繼電器特性試驗臺設計與制作

杜偉偉

（黃岡職業技術學院，湖北 黃岡438002）

關鍵字：繼電器；試驗臺；調試

隨著電氣自動化技術的不斷進步，電氣設備也不斷地向自動化、智能化方向發展，電氣行業對高校學生基礎知識和技能的要求也越來越高。當前在電氣專業實際教學和學習中，廣泛應用的各種一體化綜合試驗臺，這種試驗臺由高校直接從生產教學設備的企業購買，功能比較齊全，采用試驗端子接線比較簡便，但是批量生產的教學儀器不能完全滿足日常教學的要求，學生通過綜合試驗臺的訓練不能全面地掌握各種繼電器的工作原理及應用[1]。

因此，我們利用實訓室的調壓器、繼電器、互感器、儀表等電氣元件設計制作了一款小型繼電器特性試驗臺，該試驗臺體積小，測試靈活，操作方便，便于學生進行小組試驗，有利于學生熟練掌握多種繼電器的特性和試驗操作方法，還可以鍛煉學生對電氣控制設備的安裝、接線和調試能力。

1 設計制作要完成的主要任務

電路設計：依據試驗要求完成繼電器特性試驗臺模擬電壓源和模擬電流源回路設計，完成過電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、中間繼電器試驗電路設計。

殼體設計：根據電路中元器件的尺寸，設計嵌入式安裝的面板開孔圖，設計合理的柜體尺寸，聯系鈑金加工部門定制生產。

采購清單：依據設計的電路圖，列出元器件清單，標明每種元器件的型號和數量，按清單采購。

安裝接線：柜體制作完成后，進行元件安裝固定，并按照電路圖紙進行二次回路接線。

通電調試：試驗臺組裝完畢以后進行通電調試，保證產品安裝接線正確，能夠完成繼電器特性試驗全部功能。

2 繼電器特性試驗電路設計

試驗電路的設計主要是完成各種繼電器特性的試驗功能，下面針對過電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、中間繼電器分別進行電路設計。

2.1 過電壓繼電器特性試驗電路設計

過電壓繼電器是一種當輸入電壓達到規定值時，使被控制的輸出電路導通或斷開的電器。當被測電壓為正常范圍時繼電器不動作，當被測試電壓大于或等于設定值時，繼電器觸點發生改變，通過控制電路切斷主電路，以實現過電壓保護；當電壓降低到設定值以下時，繼電器再恢復到原始狀態。

將交流220 V電源接入自耦調壓器，調壓器的輸出接端子，同時輸出端并聯電壓表，要測試過電壓繼電器的性能，就將電壓繼電器的線圈接入端子，通過調整自耦調壓器的輸出電壓，調節過電壓繼電器線圈兩端的電壓。記錄過電壓繼電器的動作值和返回值，通過計算得到過電壓繼電器的返回系數（返回系數=返回值/動作值），就可以得到過電壓繼電器的動作特性，具體內部接線如圖1所示。

圖1 過電壓繼電器試驗電路

所用到的元件清單及型如表1所示。

表1 過電壓繼電器試驗電路元件清單

2.2 電流繼電器特性試驗電路設計

電流繼電器是根據檢測電路的二次電流大小來做出判斷，從而保護被檢測電路的一種繼電器。當被測電路的電流大于設定電流時，繼電器觸點發生改變，通過控制電路切斷被測電路電流，從而起到保護作用。當被測電路電流低于設定電流值一定范圍時，電流繼電器自動返回，恢復到原始狀態。

當流過電流繼電器線圈中的電流增大到一定數值時，施加于銜鐵上的電磁力大于彈簧的反作用力，繼電器觸點位置發生改變，從而起到控制二次回路的作用。一般情況下主電路的電流都比較大，所以通常是通過電流互感器（TA）將主電路的大電流按比例轉換為二次小電流送入電流繼電器進行檢測，具體內部接線如圖2所示。所用到的元件清單及型號如表2所示。

圖2 電流繼電器試驗電路

表2 電流繼電器試驗電路元件清單

2.3 中間繼電器特性試驗電路設計

中間繼電器的作用是增大觸點的數量和容量，對于容量較小的電動機或其他電氣元器件也可直接用中間繼電器進行控制。中間繼電器是電壓繼電器的一種，他們的工作原理是完全相同的，區別在于中間繼電器有更多的觸點，或者觸點容量更大，用來增加觸點的數量，或者增大被控制電路的容量，具體內部接線如圖3所示。

圖3 中間繼電器試驗電路

所用到的元件清單及型號如表3所示。

表3 中間繼電器試驗電路元件清單

2.4 時間繼電器特性試驗電路設計

時間繼電器是指在收到外部信號輸入后，輸出信號不會立即發生改變，而是經過一定的時間延時后觸頭才動作的一種繼電器。時間繼電器一般用在電氣控制系統中作為選擇判斷的重要依據，通過時間繼電器的延時來進行選擇判斷，可以提高判斷的精確性，以滿足電路選擇性的要求。

當線圈兩端有電壓輸入時，延時閉合或斷開觸點不會立即發生狀態改變，通過機械延時機構或者電子延時元件，使得達到設定時間后延時觸點才發生瞬動改變，具體內部接線如圖4所示。

圖4 時間繼電器試驗電路

所用到的元件清單及型號如表4所示。

表4 時間繼電器試驗電路元件清單

3 試驗臺殼體設計

根據設計方案，面板上需要安裝的電氣元件主要有：電流繼電器、過電壓繼電器、中間繼電器、時間繼電器、電壓表、電流表、指示燈、按鈕和試驗端子。在平面布置圖設計時，主要遵循整體美觀和操作方便的原則。

為了保證試驗臺布局合理、美觀，在制作實物之前應用AutoCAD制作了試驗臺殼體三維仿真模型，如圖5所示。

圖5 三維仿真模型西南視角效果

4 試驗臺安裝、接線與調試

試驗臺殼體定制完成后，依據開孔示意圖安裝好面板上的漏電斷路器、按鈕、指示燈、儀表、嵌入式繼電器和端子等元件，內部安裝電流互感器和電阻器等元件，然后按照前面的電路設計圖（圖1～4）進行接線。

當所有電氣線路連接完成后，要檢查元件的安裝和接線是否準確、規范；判斷線路是否存在短路和斷路；對設計圖紙存在不合理的地方及時進行修改，并與設計人員進行溝通，在檢查確定無誤后才可以對裝置進行通電調試，以防止可能發生的意外情況。

下面對過電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器、時間繼電器分別進行調試。

4.1 過電壓繼電器特性試驗電路調試

用萬用表檢查線路正確后，首先設定過電壓繼電器動作值80 V，然后將調壓器輸出電壓調整到最低，合上試驗臺單相交流電源開關和直流電源開關，此時過電壓繼電器的動作指示燈處于熄滅狀態。

緩慢升高調壓器輸出電壓，觀察電壓表的讀數接近80 V時，注意降低升壓速度，直至過電壓繼電器動作指示燈點亮，記錄動作值。

緩慢降低調壓器輸出電壓，使其電壓緩慢降低，當指示燈熄滅時，停止調節調壓器，記下當前電壓，就得到過電壓繼電器的返回值。

實驗完成后，將調壓器輸出調為0 V，斷開所有電源開關。試驗記錄數據如表5所示。試驗數據顯示，試驗電路工作正常，過電壓繼電器返回系數0.8532符合說明書要求。

表5 過電壓繼電器試驗數據

4.2 電流繼電器特性試驗電路調試

用萬用表檢查線路正確后，首先設定電流繼電器的動作值為5 A，然后將調壓器輸出電壓調整到最低，合上試驗臺單相交流電源開關和直流電源開關，此時過電壓繼電器的動作指示燈處于熄滅狀態。

緩慢升高調壓器輸出電壓，觀察電流表的讀數接近5 A時，注意降低升壓速度，直至過電壓繼電器動作指示燈點亮，記錄動作值。

緩慢降低調壓器輸出電壓，使其電流表讀數緩慢降低，當指示燈熄滅時，停止調節調壓器，記下當前電流值，就得到過電流繼電器的返回值。

實驗完成后，使調壓器輸出為0 V，斷開所有電源開關。試驗記錄數據如表6所示。

表6 電流繼電器試驗數據

試驗數據顯示，試驗電路工作正常，電流繼電器返回系數0.8515符合說明書要求。

4.3 中間繼電器特性試驗電路調試

按圖接好線路。合上單相電源，按下按鈕；信號燈亮，說明回路接線正確；試驗完成后，斷開所有電源開關。試驗記錄數據如下表7所示。試驗數據顯示，試驗電路工作正常，中間繼電器工作參數符合說明書要求。

表7 時間繼電器試驗數據

4.4 時間繼電器特性試驗電路調試

用萬用表檢查線路正確后，將時間繼電器的線圈接在交流電壓端子上，拆掉時間繼電器外殼，調整時間整定旋鈕，將指針對準設定時間的刻度中心位置。合上交流電源開關，同時按下秒表開始計時，當指示燈點亮時，迅速停止計時，記錄指示燈從電源合閘到指示燈點亮所用的時間，既得到時間繼電器的實際延時時間。

試驗完成后，斷開所有電源開關。試驗記錄數據如下表8所示。試驗數據顯示，試驗電路工作正常，時間繼電器延時數據符合說明書要求。

表8 時間繼電器試驗數據

5 試驗臺制作成本分析

試驗臺的制作主要分如下流程：殼體的鈑金加工制作；元器件的采購；元器件安裝接線，具體價格如表9所示。

表9 元件采購價格表

試驗臺制作過程中的所用號碼管、銅導線均取自實訓室耗材庫，安裝接線是團隊利用課余時間手工完成，成本不計，最后得到制作試驗臺的價格為1625.80元。

所設計制作的試驗臺目前在市場上找不到同類產品，學校采購的多功能綜合試驗臺的價格為1.84萬元，除去多功能儀表部分的價格，繼電器特性測試部分的成本也在6000元左右，所以此款試驗臺既實用又經濟。

6 結束語

本試驗臺能實現常用繼電器——電流繼電器、電壓繼電器、時間繼電器、中間繼電器進行特性分析試驗，直觀展示電力系統繼電保護基本原理，為電力專業學生提供了繼電保護知識基礎的學習平臺。本試驗臺體積小，購置成本低，學校可以利用實訓室已有條件自行采購殼體安裝制作，為電氣專業繼電保護方面的理論學習和實踐練習提供良好條件。