电弧故障保护电器的智能化测试系统及测试方法技术方案
Intelligent testing system and testing method for electric arc fault protection apparatus
The invention provides an arc fault protection test system for intelligent appliances and testing method, which is the characteristic testing system, including: fault simulation device, the main circuit, control module group and test load; the fault simulation device comprises a carbonization device, arc generator and cutting device; the control module group including: DSPIC as the control group, A control module based on the data acquisition card and computer control module B core; the test load includes a resistive load and shielding load; the computer for the PC platform. The invention solves the difficulties and inconvenience of AFDD operation characteristic verification in the existing technology, can simulate the arc fault caused by various fault causes, simultaneously automatically identify the fault arcs, and comprehensively and systematically check the operation characteristics of the arc protector.
【技术实现步骤摘要】
电弧故障保护电器的智能化测试系统及测试方法
本专利技术属于用电安全设备测试领域，尤其涉及一种电弧故障保护电器的智能化测试系统及测试方法。
技术介绍
用电安全一直是各行各业普遍关注的主题。但是，近年来由于终端电气设备故障、电气线路绝缘老化、损坏或者短路等原因，常常会引发低压电弧故障。电弧的温度极高，极易点燃周围的可燃物，从而引发电气火灾，给用电安全带来极大威胁。研究表明，因电弧故障引起的电气火灾约占整个电气火灾的30%，且随着用电设备日趋集中化、复杂化，该数据具有逐渐增长的趋势。早在上世纪80年代开始，国外学者就开始对故障电弧展开研究，目的在于检测故障电弧，寻求一种能够防护电弧故障的方法；90年代，美国开始研究故障电弧保护断路器（以下简称AFDD），并制定了UL1699标准《电弧故障断路器》；欧美等国家通过在住宅等建筑装设AFDD来防护因电弧故障引发的电气火灾。电弧故障保护电器是一类新型保护电器，能够实现电弧故障检测，并快速的切断故障线路，以避免电气火灾的发生。近年来，国内学者和电气技术人员对电弧故障展开深入的研究，研发了适用于国内用电系统的AFDD产品。2015年GB/T31143-2014标准《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》正式实施，标准中除了规定AFDD应具备的常规断路器功能外，还对其动作特性提出的明确的要求。及时有效的识别电弧是AFDD的主要特点，这也是其设计AFDD产品的难点和关键问题，因此验证其动作特性是确定其保护特性重要手段。该标准规定了动作特性验证性试验项目，并且对使用的电弧故障模拟装置提出要求。目前用于测试AFDD动作特性且符合标...
【技术保护点】
一种电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于，包括：故障模拟装置、主电路、控制模块组和试验负载；所述故障模拟装置包括：碳化装置、电弧发生器和切割装置；所述控制模块组包括：以DSPIC为控制核心的控制模块组A、以数据采集卡为核心的控制模块组B和计算机；所述试验负载装包括：电阻性负载和屏蔽负载；所述计算机为上位机平台。
【技术特征摘要】
1.一种电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于，包括：故障模拟装置、主电路、控制模块组和试验负载；所述故障模拟装置包括：碳化装置、电弧发生器和切割装置；所述控制模块组包括：以DSPIC为控制核心的控制模块组A、以数据采集卡为核心的控制模块组B和计算机；所述试验负载装包括：电阻性负载和屏蔽负载；所述计算机为上位机平台。2.根据权利要求1所述的电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于：所述控制模块组内设有电压和电流采集模块；所述主电路包括：AC220V转7kV/30mA高压变压器和AC220V转2kV/300mA高压变压器、灯泡、光敏感测模块、AFDD接口、断路器CB、电压传感器、电流传感器和KM1至KM19共19个开关；所述两个高压变压器用于对电缆试品进行高压碳化，从而使得电缆试品绝缘表面形成碳化通道；所述灯泡与KM3构成的回路，配合所述光敏感测模块，用于检测碳化是否成功；所述AFDD接口用于连接被测样机；所述断路器CB为串扰试验回路用开关；所述电压传感器、电流传感器配合控制模块组内的电压和电流采集模块，对实际线路电压进行调理，并对电弧电压、电弧电流进行采集；所述开关为全控型开关；所述主电路通过开关之间的配合可以分别构成高压碳化试验电路、串联电弧故障试验电路、限流并联电弧故障试验电路、接地并联电弧故障试验电路、并联切割电缆电弧故障试验电路、屏蔽试验电路和误脱扣试验电路；所述开关的工作状态由所述上位机平台监控，开关的操作时序以及每个独立试验回路由所述上位机平台根据用于选择的试验项目确定；其中，KM11为多向程控开关，用于选择所述试验负载的类型；所述主电路对于工作状态冲突的开关之间设置有互锁保护措施；所述主电路的接入AC220V/50Hz电源，通过接线端子连接所述故障模拟装置，同时回路内部还与所述试验负载连接。3.根据权利要求2所述的电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于：所述碳化装置配合所述高压变压器、KM1、KM2、KM3、灯泡及光敏感测模块用于在电弧故障试验前对电缆试品进行预处理，使其表面形成碳化通道；其中，KM1、AC220V转7kV/30mA高压变压器构成高压击穿回路，KM2、AC220V转2kV/300mA高压变压器构成碳化回路，KM3、灯泡和光敏感测模块构成碳化检测模块；所述电弧发生器包括：固定电极、可移动电极、步进电机1和限位开关1；所述移动电极由步进电机1驱动平移，限位开关1对移动电极左右移动行程进行限制；所述切割装置包括：钢制刀片、步进电机2和限位开关2；所述钢制刀片由步进电机2驱动上下移动，限位开关2对钢制刀片上下移动行程进行限制；KM10为装置选择开关，可选用碳化装置或选用电弧发生器。4.根据权利要求3所述的电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于：所述控制模块组A包括：DSPIC、碳化效果识别模块、限位保护模块、主电路开关隔离控制模块、主电路开关状态检测模块、AFDD状态检测模块、电机保护模块、光敏感测模块、通信模块、按键复位电路、LCD显示电路和程序烧写电路；其中，所述主电路开关隔离控制模块对DSPIC输出的控制信号进行隔离和放大处理，用于驱动全部开关的动作，同时对不允许同时动作的开关进行硬件互锁，避免造成主电路短路故障；所述主电路开关状态检测模块包括：开关状态信号处理电路和隔离保护电路1；所述开关状态信号处理电路通过多位移动寄存器将19个开关的状态信号转换成单个并行信号，经隔离保护电路1输入DSPIC中，解码后识别各个开关的工作状态，同时将开关状态信息传输至所述上位机平台；所述AFDD状态检测模块包括：AFDD状态检测电路和隔离保护电路2；所述电机保护模块包括：限位信号处理电路和隔离保护电路3构成；所述限位信号处理电路将所述电弧发生器中限位开关1的信号的及所述切割装置中限位开关2的信号进行整合，形成保护信号，以确定是否采取保护措施，并且将信息传输至所述上位机平台；所述光敏感测模块的感应单元用于感测所述灯泡亮暗情况；所述通信模块用于实现所述控制模块组A与所述上位机平台之间的数据通信。5.根据权利要求4所述的电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于：所述控制模块组B包括：数据采集卡、步进电机1的控制及保护模块、步进电机2的控制及保护模块、电压和电流采集模块、电流采集量程选择模块；所述数据采集卡安装于PCIE接口处；所述步进电机1控制及保护模块包括：隔离保护电路4、步进电机1驱动器、左右限位保护电路；所述步进电机2控制及保护模块包括：隔离保护电路5、步进电机2驱动器、上下限位保护电路；所述数据采集卡模拟输入连接电压及电流采集模块，通过主电路中的电压传感器和电流传感器采集试验过程中线路电压和电流；所述电流采集量程选择模块有0-5A、5-25A、25-100A、大于100A共四个量程档位。6.根据权利要求5所述的电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于：所述上位机平台包括：人机交互界面、主电路控制及在线监测模块、故障模拟装置控制及在线监测模块、信号采集模块、数据处理模块、电弧识别模块、电弧波形库、试验报告生成与打印模块、历史数据调阅模块、和参数设置模块；所述人机交互界面用于试验的输入和输出，包括：选择试验项目、试验负载、电弧故障装置类型、设置参数以及显示状态和参数；所述上位机平台的执行程序共设有六个并行线程，其中：第一线程为主电路控制线程，由所述人机交互界面的按键操作启动，用于与所述控制模块组A的数据通信、控制主电路的工作状态、监测所述主电路全部开关的工作状态以及启动第二线程；在单次试验结束时，进入等待状态；第二线程为步进电机控制线程，用于对所述步进电机1和步进电机2的控制；该线程同时受第一线程和第五线程控制；根据第一线程的指令启动，并在以下几种情况下，步进电机1和步进电机2停止工作，该线程将进入等待状态，包括：所述电弧发生器中的可移动电极或所述切割装置的钢制刀片运行至初始位置时、所述电弧发生器两电极接触时、所述切割装置的钢制刀片切割完电缆试品时和第五线程输出停止指令时；第三线程为电压、电流采集线程，用于实时采集线路电压和电流，并根据其他线程的状态指令，停止数据采集并进入等待状态；第三线程在每次数据采集结束前，自动保存试验数据；第四线程为电压、电流信号处理线程，该线程与第三线程同步执行，用于处理第三线程采集到的电压和电流，将采集到的电压、电流数据根据硬件缩放比例还原至实际值并将波形实时显示于所述的人机交互界面上，同时以电弧电压和电弧电流为分析对象进行电弧识别，计算参数；第五线程为电机保护线程，与第二线程同时执行，该线程通过数据通信模块，实时获取所述电机保护模块传递的保护信号，当所述可移动电极或钢制刀片超程时，该线程向第二线程输出停止指令，且进入等待状态；第六线程为辅助功能线程，用于处理所述人机交互界面上的各类事件，包括：参数设置、历史数据调阅、生成或打印试验报告、开始试验、停止试验；在无事件时，该线程为等待状态；当开始试验事件发生时，启动试验；停止试验事件发生时，强制停止全部线程。7.根据权利要求6所述的电弧故障保护电器的智能化测试系统，其特征在于：所述屏蔽负载包括：抑制性屏蔽负载、I类、II类EMI滤波器以及铠装电缆；所述抑制性屏蔽负载包括：真空吸尘器、空压机、开关电源、电子调光灯、荧光灯、卤素灯、电钻。8.一种根据权利要求7所述系统的电弧故障保护电器的智能化测试方法，其特征在于，包括：串联电弧故障试验、并联电弧故障试验、屏蔽试验、误脱扣试验；其中，所述串联电弧故障试验包括：突发串联故障电弧试验、接入串联故障电弧试验、闭合串联故障电弧试验和极限温度下串联故障电弧试验；所述并联电弧故障试验包括：限流并联电弧故障试验，接地并联电弧故障试验和切割电缆并联电弧故障试验；所述屏蔽试验包括：不带抑制性屏蔽负载试验，A类、B类、C类、D类带抑制性屏蔽负载试验，I类、II类EMI屏蔽负载试验和铠装电缆屏蔽负载试验。9.根据权利要求8所述的电弧故障保护电器的智能化测试方法，其特征在于：在测试试验之前，需要进行故障模拟装置的状态初始化，包括：碳化装置初始化、电弧发生器初始化和切割装置初始化；所述碳化装置初始化的方法是：步骤A1：所述上位机平台经通信模块将控制指令发送至控制模块组A，所述控制模块组A控制KM3闭合，此时，所述光敏感测模块感测所述灯泡亮暗情况，并将检测到的结果发送至上位机平台；若灯泡不亮则需要执行高压碳化，所述高压碳化包括以下步骤：步骤A2：所述高压击穿回路对电缆试品进行高压击穿：控制KM1闭合，10秒后KM1断开；步骤A3：所述碳化回路对电缆试品进行碳化：控制KM2闭合，1分钟后KM2断开；步骤A4：再次执行步骤A1，检测电缆试品绝缘表面是否形成碳化通道；所述电弧发生器初始化的方法是：所述上位机平台先检测所述电弧发生器的两电极是否完全接触：如果未完全接触，则经控制模块组B驱动步进电机1正向旋转，直至两电极完全接触，步进电机1停止旋转，同时所述上位机平台记录移动电极行程；所述切割装置初始化的方法是：所述上位机平台根据钢制刀片历史行程，判断钢制刀片是否处于最高位置，若钢制刀片未恢复至最高位置，经控制模块组B驱动步进电机2逆向旋转，从而带动钢制刀片向上运行直至恢复至最高位置，步进电机2停止运转，同时所述上位机平台记录钢制刀片位移量。10.根据权利要求9所述的电弧故障保护电器的智能化测试方法，其特征在于：所述串联电弧故障试验开始前，先初始化全部开关状态，此时KM8、KM9、KM10闭合，其余开关断开；并依次进行突发串联故障电弧试验、接入串联故障电弧试验、闭合串联故障电弧试验和极限温度下串联故障电弧试验；所述突发串联电弧故障试验的具体操作步骤为：步骤B1：控制开关KM4、KM5、KM6、KM7闭合，直至电路电流达到试验电流值；步骤B2：控制开关KM7断开，所述上位机平台数据开始实时采集线路电压和电流，实时数据处理并在人机交互界面上显示波形；步骤B3：控制开关KM6断开，产生突发故障电弧；步骤B4：达到预设的指定时间后，控制开关KM4、KM5断开，停止数据采集；步骤B5：所述控制模块组A将AFDD工作状态反馈至上位机平台，上位机平台的电弧识别模块对电弧进行识别并计算相关电弧参数，判断在标准规定时间内AFDD是否实施保护，以确定AFDD动作特性是否满足要求，保存并记录试验数据；步骤B6：重复步骤B1至步骤B5三次；所述接入带串联电弧故障负载试验的具体操作步骤为...
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