Tóm tắt: Để đạt được thử nghiệm tự động về tính chất điện của thiết bị bảo vệ chống cháy hiện tại, một bộ thiết bị kiểm tra tự động về tính chất điện của thiết bị bảo vệ chống cháy hiện tại dựa trên LabVIEW đã được phát triển. Thiết bị này có thể thực hiện kiểm tra tự động hiệu suất điện của bộ bảo vệ giới hạn dòng điện chống cháy điện 0-40A, 0-63A, 160-250A và các thông số kỹ thuật khác. Nội dung thử nghiệm bao gồm kiểm tra giới hạn dòng ngắn mạch, kiểm tra bảo vệ quá tải và kiểm tra dao động điện áp. Thiết bị kiểm tra có thể tự động chụp dạng sóng kiểm tra giới hạn dòng ngắn và dạng sóng kiểm tra bảo vệ quá tải, tính toán chính xác thời gian giới hạn dòng ngắn và thời gian bảo vệ quá tải và lưu trữ dạng sóng, dữ liệu và tạo báo cáo kiểm tra. Thiết bị bảo vệ giới hạn hiện tại chống cháy điện với điện áp hoạt động định mức 220 V và dòng điện 10A được chọn làm mẫu thử nghiệm để thử nghiệm, kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị thử nghiệm được phát triển đã cải thiện hiệu quả thử nghiệm và hiệu suất an toàn, giảm chi phí thử nghiệm và đạt được tự động hóa và thông minh hóa thử nghiệm hiệu suất điện của thiết bị bảo vệ giới hạn hiện tại chống cháy điện.

Từ khóa: bảo vệ giới hạn dòng điện chống cháy; Dòng giới hạn ngắn mạch

I. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, cháy điện do ngắn mạch, quá tải và lỗi thiết bị điện đã trở thành một loại hỏa hoạn với tần suất cao hơn trong tất cả các đám cháy, gây thiệt hại lớn hơn, theo Niên giám Phòng cháy chữa cháy Trung Quốc, tỷ lệ cháy điện trong tổng số đám cháy 2014-2017 đã tăng lên hàng năm, đạt 35,7% trong năm 2017, mang lại mối đe dọa lớn cho sự an toàn của cuộc sống và tài sản của người dân. Khi đường dây điện bị ngắn mạch, do sự hiện diện của bộ ngắt mạch cơ khí có tốc độ ngắt chậm, không thể hạn chế dòng điện ngắn mạch, khi ngắt sẽ tạo ra hồ quang và các vấn đề khác, thường gây ra tai nạn mở rộng, gây cháy điện, chẳng hạn như Cáp Nhĩ Tân "8.25" và Bắc Kinh Đại Hưng "11.18" hai tai nạn cháy gây ra thương vong lớn là do ngắn mạch đường dây điện, bộ ngắt mạch cơ khí không thể bảo vệ đáng tin cậy, gây cháy các chất dễ cháy xung quanh gây ra. Để giảm nguy cơ cháy, Ủy ban kỹ thuật tiêu chuẩn hóa phòng cháy chữa cháy quốc gia về phát hiện cháy và báo động tiểu ban kỹ thuật kết hợp các doanh nghiệp liên quan đã xây dựng tiêu chuẩn quốc gia tương ứng "Hệ thống giám sát cháy điện Phần 6: Bảo vệ giới hạn dòng điện", yêu cầu bảo vệ giới hạn dòng điện để hoàn thành thời gian giới hạn ngắn mạch không được lớn hơn 150 μs. Có thể đạt được bảo vệ giới hạn dòng micro giây cho sự cố ngắn mạch điện, có thể làm giảm đáng kể tai nạn hỏa hoạn do ngắn mạch đường dây điện. Hiện nay tiêu chuẩn này đang trong giai đoạn báo cáo phê duyệt.

Để thực hiện việc nghiên cứu phát triển thiết bị kiểm tra đồng bộ với việc báo cáo phê chuẩn kiểm tra, đặt nền tảng cho việc thực thi thuận lợi sau khi tiêu chuẩn chính thức ban hành. Để đạt được điều này, trên cơ sở phương pháp thử đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn thử nghiệm, nâng cao hơn nữa hiệu quả thử nghiệm và giảm chi phí thử nghiệm, thiết kế và phát triển một bộ thiết bị kiểm tra tự động hiệu suất điện của thiết bị bảo vệ chống cháy hiện tại dựa trên LabVIEW, sử dụng thiết bị kiểm tra này có thể đạt được kiểm tra tự động hiệu suất điện của thiết bị bảo vệ chống cháy hiện tại với nhiều thông số kỹ thuật, nội dung thử nghiệm bao gồm kiểm tra dòng điện ngắn mạch, kiểm tra bảo vệ quá tải và kiểm tra dao động điện áp. Báo cáo thử nghiệm được tạo tự động sau khi kết thúc thử nghiệm, tự động hóa và thông minh hóa thử nghiệm hiệu suất điện của thiết bị bảo vệ chống cháy hiện tại.

II. Thiết kế chương trình tổng thể

2.1 Căn cứ thiết kế

Theo các quy định có liên quan trong thử nghiệm hiệu suất điện của bộ bảo vệ giới hạn dòng điện chống cháy trong tiêu chuẩn, mạch kiểm tra giới hạn dòng điện ngắn mạch được hiển thị trong Hình 1 và mạch kiểm tra bảo vệ quá tải được hiển thị trong Hình 2. GR trong hình 1 và 2 là nguồn điện áp, TR là mẫu thử nghiệm, S là công tắc ném đơn, R là 0,01 Ω điện trở lấy mẫu không cảm ứng, CR là dao động, T là công tắc nút, Z1 là tải điện trở 3~6A, A trong hình 2 là đồng hồ đo dòng điện kẹp, Z2 là tải điện trở 25~50A.

Các bước kiểm tra dòng giới hạn ngắn mạch: mẫu thử nghiệm sẽ được kết nối với thiết bị như thể hiện trong hình 1, công tắc đóng S, bộ bảo vệ hoạt động bình thường, nhấn nút thông qua công tắc T, ghi lại và quan sát các dạng sóng điện áp ở cả hai đầu R được hiển thị bởi máy hiện sóng tức thời đóng, ghi lại mẫu thử nghiệm hoàn thành thời gian dòng giới hạn ngắn mạch.

Hình 1 Mạch kiểm tra dòng giới hạn ngắn mạch

Bước kiểm tra bảo vệ quá tải: mẫu thử nghiệm sẽ được kết nối với thiết bị như thể hiện trong hình 2, dây được đặt vào đồng hồ đo dòng điện loại kìm A, sau khi bật công tắc S, thời gian bảo vệ quá tải được ghi lại để mẫu thử hoàn thành.

Bước kiểm tra dao động điện áp: mẫu thử sẽ được sắp xếp theo yêu cầu làm việc bình thường, cung cấp điện cho mẫu theo 110% và 85% điện áp định mức tương ứng, lặp lại kiểm tra dòng ngắn mạch và kiểm tra bảo vệ quá tải nói trên.

Hình 2 Mạch kiểm tra bảo vệ quá tải

2.2 Thiết kế tổng thể

Dựa trên các phương pháp kiểm tra quy định trong tiêu chuẩn, một bộ thiết bị kiểm tra tự động hiệu suất điện của bộ bảo vệ giới hạn dòng điện chống cháy dựa trên LabVIEW đã được thiết kế và sơ đồ khối thiết kế sơ đồ tổng thể của thiết bị được thể hiện trong Hình 3. Phần mềm kiểm tra dựa trên LabVIEW được cài đặt trên máy điều khiển công nghiệp. Phần mềm kiểm tra thu thập điện áp ở phía đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp và dòng điện trong đường dây thông qua mô-đun phát hiện điện áp, mô-đun thu dòng điện tốc độ cao, tự động điều khiển điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh, giá trị điện trở chuyển đổi tải có thể điều chỉnh, trạng thái chuyển mạch KM của contactor và liệu các nhánh ngắn mạch có ngắn mạch hay không theo nội dung kiểm tra.

Sơ đồ 3 Sơ đồ khối thiết kế sơ đồ tổng thể

III. Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng chủ yếu bao gồm lựa chọn và thiết kế của máy điều khiển công nghiệp, đơn vị cung cấp điện, tải có thể điều chỉnh, mô-đun thu dòng điện tốc độ cao, chi nhánh ngắn mạch và mô-đun phát hiện điện áp. Máy điều khiển công nghiệp chọn IPC-610L của Advantech; Mô hình tải có thể điều chỉnh là tải AC RXF-AC220V 1-64A, với rơle DC24V được cài đặt trên tải có thể điều chỉnh, có thể chuyển đổi trở trị bằng rơle điều khiển; Mô-đun thu thập dòng điện tốc độ cao chọn máy hiện sóng miền hỗn hợp đa chức năng MDO-2000E với băng thông tần số 200MHz, tỷ lệ lấy mẫu thời gian thực lớn hơn có thể đạt 1GSa/s.

3.1 Thiết kế đơn vị cung cấp điện

Khi thực hiện kiểm tra tính chất điện của thiết bị bảo vệ chống cháy điện, cần phải thực hiện kiểm tra dao động điện áp để cung cấp năng lượng cho thiết bị bảo vệ chống cháy điện được kiểm tra ở mức 110% (khoảng 242V) và 85% (khoảng 187V) của điện áp định mức. Do đó, đơn vị cung cấp điện phải đáp ứng yêu cầu của điện áp đầu vào là AC 220V và điện áp đầu ra là 0~250V để cung cấp điện cho mẫu thử nghiệm và toàn bộ thiết bị. Mạch phần cứng của đơn vị cung cấp điện được thể hiện trong Hình 4.

Sơ đồ 4 Sơ đồ mạch phần cứng đơn vị cung cấp điện

Đơn vị cung cấp điện bao gồm bộ điều chỉnh điện áp, động cơ bước và trình điều khiển động cơ bước. Mô hình điều chỉnh điện áp được lựa chọn là TEGGC2J-30KVA, điện áp đầu vào là một pha 220V, điện áp đầu ra 0~250V, dòng điện làm việc định mức đầu ra là 120 A; mô hình điều khiển động cơ bước được lựa chọn là HST884A, được cung cấp bởi DC 24~50V. Máy điều khiển công nghiệp có thể điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh bằng cách điều khiển động cơ bước, tránh hoạt động thủ công.

3.2 Thiết kế chi nhánh ngắn mạch

Khi thực hiện kiểm tra giới hạn dòng chảy ngắn mạch, các contactor và Triac tạo thành các nhánh ngắn mạch. Khi chọn silicon điều khiển hai chiều làm nhánh ngắn mạch, bạn có thể kiểm soát chính xác góc pha xảy ra ngắn mạch, nhưng vì silicon điều khiển thông qua khi giảm áp suất trạng thái, ở một mức độ nhất định sẽ hạn chế sự tăng trưởng của dòng ngắn mạch. Công tắc tơ có điện trở nhỏ khi dẫn điện, không ảnh hưởng đến kích thước của dòng điện ngắn mạch vì lý do công tắc tơ, nhưng không thể kiểm soát góc pha xảy ra ngắn mạch. Khi có yêu cầu về góc pha xảy ra ngắn mạch, hãy chọn silicon hai chiều làm nhánh ngắn mạch; Khi không có yêu cầu về góc pha nơi ngắn mạch xảy ra, công tắc tơ được chọn làm nhánh ngắn mạch. Mạch phần cứng chi nhánh ngắn mạch được hiển thị trong Hình 5, mô hình Triac Triac được lựa chọn là MTC1000A, dòng định mức 1000A, điện áp định mức 1600V; mô hình kích hoạt silicon là SCR-Y, công suất kích hoạt lớn, có thể kích hoạt silicon điều khiển trong vòng 3000A trực tiếp. Khi tiến hành kiểm tra bảo vệ quá tải, bộ điều khiển điều khiển kích hoạt silicon có thể chặn tín hiệu xung, và silicon không dẫn, hoặc ngắt kết nối công tắc tơ, ngắt mạch; Khi thực hiện kiểm tra dòng chảy giới hạn ngắn mạch, bộ điều khiển điều khiển kích hoạt silicon có thể gửi tín hiệu xung để giữ cho nó ở trạng thái dẫn hoặc đóng contactor, ngắn mạch tải.

Hình 5 Mạch nhánh ngắn mạch

3.3 Lựa chọn và thiết kế mô-đun kiểm tra điện áp

Sử dụng mô-đun phát hiện điện áp để phát hiện điện áp AC ở phía đầu ra của đơn vị cung cấp điện, mô hình mô-đun phát hiện điện áp được chọn là máy phát cách ly điện áp xoay chiều KBM-44, phạm vi phát hiện điện áp của máy phát cách ly điện áp xoay chiều này là 0~250 V, hỗ trợ giao thức truyền thông modbus, có thể giao tiếp trực tiếp giữa máy chủ và máy chủ, tải lên giá trị hiệu quả điện áp xoay chiều được phát hiện cho phần mềm kiểm tra máy chủ.

1. Thiết kế phần mềm

Để tận dụng tối đa các tính năng lập trình đồ họa của LabVIEW cũng như các phương pháp điều khiển dụng cụ linh hoạt, hiệu quả để mang lại độ tin cậy cao hơn cho phần mềm thử nghiệm được phát triển, phần mềm thử nghiệm cho thiết bị đã được phát triển dựa trên LabVIEW 2018. LabVIEW được phát triển và phát triển bởi công ty National Instruments (NI) của Mỹ, dựa trên ngôn ngữ lập trình G, LabVIEW là sự lựa chọn lý tưởng để phát triển các bài kiểm tra, đo lường cũng như điều khiển thiết bị, thích hợp cho việc thu thập dữ liệu, điều khiển, phân tích dữ liệu và hiển thị hình ảnh, v.v., hiện đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thử nghiệm khác nhau.

Phần mềm thử nghiệm bao gồm hai phần là giao diện thử nghiệm và chương trình thử nghiệm. Giao diện kiểm tra được sử dụng để thiết lập các thông số kiểm tra và nội dung kiểm tra; Chương trình kiểm tra sau đó thực hiện các hoạt động tương ứng theo các thông số kiểm tra được thiết lập và nội dung kiểm tra, chủ yếu bao gồm chương trình cung cấp điện, chương trình kiểm tra dòng giới hạn ngắn mạch, chương trình kiểm tra bảo vệ quá tải và chương trình con tính toán thời gian.

4.1 Thiết kế giao diện phần mềm thử nghiệm

Giao diện phần mềm kiểm tra như trong hình 6, bên trái được đặt với nút radio điện áp cung cấp, phím xác nhận thông số và phím xác nhận điện áp cung cấp, để kiểm tra dao động điện áp, nút radio điện áp cung cấp được đặt 187, 220, 242V ba điện áp, có thể được lựa chọn theo nội dung kiểm tra. Bên phải được đặt với các nút liệt kê dòng điện làm việc định mức, các phím kiểm tra giới hạn ngắn mạch, các phím kiểm tra bảo vệ quá tải và các phím báo cáo tạo, các nút liệt kê dòng điện làm việc định mức được đặt trong bốn thông số kỹ thuật 10, 20, 32, 63A, có thể chọn dòng điện làm việc định mức tương ứng theo thông số kỹ thuật của mẫu thử nghiệm.

Hình 6 Kiểm tra giao diện phần mềm

4.2 Thiết kế chương trình cung cấp điện

Sơ đồ quy trình cấp nguồn cho thiết bị thử nghiệm được thể hiện trong Hình 7. Khi thực hiện kiểm tra dao động điện áp của bộ bảo vệ giới hạn dòng điện chống cháy, phía đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp cần cung cấp điện áp 187V và 242V; Khi thực hiện kiểm tra giới hạn dòng ngắn mạch và kiểm tra bảo vệ quá tải, phía đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp cần cung cấp điện áp 220V. Sau khi kiểm tra giao diện phần mềm chọn điện áp cung cấp, phần mềm đọc giá trị hiệu lực điện áp ở phía đầu ra của bộ điều chỉnh trong thời gian thực thông qua mô-đun phát hiện điện áp và xác định xem nó có nằm trong phạm vi điện áp đã đặt hay không, nếu trong phạm vi, kết thúc điều chỉnh điện áp; Thay vào đó, tiếp tục điều chỉnh để xác định xem nó có lớn hơn giá trị lớn hơn trong phạm vi đã đặt hay không. Nếu lớn hơn, hãy đảo ngược động cơ bước và giảm điện áp bên đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp; Ngược lại, làm cho động cơ bước quay tích cực và tăng điện áp bên đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp. Lặp lại các thao tác trên cho đến khi điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh được điều chỉnh trong phạm vi cài đặt để đảm bảo độ chính xác của điện áp cung cấp.

Sơ đồ 7 Sơ đồ quy trình cấp nguồn cho thiết bị thử nghiệm

4.3 Kiểm tra dòng giới hạn ngắn mạch và thiết kế chương trình kiểm tra bảo vệ quá tải

Quy trình thủ tục kiểm tra dòng chảy hạn chế ngắn mạch và quy trình thủ tục kiểm tra bảo vệ quá tải được thể hiện trong Hình 8 và Hình 9 tương ứng. Sau khi xác nhận điều chỉnh điện áp cung cấp của thiết bị kiểm tra, trong giao diện phần mềm kiểm tra nhấp vào phím kiểm tra dòng giới hạn ngắn mạch hoặc phím kiểm tra bảo vệ quá tải, bạn có thể thực hiện kiểm tra dòng giới hạn ngắn mạch hoặc kiểm tra bảo vệ quá tải, thực hiện quy trình tương ứng, có được dạng sóng dòng ngắn mạch, dạng sóng dòng quá tải, thời gian giới hạn ngắn mạch và thời gian bảo vệ quá tải, và lưu dạng sóng và dữ liệu để tạo báo cáo kiểm tra sau này.

Hình 8 Sơ đồ quy trình kiểm tra dòng chảy hạn chế mạch ngắn

Hình 9 Lưu đồ quy trình kiểm tra bảo vệ quá tải

4.4 Thiết kế chương trình con tính toán thời gian

Bảo vệ giới hạn hiện tại chống cháy điện hoàn thành thời gian giới hạn ngắn mạch là khoảng thời gian từ khi giá trị hiện tại lỗi ngắn mạch chảy qua bảo vệ vượt quá giá trị báo động hiện tại đầy đủ của bảo vệ ngắn mạch đến khi dòng điện lỗi ngắn mạch giảm xuống 5% giá trị của nó. Chương trình con tính toán thời gian dòng giới hạn ngắn mạch được thể hiện trong Hình 10.

Hình 10 Sơ đồ quy trình con tính toán thời gian dòng ngắn mạch

Thời gian bảo vệ quá tải là khoảng thời gian từ khi giá trị dòng tải của thiết bị bảo vệ quá tải vượt quá giá trị báo động dòng tích hợp của thiết bị bảo vệ quá tải đến khi dòng tải giảm xuống 5% giá trị của nó. Quy trình tính toán thời gian bảo vệ quá tải và quy trình tính toán thời gian dòng giới hạn ngắn mạch tương tự, ngoại trừ tốc độ lấy mẫu của mô-đun thu thập dòng điện tốc độ cao khi quá tải và cài đặt khác nhau khi ngắn mạch.

V. Bảo vệ chống cháy hiện tại cho ANCORI Electric

5.1 Tổng quan

Bộ bảo vệ giới hạn dòng điện chống cháy ASCP Series có thể khắc phục hiệu quả các nhược điểm như hiện tại ngắn mạch lớn, thời gian hành động dài, hồ quang ngắn mạch lớn và tuổi thọ ngắn của bộ ngắt mạch truyền thống. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, nó có thể nhanh chóng hạn chế dòng ngắn mạch với tốc độ micro giây để đạt được bảo vệ dập hồ quang, do đó có thể giảm đáng kể tai nạn cháy điện và đảm bảo sự an toàn của người sử dụng và tài sản.

5.2 Tính năng chức năng

1) Dòng giới hạn ngắn mạch: Khi đường dây bị lỗi ngắn mạch, có thể đạt được bảo vệ giới hạn nhanh trong 150us, do sự cố cháy điện do dòng ngắn mạch quá lớn.

2) Giới hạn hiện tại quá tải: Bảo vệ thực hiện bảo vệ giới hạn hiện tại khi dòng điện của đường dây được bảo vệ vượt quá dòng định mức, đường dây quá tải và thời gian quá tải vượt quá thời gian đặt (3-60 giây).

3) Dòng giới hạn nhiệt độ: Khi nhiệt độ thành phần bên trong của bộ bảo vệ vượt quá giá trị cài đặt, sản phẩm bắt đầu chức năng bảo vệ dòng giới hạn nhiệt độ để ngăn chặn thiệt hại sản phẩm do nhiệt độ quá cao.

4) Bảo vệ quá/dưới điện áp: Khi người bảo vệ phát hiện điện áp đường dây dưới hoặc quá điện áp, người bảo vệ sẽ gửi tín hiệu báo động âm thanh và ánh sáng, có thể đặt trước cho dù bảo vệ giới hạn hiện tại có bắt đầu hay không.

5) Giám sát nhiệt độ cáp: Khi nhiệt độ cáp được theo dõi vượt quá giá trị cài đặt báo động, bộ bảo vệ sẽ phát ra tín hiệu báo động âm thanh và ánh sáng, có thể đặt trước cho dù bảo vệ giới hạn dòng chảy có bắt đầu hay không.

6) Giám sát rò rỉ hiện tại: Khi rò rỉ đường dây được giám sát vượt quá giá trị cài đặt báo động, bộ bảo vệ sẽ phát ra tín hiệu báo động âm thanh và ánh sáng, có thể đặt trước cho dù bảo vệ giới hạn hiện tại có bắt đầu hay không.

7) Chức năng giao tiếp: Với giao diện RS485 1 kênh, giao tiếp không dây 1 kênh 2G, bạn có thể gửi dữ liệu đến hệ thống giám sát nền để nhận ra giám sát từ xa. Nền tảng giám sát có thể là máy chủ giám sát cháy điện Ancory Acrel-6000/B hoặc nền tảng đám mây an toàn Ancory Acrel-6000 hoặc phần mềm hoặc nền tảng giám sát của bên thứ ba.

5.3 Lựa chọn thiết bị

VI. Kết luận

Bài viết này phát triển một bộ thiết bị kiểm tra tự động hiệu suất điện dựa trên LabVIEW của thiết bị kiểm tra tự động hiệu suất điện có thể đạt được 0-40A, 0-63A, 160-250A và các thông số kỹ thuật khác của thiết bị kiểm tra tự động hiệu suất điện của thiết bị bảo vệ chống cháy điện, có thể tự động chụp các dạng sóng kiểm tra giới hạn dòng ngắn mạch và các dạng sóng kiểm tra bảo vệ quá tải, tính toán chính xác thời gian giới hạn dòng ngắn mạch và thời gian bảo vệ quá tải, và có thể tạo báo cáo kiểm tra. Thử nghiệm cho thấy thiết bị thử nghiệm này cải thiện hiệu quả thử nghiệm và hiệu suất an toàn, giảm chi phí thử nghiệm và cho phép tự động hóa và thông minh hóa thử nghiệm hiệu suất điện.

[Tài liệu tham khảo]

1. Lư Kỳ Uy, Nhữ Đào, Diệp Trạch Vũ, Trình Tấn Bồi, thiết bị kiểm tra tự động tính năng điện của thiết bị bảo vệ chống cháy điện;

2. Liu Yixiang, Thang Hạo, Kim Tĩnh, v.v., thống kê cháy đô thị điển hình dựa trên phân tích nguyên nhân

3. Nền tảng đám mây quản lý điện an toàn Anchory. Phiên bản 2020.04;

4. ANCORI Enterprise Microgrid Design and Applications Manual Phiên bản 2020.06.