Что такое тепловая калибровка и почему производителям MCB и MCCB она необходима?

На заводе по производству автоматических выключателей момент, который решает, является ли готовый МКВ безопасным или браком, — это thermal calibration. Это этап, на котором подгоняется и проверяется биметаллический элемент внутри каждого выключателя, чтобы устройство срабатывало в точном временном интервале, требуемом стандартом — не на секунду раньше и не на секунду позже. Покупатели часто называют этот этап тестом задержки, потому что на самом деле измеряется сколько времени требуется выключателю, чтобы сработать при заданном токе перегрузки. Для производителей МКВ, МКВВ и УЗО, поставляемых на рынки, требующие соответствия IEC, правильное выполнение этого этапа — это разница между продуктом, который защищает цепь, и тем, который не проходит аудит. В этой статье объясняется, что такое тепловая калибровка МКВ на самом деле, как тест задержки делится на проверку длительного и короткого времени, почему кривые B, C и D имеют разные критерии прохождения по IEC 60898-1 и какое оборудование выполняет этот процесс на современной производственной линии.

Автор: Хуан Сяолэй | Benlong Automation

Что такое тепловая калибровка в производстве автоматических выключателей?

Теплово-магнитный принцип срабатывания применяется почти во всех низковольтных автоматических выключателях. Ситуация перегрузки решается с помощью биметаллической полосы, состоящей из двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения, соединённых вместе. Когда ток превышает заданные пределы, полоса нагревается и изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения. Правильный изгиб приводит к отпусканию защёлки срабатывания. После перегрузки чем выше ток, тем быстрее нагревается нагреватель и, следовательно, тем быстрее происходит срабатывание. Эта особенность устройства доказывает, что тепловая калибровка — это весь процесс производства автоматических выключателей, включающий регулировку биметаллической полосы, которая либо изгибается, при этом регулируется винт, либо перемещается связь срабатывания, чтобы обеспечить попадание времени срабатывания в диапазон, предопределённый текущим стандартом для каждого тестового тока.

Её значение трудно переоценить, так как она позволяет разграничить термины, которые часто путают. Калибровка означает настройку механизма для достижения целевого временного интервала или проверку, что он достигает этого интервала. На практике эти два процесса происходят одновременно: оператор подаёт ток и измеряет время, затем регулирует полосу для повторной проверки устройства, поскольку важно помнить, что механические и материальные свойства каждой биметаллической полосы различаются, что и обуславливает необходимость индивидуальной калибровки. Неисправное устройство, не соответствующее требованиям калибровки, может сработать в нормальном режиме работы или, что ещё хуже, заедать при перегрузке.

Таким образом, в процессе учитываются две характеристики — точность и повторяемость результата. Важной деталью является то, что при возникновении проблем с оборудованием операторы смогут проверить срабатывание при холодном запуске. Диапазон регулировок довольно строгий, обычно несколько процентов от тока срабатывания, что означает, что диапазон ошибок для стенда должен быть значительно меньше, чем для калибровочного устройства. Это объясняет необходимость надежного калибровочного оборудования для обеспечения эффективной работы устройства.

Две функции срабатывания за каждым тестом задержки

Чтобы понять, почему тест задержки разделен на два сегмента, необходимо понять, что в автоматическом выключателе есть две независимые защитные функции. Тепловая защита, или защита от перегрузки, обеспечивается биметаллической полосой, которая реагирует медленно, от секунд до часов, формируя тем самым длительную часть кривой срабатывания. Эта часть устанавливается тепловой характеристикой. Магнитная защита или защита от короткого замыкания обеспечивается электромагнитом или соленоидом, который реагирует с миллисекундной скоростью на высокий ток короткого замыкания, формируя тем самым короткую или мгновенную часть кривой.

Если посмотреть на логарифмический график время-ток, публикуемый каждым производителем, видно, что тепловая область соответствует верхней наклонной части кривой, а магнитная область — почти вертикальной нижней части. На практике производства эти две характеристики тестируются с разными токами, допусками по времени и иногда на разных испытательных стендах. Отсюда и происходит разделение на длительную и короткую задержку: длительная задержка тестирует тепловой биметалл, а короткая задержка или мгновенная — магнитную катушку. Поэтому крайне важно разделять эти два типа.

Тестирование с длительной задержкой: основа тепловой калибровки

Тест с длительной задержкой является сердцем тепловой калибровки автоматического выключателя. Он подтверждает активацию биметалла в нужное время при заданных токах перегрузки. В соответствии со стандартом IEC 60898-1 все испытания должны проводиться при температуре воздуха +30 °C и с холодного старта; характеристики тока показаны для трех точек перегрузки, которые остаются одинаковыми для всех кривых B, C и D.

Пара 1.13 × и 1.45 × устанавливает пределы допустимой перегрузочной характеристики автоматического выключателя; в то время как автоматический выключатель должен выдерживать перегрузку чуть более 13% без ложного срабатывания, он должен быть способен отключать даже перегрузку в 45% обычным способом. Эти факторы определяют расположение тепловой кривой на графике. Единственная причина, по которой традиционное время меняется с одного часа на два часа после 63 А, заключается в том, что более крупные автоматические выключатели с большими контактами имеют значительно большую тепловую емкость и требуют больше времени для стабилизации.

Что касается производства, точка 2.55 × In практически используется для калибровки автоматического выключателя, так как она позволяет измерять время отключения в секундах, в отличие от часа, полученного при традиционных измерениях. Таким образом, через автоматический выключатель можно пропустить определенный ток, измеряя время срабатывания, чтобы отрегулировать это время с помощью сервопривода или оператора. Более трудоемкие измерения, выполняемые с использованием точек 1.13 × и 1.45 ×, подтверждают полученные выше результаты.

Benlong производит оборудование именно для этого этапа. Стенд для длительной термокалибровки автоматических выключателей проводит испытания на перегрузку по IEC 60898-1 на нескольких станциях с источником тока высокой стабильности, в то время как полуавтоматический стенд калибровки теплового срабатывания Тип-А и его карточный аналог Тип-B обеспечивают программируемую калибровку перегрузки с быстрой сменой между семействами автоматических выключателей. Для MCCB, регулируемых IEC 60947-2, опорные точки смещаются — традиционный ток без срабатывания становится 1.05 × In, а ток срабатывания 1.3 × In — но принцип калибровки остается неизменным.

Испытания с короткой задержкой и мгновенные испытания: в чем различия между B, C и D

Вторая часть испытания задержки оценивает магнитный элемент или реакцию на короткое замыкание. Это то, что клиенты часто называют либо короткой задержкой, либо испытанием с задержкой, и где кривые B, C и D начинают вести себя по-разному. Уровень, при котором происходит магнитное срабатывание, определяется величиной номинального тока, необходимого для срабатывания выключателя согласно мгновенной конвенции 0.1 секунды. Нижний множитель, соответствующий типу кривой, указывает ток, при котором выключатель должен оставаться в работе, а верхний множитель — где выключатель должен сработать.

Тест проводится в два этапа для каждого типа кривой. Сначала тест удержания подтверждает, что выключатель не сработает в течение 0,1 с при нижнем кратном значении — 3 × In для B, 5 × In для C, 10 × In для D. Затем тест срабатывания подтверждает, что он сработает в течение 0,1 с при верхнем кратном значении — соответственно 5, 10 и 20 × In. Возьмём выключатель типа C на 16 А: он должен выдерживать 80 А (5 ×) без мгновенного срабатывания, но должен почти сразу же отключиться при 160 А (10 ×). Тот же выключатель на 16 А типа B сработает мгновенно при 80 А, а типа D выдержит до 320 А до срабатывания магнита. Именно это различие объясняет, почему выбор кривой определяет устойчивость к пусковым токам и координацию с последующими устройствами: кривая D выдерживает кратковременный скачок тока мотора или трансформатора, который вызвал бы ложное срабатывание кривой B.

Один момент заслуживает особого внимания для всех, кто пишет технические требования к тестам. Критерии прохождения, которые меняются между B, C и D, относятся к магнитному (мгновенному) срабатыванию, а не к тепловому срабатыванию при перегрузке.. Биметаллическая часть, истинная тепловая калибровка, одинакова для всех трёх кривых. И в МКВ (малых автоматических выключателях) реакция на короткое замыкание мгновенная, а не действительно задержанная; термин «коротковременная задержка» используется на производстве в более широком смысле. Настоящая, намеренная коротковременная задержка встречается только в АВР (автоматических выключателях нагрузки) с регулируемыми уставками, которые рассматриваются далее. Для магнитной проверки МКВ и малогабаритных АВР Benlong Стенд для проверки срабатывания магнитного датчика MCCB с ручным управлением специально разработал устройство с программируемым источником тока 5–10 × In и миллисекундным уровнем времени для чёткого определения результата «пройден/не пройден».

Применяемый стандарт: IEC 60898-1, 60947-2 и 61009

Соответствующие критерии прохождения зависят от стандарта, по которому сертифицирован продукт, и неправильное применение представляет реальную опасность с точки зрения рисков. МКВ, применяемые в бытовых условиях и аналогичных средах, соответствуют стандарту IEC 60898-1, который определяет классификации B, C, D. Стандарт IEC 60947-2 регулирует использование АВР и промышленных автоматических выключателей, поэтому в нём предусмотрены свои номинальные токи (1,05 × и 1,3 × In) и более гибкие функции. Стандарт IEC 61009-1 регулирует использование УЗО с функцией автоматического выключения (RCBO), которые, помимо испытаний на остаточный ток, должны проходить те же тесты, что и МКВ, по тепловым и магнитным операциям. Один и тот же выключатель может быть сертифицирован по обоим стандартам, но температурная ссылка может быть организована по-разному в зависимости от используемых стандартов.

Температура ссылки — один из факторов. Согласно IEC 60898-1, калибровка проводится при 30 °C, тогда как устройства, соответствующие IEC 60947-2, испытываются при 40 °C. При этом одно и то же устройство может тестироваться при других температурных уровнях для каждого из упомянутых стандартов. Температура ссылки также влияет на таблицу снижения номинала, используемую потребителями, поэтому если выключатель был испытан с неправильной температурой ссылки, он может выйти из строя после прохождения стандартных тестов. Таким образом, фиксация температуры при испытаниях — это не только лабораторная формальность, но и обязательное требование качества.

Тепловая калибровка MCCB и задержки LSI(G)

Автоматические выключатели в литом корпусе добавляют уровень сложности. Меньшие тепловые магнитные MCCB калибруются аналогично MCB, путем подгонки биметаллического элемента для зоны перегрузки и проверки соленоида для срабатывания при коротком замыкании. Но многие современные MCCB используют электронные расцепители, и здесь Тепловая калибровка MCCB становится вопросом настройки и проверки программируемых параметров защиты, а не изгиба металла. Эти расцепители обычно описываются схемой LSI или LSIG, и каждая буква обозначает отдельно регулируемую зону защиты:

• L, задержка длительного времени: функция перегрузки, эквивалентная тепловому элементу, с регулируемым током срабатывания и временем задержки, определяющими поведение при обратном времени перегрузки.
• S, задержка короткого времени: настоящая, намеренная задержка при умеренных токах повреждения, используемая для того, чтобы нижестоящий выключатель мог первым устранить неисправность и сохранить селективность. Это настоящая зона задержки короткого времени, которой просто нет у MCB.
• I, мгновенное: немедленное срабатывание выше высокого порога без намеренной задержки, для серьезных коротких замыканий.
• G, защита от замыканий на землю: опциональная защита от замыканий на землю на четырехполюсных и более высокоспецифицированных устройствах.

Для электронного MCCB тест задержки проверяет, что каждая зона срабатывает в пределах допуска на заданных настройках, последовательно подавая ток на порогах L, S и I и измеряя время реакции. Для теплового магнитного MCCB проверяется непосредственно биметалл и соленоид, точно так же, как для MCB, но при более высоких токах и больших корпусах. В любом случае оборудование должно обеспечивать гораздо более высокие испытательные токи, чем стенд для MCB. Оборудование Benlong MCCB Laboratory Integrated Testing bench предназначено для проведения испытаний магнитного расцепления, тепловой калибровки и длительной тепловой калибровки на одной станции, что подходит как для НИОКР, так и для лаборатории типовых испытаний.

Как проводится тепловая калибровка на производственной линии

Типичный процесс тепловой калибровки срабатывания на современной линии MCB проходит через повторяемую последовательность. Контролируемый ток перегрузки, обычно 2,55 × In, подается через проверяемый выключатель с использованием стабилизированного источника с низкими гармоническими искажениями, поскольку искаженная форма сигнала изменяет нагрев и искажает показания. Таймер с высоким разрешением фиксирует точный момент срабатывания выключателя, обычно с точностью до долей процента от показания. Если время срабатывания выходит за пределы допустимого окна, биметалл изгибается или регулируется его установочный винт — оператором на полуавтоматическом стенде или сервоприводом на полностью автоматической ячейке. Затем устройство повторно тестируется в холодном состоянии, и результат прохождения/непрохождения и время срабатывания регистрируются, часто экспортируются через USB или передаются в MES для полной прослеживаемости. При этом, поскольку стандарт ссылается на 30 °C, температура в зоне тестирования контролируется и компенсируется; калибровка при неправильной температуре окружающей среды — одна из самых распространенных причин ошибок времени срабатывания в полевых условиях..

Автоматизация этой последовательности окупается тремя способами: стабильность, поскольку сервопривод регулирует более повторяемо, чем рука; скорость, потому что параллельные станции поглощают длительные традиционные тесты; и прослеживаемость, поскольку данные каждого устройства фиксируются, а не проверяются выборочно. Продукты с более высокими техническими характеристиками часто калибруются на 100% единиц, в то время как массовые МКБ могут следовать определённому плану выборочного контроля. Качество на входе также имеет значение — сборка биметаллического элемента должна быть выполнена последовательно, прежде чем её можно будет откалибровать, именно поэтому Benlong также поставляет Автоматическая сварочная линия с термопредохранителем MCB оборудование для производства термического трип-субузла с повторяемым качеством сварки. Последовательные компоненты, поступающие на калибровку, означают меньшее количество устройств, выходящих за пределы допустимого диапазона, и меньше доработок на последующих этапах.

Сам источник тока является тихим героем всего этапа. Поскольку биметалл реагирует на нагрев, время срабатывания зависит от истинного RMS тока и качества его формы сигнала, а не только от номинальной уставки. Источник, который проседает под нагрузкой, дрейфует по мере нагрева собственных компонентов или содержит значительные гармонические искажения, будет нагревать полоску иначе, чем чистая синусоида, предполагаемая стандартом, и каждое устройство, откалиброванное по нему, наследует эту ошибку. Вот почему стабильный источник тока с замкнутым контуром и низкими общими гармоническими искажениями в сочетании с надёжными, низкоомными контактами для тестирования оказывает большее влияние на выход продукции, чем почти любой другой отдельный фактор на стенде.

Почему автоматические выключатели не проходят QA тест задержки срабатывания

Даже если автоматический выключатель хорошо спроектирован, он всё равно может давать брак, если процесс его производства отклонился. Наиболее распространённые причины, по которым выключатель не проходит тест задержки срабатывания, включают высокую температуру окружающей среды, отклоняющуюся от эталонной температуры 30 °C, что смещает общую тепловую характеристику влево или вправо; нестабильный ток, который изменяет количество тепла, подаваемого на биметалл; неправильное сопротивление на клеммах, создающее дополнительный нагрев; недостаточное время стабилизации между тестами, из-за чего биметалл сохраняет остаточный нагрев; неправильная карта кривой или применённая программа; и механический дрейф после калибровки, вызывающий большой разброс между последовательными тестами. Большинство этих проблем возникает из-за проблем с управлением и может быть устранено, если производственный стенд имеет стабильное питание током, отличную температурную компенсацию и автоматическую систему записи данных.

Тест задержки срабатывания — лишь один из столпов контроля качества выключателей. Он дополняет проверку диэлектрической прочности и изоляции — если вы разрабатываете полный план тестирования, наше объяснение по hi-pot тестированию охватывает сторону проверки выдерживаемого напряжения, которая проводится параллельно с тепловыми и магнитными проверками.

Выбор оборудования для термической калибровки и теста задержки срабатывания

Соответствие испытательного стенда продукту имеет значение. Семейство автоматических выключателей (MCB) с умеренным объемом производства хорошо обслуживается полуавтоматическим калибровочным стендом; предприятие, выпускающее множество моделей, выигрывает от смены на основе карт, что позволяет линии переключаться между семействами за считанные минуты; а цех MCCB или ACB нуждается в стендах с большим током и крупной рамой, способных достигать необходимых кратных значений. Полный ассортимент этих систем Benlong представлен в Проект испытательного стенда каталоге, который охватывает калибровочные стенды для тепловых MCB, магнитные испытательные стенды для MCCB, интегрированные лабораторные тестеры и комплексные испытательные станции для ACB. Поскольку ассортимент моделей, целевая производительность и время цикла на каждом предприятии различаются, эти стенды обычно настраиваются под продукцию заказчика, а не продаются как фиксированные каталожные единицы.

Заключение

Тепловая калибровка — это этап, на котором автоматический выключатель получает свою номинальную характеристику. Тест задержки, который это проверяет, делится на часть с длительной задержкой, которая устанавливает и проверяет тепловой биметалл в соответствии с точками перегрузки IEC 60898-1, и часть с короткой или мгновенной задержкой, которая проверяет магнитный расцепитель — именно магнитная часть определяет различные критерии прохождения для кривых B, C и D. Правильно установите окружающую температуру, форму тока и время, откалибруйте каждый биметалл индивидуально, зафиксируйте результаты, и в итоге получите выключатель, который срабатывает точно тогда, когда должен, и удерживается, когда должен. Для производителей, масштабирующих этот процесс, правильное сочетание калибровочных и тестовых стендов превращает медленную, зависящую от оператора задачу в повторяемый, отслеживаемый этап производства.