使用小型开关电源，提供电流电压在继电器开关中流动。但该方法存在功率较小，能提供的电流范围较低，功率因素调节不方便等问题。电能表作为一个直接接在电网中的电气元件，其额定电流要比开关电源中提供的电流要高，且会存在功率因素不等于1的情况。所以开关电源难以符合用于电能表继电器测试的要求。

论文《电能表用继电器寿命试验***的设计及其应用》在论文中，其测试装置仅提供了继电器的驱动装置和与继电器控制装置。并没有很好的模拟实际情况中电能表继电器的使用情况，即没有提供模拟实际用电环境的电流，也无法直接测试电能表，必须将电能表中的继电器拆下来测试，这大大增加了测试的时间。

发明内容

本发明目的在于提供一种继电器耐久性测试装置及方法,以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种继电器耐久性测试装置及方法的具体技术方案如下：

一种继电器耐久性测试装置，包括交流程控源、PC客户端、台体、程控负载箱和程控电抗器；所述交流程控源从电网接入市电，并与台体连接，交流程控源起到一个电源开关的作用；所述程控负载箱和程控电抗器通过RS485与所述台体连接；所述台体上具有挂表架、信息采集单元、MCU主控单元、电抗器控制单元和485通信接口；所述电能表挂在挂表架上，并与台体连接，电能表与台体包括电路线路和RS485线路连接；所述PC客户端通过RS485与台体连接，PC客户端用于发送控制命令给MCU主控单元，所述MCU主控单元连接电抗器控制单元，所述电抗器控制单元连接程控电抗器，对程控电抗器进行控制；所述MCU主控单元通过RS485将程控负载箱和程控电抗器的信息传回到PC客户端，实现负反馈控制以调节测试装置输出的功率因素和电流值；所述信息采集单元通过RS485收集程控负载箱和程控电抗器的传回数据获得电能表内继电器的退化信息。

进一步的，所述电抗器控制单元包括动合型继电器K1、转换型继电器K2、正转接触器KM1和反正接触器KM2；所述MCU主控单元连接动合型继电器K1、动合型继电器K1连接转换型继电器K2、转换型继电器K2一个触点连接正转接触器KM1，另一个触点连接反正接触器KM2，正转接触器KM1和反正接触器KM2连接程控电抗器；所述PC客户端传输命令给MCU主控单元，MCU主控单元控制动合型继电器K1的通断实现正转接触器KM1或反正接触器KM2的线圈上下电；所述转换型继电器K2根据PC客户端的指令实现正转接触器KM1或反转接触器KM2的选择闭合。

本发明还公开了一种继电器耐久性测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：初始化设备状态，使程控电抗器控制电机处于初始位置，程控负载箱无电流输出；

步骤2：在PC客户端界面上输入想要调节的目标功率因素和目标电流值；

步骤3：按下开始调节按钮后，PC客户端发送的命令程序开始自动调节功率因素和电流值至目标值输出；

步骤4：调节完毕后，在PC客户端界面设置继电器通断时间和次数；

步骤5：按下开始测试按钮后，设备就会自动开始测试，直到继电器通断时间和次数达到设置的值；

步骤6：信息采集单元通过RS485收集程控负载箱和程控电抗器的传回数据获得继电器的退化信息。

进一步地，步骤3的算法步骤如下：

步骤3.1：读取PC客户端界面上设置的目标功率因素

目标电流值(I)和电能表的额定电压(U)；

步骤3.2：已知在RL并联电路中电阻的关系为

通过三角函数求出

的值，并代入I，U，求得R，将程控负载箱阻值设为R；

步骤3.3：根据在RL并联电路中有

和

所以当U和I是固定值时、当已知R时X_L也已知；即有当程控负载箱设置好目标R值时，控制程控电抗器电感值变化的直流电机一直转动，直到电流等于目标值时，再停止，根据电流三角形，有

所以这时功率因素也等于目标值。

进一步地，步骤4的继电器控制流程如下：

步骤4.1：通过将电能表上的485通信接口转换为USB接口连接到PC客户端上；

步骤4.2：PC端程序打开与被测电能表的通信串口；

步骤4.3：利用698通信协议以TCP通信的方式，将被测电能表的地址发送到测试装置的加密机服务器中；

步骤4.4：加密机服务器通过发送回复报文，并通过485通信接口验证电能表地址；

步骤4.5:验证回复后加密机服务器回复验证成功报文；

步骤4.6：保持电能表与服务器的连接后，按照设置的继电器通断方案，发送指令给服务器，服务器确认与电能表的连接后，通过485通信接口控制电能表内继电器按方案进行通断，直到通断次数满足在操作界面设置的阈值。

进一步地，步骤6的信息采集模块采用超程时间算法观察继电器的退化趋势，具体工作流程如下：步骤6.1：在继电器开始工作前，开始接收连接在继电器上的示波器数据；

步骤6.2：控制继电器闭合；

步骤6.3：截取闭合后的一段时间的示波器数据，通过横纵坐标计算出这一段时间峰顶和峰谷的位置，截取第一个峰顶的时间之前的波形数据，并计算该段波形的斜率，最后从这段波形数据中提取纵坐标为0斜率不为0时的横坐标作为t0；

步骤6.4：将第一个峰谷的横坐标作为t1；

步骤6.5：计算出超程时间＝t1-t0。

本发明的继电器耐久性测试装置及方法具有以下优点：

(1)本发明可模拟实际用电环境中，功率因素不是导致的继电器开合时产生的电弧存在时间更长的效果。从而减少不正确的测试环境给继电器耐久性测试的结果带来误差。提高了测试的准确性。

(2)实际的输出功率和电流值同时可调，不会出现只能调节功率因素，输出电流不可控情况。

(3)提供实际功率源，由于电能表结构原因，继电器的开合会切断虚拟功率源的电流回路，但不会导致电压源的切断，因此会导致虚拟功率源报警，使继电器的开合试验无法正常执行。

(4)能提供14A-90A的大电流，并实现功率因素感性自由可调。

附图说明

图1为本发明的测试装置整体框架示意图；

图2为本发明的电抗器控制单元结构示意图；

图3为本发明的总体程序运行流程图；

图4为本发明的目标功率因素和电流值调节流程图；

图5为本发明的继电器测试控制流程图；

图6为本发明的吸合时间算法流程图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种继电器耐久性测试装置及方法做进一步详细的描述。

如图1所示，一种继电器耐久性测试装置，包括交流程控源、PC客户端、台体、程控负载箱和程控电抗器；交流程控源从电网接入市电，并与台体连接，交流程控源主要起到一个电源开关的作用。程控负载箱和程控电抗器通过RS485与台体连接。台体上具有挂表架、信息采集单元、MCU主控单元、电抗器控制单元和485通信接口；电能表挂在挂表架上，并与台体连接，电能表与台体包括电路线路和RS485线路连接；PC客户端通过RS485连接上台体，PC客户端用于发送控制命令给MCU主控单元，MCU主控单元连接电抗器控制单元，电抗器控制单元连接程控电抗器，对程控电抗器进行控制。同时MCU主控单元通过RS485将程控负载箱和程控电抗器的信息传回到PC客户端、实现负反馈控制以调节测试装置输出的功率因素和电流值。信息采集单元通过RS485收集程控负载箱和程控电抗器的传回数据获得电能表内继电器的退化信息。

如图2所示，电抗器控制单元包括动合型继电器K1、转换型继电器K2、正转接触器KM1和反正接触器KM2。MCU主控单元连接动合型继电器K1、动合型继电器K1连接转换型继电器K2、转换型继电器K2一个触点连接正转接触器KM1，另一个触点连接反正接触器KM2，正转接触器KM1和反正接触器KM2连接程控电抗器。PC客户端传输命令给MCU主控单元，MCU主控单元控制动合型继电器K1的通断实现正转接触器KM1或反正接触器KM2的线圈上下电；转换型继电器K2根据PC客户端的指令实现正转接触器KM1或反转接触器KM2的选择闭合。

如图3所示，一种继电器耐久性测试方法的总体流程包括如下步骤：

(1)初始化设备状态，使程控电抗器控制电机处于初始位置，程控负载箱无电流输出。

(2)在PC客户端界面上输入想要调节的目标功率因素和目标电流值。

(3)按开始调节按钮后，PC客户端发送的命令程序开始自动调节功率因素和和电流值至目标值输出。

(4)调节完毕后，在PC客户端界面设置继电器通断时间和次数。

(5)按开始测试按钮后，就会自动开始测试，直到继电器通断时间和次数达到设置的值。

如图4所示，输出值调节控制处理算法步骤如下：

(1)读取PC客户端界面上设置的目标功率因素

目标电流值(I)和电能表的额定电压(U)。

(2)已知在RL并联电路中电阻的关系为

通过三角函数求出

的值，并代入I，U，求得R，将程控负载箱阻值设为R。

(3)根据在RL并联电路中有

和

所以当U和I是固定值时、当已知R时X_L也已知。即有当程控负载箱设置好目标R值时，控制程控电抗器电感值变化的直流电机一直转动，直到电流等于目标值时，再停止，根据电流三角形，有

所以这时功率因素也等于目标值。

如图4所示，继电器控制流程如下：

(1)通过将电能表上的485通信接口转换为USB接口连接到PC客户端上。

(2)PC端程序打开与被测电能表的通信串口。

(3)利用698通信协议以TCP通信的方式，将被测电能表的地址发送到测试装置的加密机服务器中。

(4)加密机服务器通过发送回复报文，并通过485通信接口验证电能表地址。

(5)验证回复后加密机服务器回复验证成功报文。

(6)保持电能表与服务器的连接后，按照设置的继电器通断方案，发送指令给服务器，服务器确认与电能表的连接后，通过485通信接口控制电能表内继电器按方案进行通断，直到通断次数满足在操作界面设置的阈值。

如图5所示，信息采集模块的工作流程如下：

已知超程时间是最能代表继电器失效趋势的退化数据，通过分析超程时间能有效观察到继电器的退化趋势，对于分析继电器可靠性寿命有极大的帮助。

超程时间算法：

(1)在继电器开始工作前，开始接收连接在继电器上的示波器数据；

(2)控制继电器闭合；

(3)截取闭合后的一段时间的示波器数据，通过横纵坐标计算出这一段时间峰顶和峰谷的位置，截取第一个峰顶的时间之前的波形数据，并计算该段波形的斜率。最后从这段波形数据中提取纵坐标为0斜率不为0时的横坐标作为t0；

(4)将第一个峰谷的横坐标作为t1。

(5)计算出超程时间＝t1-t0。

综上所述，

(1)本方法提供了一套满足GB/T 17215.231电能表安全要求中对负荷开关安全性能测试要求的测试设备，同时该设备也可以用于其它需要模拟实际用电环境的测试。

(2)本装置可支持大电流，最高电流可到90A。

(3)本设备测试方便，只需要直接于电能表相连，即可测试到内部的继电器，不需要拆卸出来，单独测试，以尽可能模拟实际情况，减少某种环境因素的缺失，导致测试结果的误差增大。

(4)本设备是实负载，且通RL并联电路实现了将电路变成感性和功率因素的可调，以模拟实际用电环境中，功率因素不是1时，容易产生更长时间电弧的情况。

(5)能通过算法自动获取继电器的退化数据，实现全自动化测试。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种继电器耐久性测试装置，包括交流程控源、PC客户端、台体、程控负载箱和程控电抗器；其特征在于，所述交流程控源从电网接入市电，并与台体连接，交流程控源起到一个电源开关的作用；所述程控负载箱和程控电抗器通过RS485与所述台体连接；所述台体上具有挂表架、信息采集单元、MCU主控单元、电抗器控制单元和485通信接口；所述电能表挂在挂表架上，并与台体连接，电能表与台体包括电路线路和RS485线路连接；所述PC客户端通过RS485与台体连接，PC客户端用于发送控制命令给MCU主控单元，所述MCU主控单元连接电抗器控制单元，所述电抗器控制单元连接程控电抗器，对程控电抗器进行控制；所述MCU主控单元通过RS485将程控负载箱和程控电抗器的信息传回到PC客户端，实现负反馈控制以调节测试装置输出的功率因素和电流值；所述信息采集单元通过RS485收集程控负载箱和程控电抗器的传回数据获得电能表内继电器的退化信息。

2.根据权利要求1所述的继电器耐久性测试装置，其特征在于，所述电抗器控制单元包括动合型继电器K1、转换型继电器K2、正转接触器KM1和反正接触器KM2；所述MCU主控单元连接动合型继电器K1、动合型继电器K1连接转换型继电器K2、转换型继电器K2一个触点连接正转接触器KM1，另一个触点连接反正接触器KM2，正转接触器KM1和反正接触器KM2连接程控电抗器；所述PC客户端传输命令给MCU主控单元，MCU主控单元控制动合型继电器K1的通断实现正转接触器KM1或反正接触器KM2的线圈上下电；所述转换型继电器K2根据PC客户端的指令实现正转接触器KM1或反转接触器KM2的选择闭合。

3.一种利用如权利要求1或2所述的装置进行继电器耐久性测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：初始化设备状态，使程控电抗器控制电机处于初始位置，程控负载箱无电流输出；

步骤2：在PC客户端界面上输入想要调节的目标功率因素和目标电流值；

步骤3：按下开始调节按钮后，PC客户端发送的命令程序开始自动调节功率因素和电流值至目标值输出；

步骤4：调节完毕后，在PC客户端界面设置继电器通断时间和次数；

步骤5：按下开始测试按钮后，设备就会自动开始测试，直到继电器通断时间和次数达到设置的值；

步骤6：信息采集单元通过RS485收集程控负载箱和程控电抗器的传回数据获得继电器的退化信息。

4.根据权利要求3所述的继电器耐久性测试方法，其特征在于，步骤3的算法步骤如下：

步骤3.1：读取PC客户端界面上设置的目标功率因素

目标电流值(I)和电能表的额定电压(U)；

步骤3.2：已知在RL并联电路中电阻的关系为

通过三角函数求出

的值，并代入I，U，求得R，将程控负载箱阻值设为R；

步骤3.3：根据在RL并联电路中有

和

所以当U和I是固定值时、当已知R时X_L也已知；即有当程控负载箱设置好目标R值时，控制程控电抗器电感值变化的直流电机一直转动，直到电流等于目标值时，再停止，根据电流三角形，有

所以这时功率因素也等于目标值。

5.根据权利要求3所述的继电器耐久性测试方法，其特征在于，步骤4的继电器控制流程如下：

步骤4.1：通过将电能表上的485通信接口转换为USB接口连接到PC客户端上；

步骤4.2：PC端程序打开与被测电能表的通信串口；

步骤4.3：利用698通信协议以TCP通信的方式，将被测电能表的地址发送到测试装置的加密机服务器中；

步骤4.4：加密机服务器通过发送回复报文，并通过485通信接口验证电能表地址；

步骤4.5:验证回复后加密机服务器回复验证成功报文；

步骤4.6：保持电能表与服务器的连接后，按照设置的继电器通断方案，发送指令给服务器，服务器确认与电能表的连接后，通过485通信接口控制电能表内继电器按方案进行通断，直到通断次数满足在操作界面设置的阈值。

6.根据权利要求3所述的继电器耐久性测试方法，其特征在于，步骤6的信息采集模块采用超程时间算法观察继电器的退化趋势，具体工作流程如下：

步骤6.1：在继电器开始工作前，开始接收连接在继电器上的示波器数据；

步骤6.2：控制继电器闭合；

步骤6.3：截取闭合后的一段时间的示波器数据，通过横纵坐标计算出这一段时间峰顶和峰谷的位置，截取第一个峰顶的时间之前的波形数据，并计算该段波形的斜率，最后从这段波形数据中提取纵坐标为0斜率不为0时的横坐标作为t0；

步骤6.4：将第一个峰谷的横坐标作为t1；

步骤6.5：计算出超程时间＝t1-t0。

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