要旨：電気防火電流制限保護器の電気性能の自動試験を実現するために、LabVIEWに基づく電気防火電流制限保護器の電気性能自動試験装置を開発した。この装置は0-40 A、0-63 A、160-250 Aなどの多種の規格の電気防火電流制限保護器の電気性能の自動試験を実現することができる。試験内容は短絡限流試験、過負荷保護試験、電圧変動試験を含む。試験装置は短絡限流試験波形と過負荷保護試験波形を自動的に捕獲し、短絡限流時間と過負荷保護時間を正確に計算し、波形、データを記憶し、試験報告書を生成することができる。定格動作電圧220 V、電流10 Aの電気防火電流制限保護器を被試験例として選択して試験を行い、試験結果により、開発した試験装置は試験効率と安全性能を高め、試験コストを下げ、電気防火電流制限保護器の電気ガス性能試験の自動化と知能化を実現した。

キーワード：電気防火電流制限保護器、たんらくげんりゅう

一、はじめに

ここ数年来、線路の短絡、過負荷及び電気設備の故障などの原因による電気火災はすでにすべての火災の中で発生頻度が高く、損失が大きい一類の火災となっており、中国消防年鑑によると、2014-2017年の電気火災の数が全体火災の数に占める割合は年々上昇傾向にあり、2017年には35.7%に達し、人民の生命財産の安全に極めて大きな脅威をもたらした。電気回路が短絡した場合、既存の機械式遮断器には遮断速度が遅く、短絡電流を制限できない、遮断するとアークが発生するなどの問題があるため、事故が拡大することがよくあり、例えばハルビンの「8・25」と北京大興の「11・18」の2件の重大な死傷者を出した火災事故はいずれも電気回路が短絡し、機械遮断器が確実に保護できず、周囲の可燃物を引火したことによるものである。火災の危険性を低減するため、全国消防標準化技術委員会火災探査・警報分技術委員会は関連企業と共同で相応の国家基準「電気火災監視システム第6部：電気防火限流式保護器」を制定し、電気防火限流保護器に短絡限流時間が150μsを超えないように要求した。電気短絡故障に対してマイクロ秒レベルの電流制限保護を実現することができ、電気回路短絡による火災事故を大幅に低減することができる。現在、この基準は承認フェーズにあります。

試験装置の開発と試験基準の承認申請を同時に行うことを実現するために、基準が正式に制定された後の順調な実施のために基礎を築いた。そのため、試験基準の要求を満たす試験方法に基づいて、試験効率をさらに高め、試験コストを下げ、LabVIEWに基づく電気防火限流保護器電気性能自動試験装置を設計、開発し、この試験装置を利用して多種の規格の電気防火限流保護器電気性能自動試験を実現することができ、試験内容は短絡限流試験、過負荷保護試験、電圧変動試験を含む。試験終了後に試験報告書を自動的に生成し、電気防火限流保護器の電気性能試験の自動化とインテリジェント化を実現した。

二、全体方案の設計

2.1方案設計根拠

基準における電気防火電流制限保護器の電気性能試験に関する規定に基づき、短絡電流制限試験回路を図1に、過負荷保護試験回路を図2に示す。図1及び図2中のGRは電圧源、TRは被試験片、Sは単刃単投スイッチ、Rは0.01Ω無感サンプリング抵抗、CRはオシロスコープ、Tはボタンスイッチ、Z 1は3 ~ 6 A抵抗性負荷、図2中Aはクランプ電流計、Z 2は25 ~ 50 A抵抗性負荷である。

短絡電流制限試験ステップ：被試験サンプルを図1に示すように設備と接続し、スイッチSを閉じ、保護器が正常に動作し、ボタンスイッチTを押し、閉じた瞬間オシロスコープに表示されるR両端電圧波形を記録し、観察し、被試験サンプルの短絡電流制限時間を記録する。

図1短絡限流試験回路

過負荷保護試験手順：被試験片を図2に示すように設備と接続し、導線にクランプ式電流計Aをはめ込み、スイッチSをオンにした後、試験片の過負荷保護時間を記録する。

電圧変動試験ステップ：被試験片を正常な動作要求に従って配置し、それぞれ定格電圧の110%と85%に従って試験片に電力を供給し、上述の短絡限流試験と過負荷保護試験を繰り返した。

図2過負荷保護試験回路

2.2全体設計方案

標準に規定された試験方法に基づいて、LabVIEWに基づく電気防火限流保護器の電気性能自動試験装置を設計し、装置全体方案の設計ブロック図を図3に示す。LabVIEWに基づく試験ソフトウェアは工業制御機にインストールされ、試験ソフトウェアは電圧検出モジュール、高速電流収集モジュールを通じてそれぞれ調圧器出力側の電圧と線路中の電流を収集し、試験内容に基づいて調圧器出力電圧、調整可能負荷切替抵抗値、接触器KMスイッチ状態及び短絡分岐路が短絡しているかどうかを自動的に制御する。

図3全体スキーム設計ブロック図

三、ハードウェア設計

ハードウェア設計は主に工業制御機、給電ユニット、調整可能負荷、高速電流収集モジュール、短絡分岐と電圧検出モジュールの選択と設計を含む。工業制御機は研究華会社のIPC-610 Lを選択使用する、調整可能負荷型式はRXF-AC 220 V 1-64 A交流負荷で、調整可能負荷にDC 24 Vリレーが取り付けられ、制御リレーを通じて抵抗値の切り替えができる、高速電流収集モジュールは固緯MDO-2000 Eシリーズ多機能混合域オシロスコープを選択し、周波数帯域幅は200 MHzで、比較的大きいリアルタイムサンプリング率は1 GSa/sに達することができる。

3.1給電ユニットの設計

電気防火電流制限保護器に電気性能試験を行う場合、電圧変動試験を行い、それぞれ定格電圧の110%（約242 V）と85%（約187 V）で被試験電気防火電流制限保護器に電力を供給する必要がある。そのため、給電ユニットは入力電圧が交流220 V、出力電圧が0 ~ 250 Vの要求を満たし、被試験片及び装置全体に給電する。給電ユニットのハードウェア回路を図4に示す。

図4給電ユニットのハードウェア回路図

給電ユニットは調圧器、ステッピングモータ、ステッピングモータドライバから構成される。選択された調圧器の型番はTEGC 2 J-30 KVAで、入力電圧は単相220 V、出力電圧は0 ~ 250 V、出力定格動作電流は120 Aで、選択されたステッピングモータドライバの型番はHST 884 Aで、直流24 ~ 50 Vで電力を供給する。工業制御機はステッピングモータを制御することによって調圧器の出力電圧を調整することができ、手動操作を回避することができる。

3.2短絡分岐設計

短絡電流制限試験を行う場合、接触器と双方向制御可能なシリコンは短絡分岐路を構成する。短絡分岐として双方向サイリスタを選択した場合、短絡発生の位相角を正確に制御することができるが、サイリスタ導通時にオン状態電圧降下が存在するため、短絡電流の増加をある程度制限することがある。コンタクタは導通時に抵抗が小さく、コンタクタの原因で短絡電流の大きさに影響することはないが、短絡発生の位相角を制御することはできない。短絡発生の位相角に要求がある場合、短絡分岐として双方向制御可能なシリコンを選択する、短絡発生の位相角に要求がない場合は、短絡分岐として接触器を選択する。短絡分岐ハードウェア回路は図5に示すように、選択された双方向制御可能シリコンTRIACモデルはMTC 1000 A、定格電流1000 A、定格電圧1600 Vであり、制御可能シリコントリガモデルはSCR-Yであり、トリガ電力が大きく、3000 A以内の制御可能シリコンを直接トリガすることができる。過負荷保護試験を行う時、コントローラは制御可能シリコンフリップフロップの遮断パルス信号を制御し、双方向制御可能シリコンは導通しない、または接触器を切断し、短絡分岐は切断する、短絡電流制限試験を行う際、コントローラは制御可能シリコンフリップフロップを制御してパルス信号を発し、双方向制御可能シリコンを導通状態または接触器を閉じ、負荷を短絡する。

図5短絡分岐回路

3.3電圧検出モジュールの選択と設計

電圧検出モジュールを用いて給電ユニットの出力側の交流電圧を検出し、選択した電圧検出モジュールの型番はKBM-44交流電圧分離トランスミッタであり、この交流電圧分離トランスミッタの電圧検出範囲は0 ~ 250 Vであり、modbus通信プロトコルをサポートし、直接上位機との間で通信を行い、検出した交流電圧有効値を上位機試験ソフトウェアにアップロードすることができる。

1. ソフトウェア設計

LabVIEWのグラフィックス化されたプログラミングの特徴と柔軟で効果的な機器制御方式を活用し、開発されたテストソフトウェアにより高い信頼性を持たせるために、LabVIEW 2018に基づいて装置のテストソフトウェアを開発した。LabVIEWは米国国立計器（NI）社が開発したもので、Gプログラミング言語を基礎として、開発テスト、測定及び計器制御の理想的な選択であり、データ収集、制御、データ分析と画像表示などに適しており、現在では各種テスト領域に広く応用されている。

テストソフトウェアは、テストインタフェースとテストプログラムの2つの部分から構成されています。テストインタフェースはテストパラメータとテスト内容を設定するために使用されます。試験手順は設定された試験パラメータと試験内容に基づいて対応する操作を実行し、主に電力供給プログラム、短絡限流試験プログラム、過負荷保護試験プログラム、時間計算サブルーチンを含む。

4.1ソフトウェアインタフェース設計のテスト

試験ソフトウェアインタフェースは図6に示すように、左側に給電電圧ラジオボタン、パラメータ確認ボタンと給電電圧確認ボタンが設置され、電圧変動試験に対して、給電電圧ラジオボタンの中に187、220、242 Vの3つの電圧が設置され、試験内容に基づいて選択することができる。右側には定格動作電流列挙ボタン、短絡限流試験ボタン、過負荷保護試験ボタン、報告生成ボタンが設置され、定格動作電流列挙ボタンには10、20、32、63 Aの4つの規格が設置され、被試験サンプルの規格に応じて対応する定格動作電流を選択することができる。

図6ソフトウェアインタフェースのテスト

4.2電力供給プログラミング

試験装置の給電プログラムのフローチャートを図7に示す。電気防火電流制限保護器に電圧変動試験を行う場合、調圧器出力側は187 Vと242 Vの電圧を提供する必要がある、短絡電流制限試験及び過負荷保護試験を行う場合、調圧器出力側は220 Vの電圧を供給する必要がある。ソフトウェアインタフェースをテストして給電電圧を選定した後、ソフトウェアは電圧検出モジュールを通じてリアルタイムでレギュレータ出力側の電圧有効値を読み取り、設定された電圧範囲内にあるかどうかを判断し、範囲内にあればレギュレータは終了する、逆に、設定範囲の大きな値より大きいかどうかを判断する調整を継続する。より大きいと、ステッピングモータを反転させ、レギュレータ出力側電圧を小さくする、逆に、ステッピングモータを正転させ、レギュレータ出力側電圧を大きくする。レギュレータ出力側電圧が設定範囲内に調整されるまで上記動作を繰り返し、給電電圧の正確性を保証する。

図7試験装置の給電プログラムフローチャート

4.3短絡限流試験と過負荷保護試験プログラムの設計

短絡限流試験手順フローと過負荷保護試験手順フローをそれぞれ図8と図9に示す。試験装置の給電電圧を調整確認した後、試験ソフトウェアインタフェースで短絡限流試験ボタンまたは過負荷保護試験ボタンをクリックすると、短絡限流試験または過負荷保護試験を行うことができ、相応のフローを実行して、短絡電流波形、過負荷電流波形、短絡限流時間と過負荷保護時間を得て、波形とデータを保存して、後期に試験報告書を生成するために使用する。

図8短絡限流試験手順フローチャート

図9過負荷保護試験手順フローチャート

4.4時間計算サブルーチン設計

電気防火限流保護器の短絡限流完了時間は、保護器に流れる短絡故障電流値が短絡保護整定電流警報値を超えたときから短絡故障電流がその値の5%まで低下したときまでの時間間隔である。短絡限流時間計算サブルーチンを図10に示す。

図10短絡限流時間計算サブルーチンフローチャート

過負荷保護時間は、保護器に流れる負荷電流値が過負荷保護整定電流警報値を超えたときから負荷電流がその値の5%まで低下したときまでの時間間隔である。過負荷保護時間計算サブルーチンフローと短絡限流時間計算プログラムは類似しているが、過負荷時の高速電流収集モジュールのサンプリング率と短絡時の設定は異なる。

五、アンコリー電気防火電流制限式保護器

5.1概要

ASCPシリーズ電気防火限流式保護器は伝統的な遮断器に存在する短絡電流が大きく、動作時間が長く、短絡アークが大きく、使用寿命が短いなどの弊害を効果的に克服することができる。短絡故障が発生した場合、マイクロ秒級の速度で短絡電流を迅速に制限して消弧保護を実現することができ、それによって電気火災事故を著しく減少させ、使用場所の人員と財産の安全を保障することができる。

5.2機能の特徴

1）短絡限流：線路に短絡故障が発生した場合、150 us内で高速限流保護を実現でき、短絡電流が大きすぎることによる電気火災事故。

2）過負荷制限電流：保護された線路の電流が定格電流を超え、線路が過負荷で、かつ過負荷持続時間が設定時間（3-60秒）を超えた場合、保護器は制限電流保護を行う。

3）超温限流：保護器の内部部品温度が設定値を超えた場合、製品は超温限流保護機能を起動し、温度が高すぎて製品が損傷するのを防止する。

4）過/不足電圧保護：保護器が回線電圧の不足電圧または過電圧を検出した時、保護器は音響光学警報信号を発し、あらかじめ限流保護を起動するかどうかを設定することができる。

5）ケーブル温度モニタリング：被モニタリングケーブル温度がアラーム設定値を超えた場合、プロテクタは音響光学アラーム信号を発し、事前に電流制限保護を起動するかどうかを設定することができる。

6）リーク電流監視：監視された線路のリークがアラーム設定値を超えた場合、プロテクタは音響光学アラーム信号を発し、あらかじめ電流制限保護を起動するかどうかを設定することができる。

7）通信機能：1ウェイRS 485インタフェース、1ウェイ2 G無線通信を有し、データをバックグラウンド監視システムに送信し、遠隔監視を実現することができる。監視バックグラウンドは、アンコリ・アクレル-6000/B電気火災監視ホストであってもよいし、アンコリ・アクレル-6000セキュリティクラウドプラットフォームであってもよいし、第三者監視ソフトウェアまたはプラットフォームであってもよい。

5.3設備の選択

六、おわりに

本文で開発したLabVIEWに基づく電気防火限流保護器の電気性能自動試験装置は0-40 A、0-63 A、160-250 Aなどの多種規格の電気防火限流保護器の電気性能自動試験を実現でき、短絡限流試験波形と過負荷保護試験波形を自動的に捕獲でき、短絡限流時間と過負荷保護時間を正確に計算し、試験報告書を生成することができる。テストにより、このテスト装置はテスト効率と安全性能を高め、テストコストを下げ、電気性能テストの自動化とインテリジェント化を実現したことが明らかになった。

【参考文献】

1. ルチウィ、汝濤、葉沢雨、程晋培、電気防火限流保護器の電気性能自動試験装置の開発、

2. 劉義祥、湯昊、金静など、原因分析に基づく典型的な都市火災統計

3. 安科瑞安全用電気管理クラウドプラットフォーム.202020.04版、

4. 安科瑞企業のマイクログリッド設計と応用マニュアル2020.06版。