智能化电弧故障模拟系统及操作方法技术方案

本发明专利技术提出一种智能化电弧故障模拟系统，其中模拟系统的特征在于，包括：电弧故障模拟装置柜、试验电路、试验负载柜、数据采集卡和计算机；所述电弧故障模拟装置柜包括碳化装置、切割装置和点接触装置；所述试验电路包括多个全控开关；所述试验负载柜中设置有试验负载，包括电阻性负载和抑制性屏蔽负载；所述数据采集卡通过PCIE接口与计算机连接；所述计算机包括上位机平台。本发明专利技术自动化程度高、电弧故障模拟成功率大且具有故障电弧分析能力，试验过程全程可控，安全性高且利于环保。

Intelligent arc fault simulation system and operation method

The invention provides a kind of intelligent arc fault simulation system, which is characteristic of simulation system, including: arc fault simulation device cabinet, test circuit, test load cabinet, data acquisition card and computer device; cabinet comprises a carbonization device, cutting device and contact device to simulate the arc fault; the test circuit comprises a plurality of a full controlled switch; the load test cabinet is arranged in the load test, including resistive load and inhibitory shielding load; the data acquisition card is connected with the computer through the PCIE interface; including PC platform of the computer. The invention has high automation degree, large success rate of arc fault simulation, and has the ability of fault arc analysis. The test process is controllable throughout the whole process, with high safety and environmental protection.

【技术实现步骤摘要】
智能化电弧故障模拟系统及操作方法
本专利技术属于用电安全设备检测领域，尤其涉及一种智能化电弧故障模拟系统及操作方法。
技术介绍
电弧是气体放电的一种形式，且燃弧过程复杂，常伴随着高温，强光及电磁辐射等现象。通常把电弧分为为好弧和坏弧，前者指的是能够被生产和生活所应用或不具有危害性的电弧对现象，如弧焊电弧、开关电器分合闸过程中的电弧；后者指的是具有明显危害性的电弧，又称故障电弧，其发生的原因包括导线绝缘损坏、老化，电器设备接地短路，插头拔插、接线不良等，此时，高温燃烧的电弧极易引燃易燃物诱发电气火灾。相对于好弧而言，坏弧的形成具有随机性和不确定性，这就为其研究增加的困难。近年来，随着用电容量的加大和用电设备复杂化、集中化，因电弧故障引发的电气火灾所占比重持续增加，针对故障电弧和电弧故障保护电器的研究受到广泛关注。与传统保护电器不同，电弧故障保护电器主要特点是能够迅速的识别故障电弧，在对其动作特性进行验证过程需要配备模拟电弧故障的设备。而目前，电弧的实验研究常常是利用铜棒和碳-石墨棒构成的拉弧装置模拟产生电弧。这种方法仅能模拟单一的电弧产生状况，且多采用人工手动操作模式。然而，电弧故障发生的原因复杂，单一的电弧故障模拟发生装置难以满足要求。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，该标准明确了验证电弧故障保护电器的动作特性试验方法并给出了三类模拟电弧故障的装置：第一种是采用高压碳化的方式对两根绝缘表面经过处理的电缆试品进行预处理使其绝缘表面形成碳化导电通道，当其接入用电回路后，将产生电弧现象；第二种是利用铜棒和碳-石墨棒尖端放电产生电弧现象；第三种是利用钢制刀片以一定的角度切割两根紧密绑在一起的电缆，刀片先与第一根电缆产生实际接触，当刀片继续切割时将于第二根电缆电接触，从而产生电弧。目前，用于测试AFDD动作特性且符合标准规定的试验设备较少，传统的电弧故障模拟发生装置功能不完善、自动化程度低且本身存在安全隐患。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的不足，本专利技术采用以下技术方案：一种智能化电弧故障模拟系统，其特征在于，包括：电弧故障模拟装置柜、试验电路、试验负载柜、数据采集卡和计算机；所述电弧故障模拟装置柜包括碳化装置、切割装置和点接触装置；所述试验电路包括多个全控开关；所述试验负载柜中设置有试验负载，包括电阻性负载和抑制性屏蔽负载；所述数据采集卡通过PCIE接口与计算机连接；所述计算机包括上位机平台。进一步地，所述上位机平台包括：切割装置控制与监测模块、点接触装置控制与监测模块、碳化装置控制与监测模块、试验电路控制与监测模块、信号采集模块、数据处理与显示模块、电弧分析模块、波形数据库生成模块、历史数据调阅模块、参数设置模块和人机交互界面。进一步地，所述试验电路包括3个全控开关S1、S2、S3、程控多向开关S9、电压传感器和电流传感器；所述多个全控开关的控制端经隔离控制模块与所述数据采集卡的数字输出引脚连接；所述程控多向开关S9与数据采集卡的数字输出引脚连接；所述试验电路中，所有开关的工作状态受上位机平台的监测和控制；所述电压传感器和电流传感器分别连接信号调理电路，再接入数据采集卡的模拟输入引脚，通过上位机平台的信号采集模块实时采集电压、电流波形。进一步地，所述抑制性屏蔽负载包括：真空吸尘器、电子调光灯、卤素灯、空压机、开关电源、电钻、烧水壶；所述电阻性负载包括可调电阻负载。进一步地，所述电弧故障模拟装置柜以绝缘底座为界，分为两层，上层为试验台，设置有碳化装置、点接触装置和切割装置的燃弧机构，下层为柜体，设置有碳化检测模块、碳化控制模块、高压碳化模块、信号调理电路、刀片位移检测模块、电极位移检测模块、上下限位保护模块、左右限位保护模块、点接触装置驱动及保护模块、点接触装置控制模块、切割装置驱动及保护模块、切割装置控制模块；所述试验台外部设置有带操作门的封闭透明罩体；所述电弧故障模拟装置柜顶部设置有抽气设备和气体净化层。进一步地，所述碳化装置包括：电缆试品1、接线柱、高压碳化模块、碳化检测模块、碳化控制模块和烟雾感测模块；所述电缆试品1的接线端J1、J2通过接线盒与接线柱连接；所述接线柱顶部设置有快速接线端子，底部穿过所述绝缘底座，与高压碳化模块和试验电路连接；所述高压碳化模块包括7kV/30mA变压器、2kV/300mA变压器、开关S4和开关S5，其中，开关S4、7kV/30mA变压器构成高压击穿回路，开关S5、2kV/300mA变压器构成碳化回路；所述碳化检测模块包括灯泡、开关S6和光敏感测模块；所述点接触装置包括支架、平整端电极、尖端电极、导轨、移动滑板、步进电机1、点接触装置控制模块、点接触装置驱动及保护模块、电极状态检测模块、压力感测模块、电极位移检测模块和左右限位保护模块；所述支架包括左侧支架和右侧支架；所述平整端电极为固定电极，固定在左侧支架上；所述导轨固定在右侧支架上；所述尖端电极为可移动电极，安装在移动滑板上；所述移动滑板安装在导轨上，由步进电机1控制在导轨上直线运动，从而带动尖端电极左右平移，实现与平整端电极的接触和拉弧；所述点接触装置控制模块与数据采集卡的数字引脚连接，将尖端电极的移动方向和速度脉冲信号隔离和放大，并传递至所述点接触驱动及保护模块，以控制步进电机1的工作状态；所述电极状态检测模块包括开关S7、限流电阻、隔离检测单元和辅助电源；所述隔离检测单元与数据采集卡的数字输入引脚连接；所述压力感测模块包括压力传感器和信号调理电路，用以判断平整端电极和尖端电极是否完全接触；所述电极位移检测模块采集电极位移数据并上传至上位机平台，配合上位机平台的点接触装置控制与监测模块实时调节尖端电极的平移速度、拉弧速度，以减轻两电极接触瞬间的碰撞力，同时，在拉弧过程中，当实际位移达到预设值时，上位机平台控制电极停止移动，以实现点接触装置闭环控制；所述左右限位保护模块与电极位移检测模块连接，将位移量与预设的极限位移进行对比转换成所述点接触装置驱动及保护模块的控制量并传输至点接触装置驱动及保护模块的使能端，当尖端电极左移或右移达到限值时，尖端电极被强制停止移动，以避免上位机突发故障时，电极行程超限；所述点接触装置的接线端J3、J4同时与所述电极状态检测模块、试验线路连接；所述切割装置包括绝缘臂杆、绝缘耐高温底座、电缆试品2、钢制刀片、丝杆、步进电机2、切割装置控制模块、切割装置驱动及保护模块、刀片位移检测模块和上下限位保护模块；所述绝缘臂杆内侧开设有用于固定钢制刀片的槽；所述电缆试品2的接线端J5、J6与所述试验电路连接；所述步进电机2通过联轴器与丝杆连接，丝杆的另一端与绝缘臂杆的滑动部分连接，使步进电机2旋转时将带动钢制刀片上下移动；所述切割装置控制模块与数据采集卡的数字引脚连接，将钢制刀片的移动方向和速度脉冲信号进行隔离和放大，并作为切割装置驱动及保护模块的输入控制量，以控制钢制刀片的运动；所述刀片位移检测模块将钢制刀片的位移信号转换为模拟电压信号输入至数据采集卡的数字输入引脚，并传送至上位机平台，配合所述述切割装置控制与检测模块用于钢制刀片位移和切割速度的调整及实现切割装置闭环控制；所述上下限位保护模块与刀片位移检测模块连接，起硬件限位保护作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能化电弧故障模拟系统，其特征在于，包括：电弧故障模拟装置柜、试验电路、试验负载柜、数据采集卡和计算机；所述电弧故障模拟装置柜包括碳化装置、切割装置和点接触装置；所述试验电路包括多个全控开关；所述试验负载柜中设置有试验负载，包括电阻性负载和抑制性屏蔽负载；所述数据采集卡通过PCIE接口与计算机连接；所述计算机包括上位机平台。

【技术特征摘要】
1.一种智能化电弧故障模拟系统，其特征在于，包括：电弧故障模拟装置柜、试验电路、试验负载柜、数据采集卡和计算机；所述电弧故障模拟装置柜包括碳化装置、切割装置和点接触装置；所述试验电路包括多个全控开关；所述试验负载柜中设置有试验负载，包括电阻性负载和抑制性屏蔽负载；所述数据采集卡通过PCIE接口与计算机连接；所述计算机包括上位机平台。2.根据权利要求1所述的智能化电弧故障模拟系统，其特征在于：所述上位机平台包括：切割装置控制与监测模块、点接触装置控制与监测模块、碳化装置控制与监测模块、试验电路控制与监测模块、信号采集模块、数据处理与显示模块、电弧分析模块、波形数据库生成模块、历史数据调阅模块、参数设置模块和人机交互界面。3.根据权利要求2所述的智能化电弧故障模拟系统，其特征在于：所述试验电路包括3个全控开关S1、S2、S3、程控多向开关S9、电压传感器和电流传感器；所述多个全控开关的控制端经隔离控制模块与所述数据采集卡的数字输出引脚连接；所述程控多向开关S9与数据采集卡的数字输出引脚连接；所述试验电路中，所有开关的工作状态受上位机平台的监测和控制；所述电压传感器和电流传感器分别连接信号调理电路，再接入数据采集卡的模拟输入引脚，通过上位机平台的信号采集模块实时采集电压、电流波形。4.根据权利要求3所述的智能化电弧故障模拟系统，其特征在于：所述抑制性屏蔽负载包括：真空吸尘器、电子调光灯、卤素灯、空压机、开关电源、电钻、烧水壶；所述电阻性负载包括可调电阻负载。5.根据权利要求4所述的智能化电弧故障模拟系统，其特征在于：所述电弧故障模拟装置柜以绝缘底座为界，分为两层，上层为试验台，设置有碳化装置、点接触装置和切割装置的燃弧机构，下层为柜体，设置有碳化检测模块、碳化控制模块、高压碳化模块、信号调理电路、刀片位移检测模块、电极位移检测模块、上下限位保护模块、左右限位保护模块、点接触装置驱动及保护模块、点接触装置控制模块、切割装置驱动及保护模块、切割装置控制模块；所述试验台外部设置有带操作门的封闭透明罩体；所述电弧故障模拟装置柜顶部设置有抽气设备和气体净化层。6.根据权利要求5所述的智能化电弧故障模拟系统，其特征在于：所述碳化装置包括：电缆试品1、接线柱、高压碳化模块、碳化检测模块、碳化控制模块和烟雾感测模块；所述电缆试品1的接线端J1、J2通过接线盒与接线柱连接；所述接线柱顶部设置有快速接线端子，底部穿过所述绝缘底座，与高压碳化模块和试验电路连接；所述高压碳化模块包括7kV/30mA变压器、2kV/300mA变压器、开关S4和开关S5，其中，开关S4、7kV/30mA变压器构成高压击穿回路，开关S5、2kV/300mA变压器构成碳化回路；所述碳化检测模块包括灯泡、开关S6和光敏感测模块；所述点接触装置包括支架、平整端电极、尖端电极、导轨、移动滑板、步进电机1、点接触装置控制模块、点接触装置驱动及保护模块、电极状态检测模块、压力感测模块、电极位移检测模块和左右限位保护模块；所述支架包括左侧支架和右侧支架；所述平整端电极为固定电极，固定在左侧支架上；所述导轨固定在右侧支架上；所述尖端电极为可移动电极，安装在移动滑板上；所述移动滑板安装在导轨上，由步进电机1控制在导轨上直线运动，从而带动尖端电极左右平移，实现与平整端电极的接触和拉弧；所述点接触装置控制模块与数据采集卡的数字引脚连接，将尖端电极的移动方向和速度脉冲信号隔离和放大，并传递至所述点接触驱动及保护模块，以控制步进电机1的工作状态；所述电极状态检测模块包括开关S7、限流电阻、隔离检测单元和辅助电源；所述隔离检测单元与数据采集卡的数字输入引脚连接；所述压力感测模块包括压力传感器和信号调理电路，用以判断平整端电极和尖端电极是否完全接触；所述电极位移检测模块采集电极位移数据并上传至上位机平台，配合上位机平台的点接触装置控制与监测模块实时调节尖端电极的平移速度、拉弧速度，以减轻两电极接触瞬间的碰撞力，同时，在拉弧过程中，当实际位移达到预设值时，上位机平台控制电极停止移动，以实现点接触装置闭环控制；所述左右限位保护模块与电极位移检测模块连接，将位移量与预设的极限位移进行对比转换成所述点接触装置驱动及保护模块的控制量并传输至点接触装置驱动及保护模块的使能端，当尖端电极左移或右移达到限值时，尖端电极被强制停止移动，以避免上位机突发故障时，电极行程超限；所述点接触装置的接线端J3、J4同时与所述电极状态检测模块、试验线路连接；所述切割装置包括绝缘臂杆、绝缘耐高温底座、电缆试品2、钢制刀片、丝杆、步进电机2、切割装置控制模块、切割装置驱动及保护模块、刀片位移检测模块和上下限位保护模块；所述绝缘臂杆内侧开设有用于固定钢制刀片的槽；所述电缆试品2的接线端J5、J6与所述试验电路连接；所述步进电机2通过联轴器与丝杆连接，丝杆的另一端与绝缘臂杆的滑动部分连接，使步进电机2旋转时将带动钢制刀片上下移动；所述切割装置控制模块与数据采集卡的数字引脚连接，将钢制刀片的移动方向和速度脉冲信号进行隔离和放大，并作为切割装置驱动及保护模块的输入控制量，以控制钢制刀片的运动；所述刀片位移检测模块将钢制刀片的位移信号转换为模拟电压信号输入至数据采集卡的数字输入引脚，并传送至上位机平台，配合所述述切割装置控制与检测模块用于钢制刀片位移和切割速度的调整及实现切割装置闭环控制；所述上下限位保护模块与刀片位移检测模块连接，起硬件限位保护作用，上下限位保护模块将钢制刀片位移量与预设的极限位移进行对比转换成切割装置驱动及保护模块的控制量连接至切割装置驱动及保护模块的使能端，当钢制刀片位移...

【专利技术属性】
技术研发人员：许志红，苏晶晶，金闪，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35