CN103698677A

CN103698677A - 低压电弧故障测试与分析系统

Info

Publication number: CN103698677A
Application number: CN201410020710.0A
Authority: CN
Inventors: 郑昕; 许志红
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: CN103698677B

Abstract

本发明涉及一种低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：包括一自动生弧模块、一采样模块、一测量模块和一特征分析与测试模块；所述自动生弧模块用于连接负载，并产生相应的电弧故障；所述采样模块用于接收所述自动生弧模块发送的电弧故障信号，实现对电弧故障信号的调理和采集；所述测量模块用于对所述电弧故障信号进行转换与测量，并发送给所述特征分析与测试模块；所述特征分析与测试模块用于实现对所述电弧故障信号进行可视化特征变换与分析并实现AFCI测试功能。本发明有利于自动生成需要的电弧故障信号并实现故障特征的可视化分析与故障信号的输出测试。

Description

低压电弧故障测试与分析系统

技术领域

本发明涉及AFCI分析与设计技术领域，尤其是一种低压电弧故障测试与分析系统。

背景技术

低压电弧故障是引起电气火灾的重要原因，其故障特性已成为低压电器智能化研究的热点之一。电弧故障是电气火灾中多发且最危险的隐患，往往形成具有较大点火能量的起火源。传统的断路器、保护装置无法起到对故障电弧的有效防护。因此，对低压电弧故障进行全面深入并且科学的研究，掌握它的典型特征，找到诊断电弧故障的方法具有重要意义。电弧故障断路器（AFCI）是针对电弧故障检测与保护的新型电器，由于电弧故障类型和特性与负载种类相关，现有的AFCI都只能针对某一类型或某一负载的故障，缺乏通用性。而研究通用的检测和保护方法涉及传感技术、高速采集技术、通信技术和数据分析技术等多个领域，采用何种分析算法通常需要经过算法分析、程序编制、数据采集和处理以及检测验证等过程，而每个过程都要单独研制相关的实验装置，使研究周期增加同时由于故障测试设备的稀有和昂贵导致最后的验证存在困难。

20世界90年代起，人们提出了“可测性设计”概念，在设计初期就考虑测试问题以缩短产品的开发周期。近年来，对电弧故障的检测与保护的研究已全面展开，对低压电弧故障的理论分析需要专用的实验平台及设备来实现，目前专门针对低压电弧故障的分析系统在国内外还未见报道。

目前，对低压电弧故障的研究主要采用仿真分析结合样机的实测验证，由于无专门的故障波形数据采集与检测装置，存在研发周期长，采集和验证困难等缺点。对低压电弧故障的检测一般采用对波形数据进行富立叶变换并与特征曲线数据库进行比较来确定负载类型，再根据相应负载类型的故障电弧特征来识别电弧故障。近年来有研究人员将小波变换等信号处理方法应用与电弧故障特征的提取，但是各种负载类型的特征曲线数据和故障电弧特征数据需通过大量实验来获得。目前，国内外研究者大多只简单地搭建一个起弧装置来获得电弧故障波形数据，再将数据导入相关软件进行分析，没有形成专门的数据分析和实验验证平台，导致对低压电弧故障的研究缺乏系统性和通用性。随着科技的发展，负载的种类也呈现多样化，并有各种使用特征，用传统的方法对不同负载特性情况下的电弧特征进行分析和研究受硬件条件的制约而存在局限性。因此，有必要研制一种集采样、分析与测试为一体的低压电弧故障专用测试与分析系统，而当前各项技术的发展也为该系统的开发提供了可能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种低压电弧故障测试与分析系统，有利于自动生成需要的电弧故障信号并实现故障特征的可视化分析与故障信号的输出测试。

本发明采用以下方案实现：一种低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：包括一自动生弧模块、一采样模块、一测量模块和一特征分析与测试模块；

所述自动生弧模块用于连接负载，并产生相应的电弧故障；

所述采样模块用于接收所述自动生弧模块发送的电弧故障信号，实现对电弧故障信号的调理和采集；

所述测量模块用于对所述电弧故障信号进行转换与测量，并发送给所述特征分析与测试模块；

所述特征分析与测试模块用于实现对所述电弧故障信号进行可视化特征变换与分析，同时对所述电弧故障信号进行波形编辑和数模转换，实现AFCI产品测试并将测试结果显示出来。

在本发明一实施例中，所述自动生弧模块包括一控制模块、一电机微调模块、一标准起弧装置和一负载及电源接口，所述控制模块连接所述采样模块和所述电机微调模块，所述电机微调模块连接所述标准起弧装置，所述标准起弧装置连接所述负载及电源接口和所述采样模块。

在本发明一实施例中，所述标准起弧装置按UL1699标准由两个电极构成。

在本发明一实施例中，所述电机微调模块采用伺服电机实现电极位置的控制。

在本发明一实施例中，还包括一管理模块，所述管理模块与所述测量模块连接，用于设置采集、显示及存储的参数。

在本发明一实施例中，所述特征分析与测试模块包括一特征分析模块、一电弧故障信号发生模块和一AFCI测试模块，所述特征分析模块用于接收所述电弧故障信号并进行图像处理和算法的可视化分析，实现故障特征的分析与提取；所述电弧故障信号发生模块用于对实测的或已存储的电弧故障信号波形进行编辑；所述AFCI测试模块包括输出电路和反馈电路，用于将数模转换后的模拟信号通过硬件电路输出规定频率的模拟故障测试波形，并接收测试样机反馈的动作信号。

在本发明一实施例中，所述特征分析模块支持XLS、TDMS和LVM格式的波形数据，能够方便地读取MATLAB仿真数据。

在本发明一实施例中，所述特征分析模块采用数据库设计方式，内含软件自带的傅立叶算法、常用小波算法和形态小波算法。

在本发明一实施例中，还包括一参考电压设置模块连接所述电弧故障信号发生模块，用于选择输出电压幅值，并完成波形数据的数模转换。

在本发明一实施例中，还包括一显示模块连接所述测量模块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、实现不同负载特性下电弧故障信号的自动生成与采集，并精确调节弧隙的距离保证持续燃弧；

2、将特征分析引入测试系统中，建立可扩展的分析算法数据库，采用软件自带和自行开发相结合的方式为低压电弧故障的研究提供了专用的采集与分析平台；

3、首次将AFCI测试与低压电弧故障测试系统结合，建立了集采集、分析和测试于一体的新型低压电弧故障测试与分析系统，具备电弧自动生成、特征分析的可视化以及AFCI测试的功能，为AFCI产品的开发提供了可测性设计工具。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种低压电弧故障测试与分析系统，包括一自动生弧模块、一采样模块S、一测量模块T和一特征分析与测试模块；

所述自动生弧模块用于连接不同负载，并产生相应的电弧故障；

所述采样模块S用于接收所述自动生弧模块发送的电弧故障信号和电流信号，实现对电弧故障信号的调理和采集；所述采样模块S接收控制模块C的启动信号，对电弧电压和电流信号进行调理和采集并通过测量模块T对实测参数进行转换和测量，同时将原始采集信号输入给特征分析与测试模块；

所述测量模块T用于对所述电弧故障信号和电流信号进行转换与测量，并发送给所述特征分析与测试模块；

所述特征分析与测试模块用于实现对所述电弧故障信号和电流信号进行可视化特征变换与分析，同时对所述电弧故障信号和电流信号进行波形编辑和数模转换，实现AFCI（电弧故障分断器）产品测试并将测试结果显示出来。

所述自动生弧模块包括一控制模块C、一电机微调模块M、一标准起弧装置H和一负载及电源接口L，所述控制模块C连接所述采样模块S和所述电机微调模块M，所述电机微调模块M连接所述标准起弧装置H，所述标准起弧装置H连接所述负载及电源接口L和所述采样模块S，所述负载及电源接口L与起弧装置H构成闭合的起弧回路。所述控制模块C采用单片机为核心，输出电机控制信号并显示弧隙距离和燃弧时间，并同步输出采集启动信号。

优选的，所述标准起弧装置H按UL1699标准由两个电极构成，可通电产生电弧，电弧间隙由电机微调模块M调节，使电弧信号持续而稳定。所述电机微调模块M采用伺服电机实现电极位置的精确控制，按控制模块C的设定在起弧回路通电后将电极拉开到规定位置，实现自动起弧并持续燃烧。特别的，还包括一管理模块B，所述管理模块B与所述测量模块T连接，用于设置采集、显示及存储的相关参数，通过测量模块T完成特征分析模块A与电弧故障信号发生模块G的切换。

所述特征分析与测试模块包括一特征分析模块A、一电弧故障信号发生模块G和一AFCI测试模块O，所述特征分析模块A和电弧故障信号发生模块G连接所述测量模块T，所述特征分析模块A用于接收所述电弧故障信号和电流信号并进行相关图像处理和算法的可视化分析，实现故障特征的分析与提取；所述电弧故障信号发生模块G用于对实测的或已存储的电弧故障波形信号和电流波形信号进行任意编辑，构造标准电弧故障测试波形和任意形态的故障波形并完成波形数据的数模转换，转换结果提供给AFCI测试模块O；所述AFCI测试模块O包括输出电路和反馈电路，用于将数模转换后的模拟信号通过硬件电路输出规定频率的模拟故障测试波形，并接收测试样机反馈的动作信号。

优选的，所述特征分析模块A支持XLS、TDMS和LVM格式的波形数据，能够方便地读取MATLAB仿真数据和其他采集系统提供的波形数据；所述特征分析模块A采用数据库设计方式，内含软件自带的傅立叶算法、常用小波算法和自行开发的形态小波算法。形态小波算法将数学形态学滤波和二进小波相结合，可有效提取信号的高尺度细节分量特征并有效滤除背景白噪声和脉冲噪声的干扰，有利于电弧故障的特征分析和实际应用。同时，使用者可方便地将自行设计的基于LABVIEW的分析算法程序添加入数据库中，即可对实测信号进行自选算法的可视化特征分析，有效地缩短了对电弧故障特征研究的研发周期。

特别的，还包括一参考电压设置模块E连接所述电弧故障信号发生模块G，用于选择输出电压幅值（5V或10V）；还包括一显示模块D连接所述测量模块T，用于显示实测和读取的波形信号以及通过所述特征分析与测试模块分析后的变换波形与AFCI的测试结果，同时能够实现波形相关参数的读取和运算。

本发明将故障信号的采集、特征分析与性能测试相结合，使低压电弧故障信号易于采集且故障特征分析可视化，便于研究人员直观地采用多种分析方法进行特征提取与比较，同时提供实测与仿真故障数据的存储、编辑和输出，解决验证困难和需要专用实验设备的问题。本发明有利于自动生成各种负载特性的电弧故障并对故障特征进行可测性分析以及对AFCI断路器进行测试。

自动生弧模块可连接不同负载并产生相应的电弧故障，自动生弧模块输出的电弧电压和电流信号输入给采样模块S实现对电弧故障信号的调理和采集，采集的信号通过用于对实测信号进行转换与测量的测量模块T输入给特征分析与测试模块。特征分析与测试模块实现对采集信号的可视化特征变换与分析，同时可对采集信号进行波形编辑和数模转换，实现AFCI产品测试并将测试结果显示出来。自动生弧模块改变以往手动调整电极距离导致低压电弧故障信号难以采集且无法持续燃弧的缺点，可实现对目前常见的家用负载和部分工业负载电弧故障信号的采集。特征分析与测试模块实现对自动采集的各类负载特性下电弧故障的可视化分析，并解决了AFCI产品测试的难题，为AFCI产品开发提供了可测性分析平台，缩短产品研发的周期。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：包括一自动生弧模块、一采样模块、一测量模块和一特征分析与测试模块；

所述自动生弧模块用于连接负载，并产生相应的电弧故障；

2.根据权利要求1所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：所述自动生弧模块包括一控制模块、一电机微调模块、一标准起弧装置和一负载及电源接口，所述控制模块连接所述采样模块和所述电机微调模块，所述电机微调模块连接所述标准起弧装置，所述标准起弧装置连接所述负载及电源接口和所述采样模块。

3.根据权利要求2所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：所述标准起弧装置按UL1699标准由两个电极构成。

4.根据权利要求2所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：所述电机微调模块采用伺服电机实现电极位置的控制。

5.根据权利要求1所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：还包括一管理模块，所述管理模块与所述测量模块连接，用于设置采集、显示及存储的参数。

6.根据权利要求1所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：所述特征分析与测试模块包括一特征分析模块、一电弧故障信号发生模块和一AFCI测试模块，所述特征分析模块用于接收所述电弧故障信号并进行图像处理和算法的可视化分析，实现故障特征的分析与提取；所述电弧故障信号发生模块用于对实测的或已存储的电弧故障波形信号进行编辑并完成波形数据的数模转换；所述AFCI测试模块包括输出电路和反馈电路，用于将数模转换后的模拟信号通过硬件电路输出规定频率的模拟故障测试波形，并接收测试样机反馈的动作信号。

7.根据权利要求6所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：所述特征分析模块支持XLS、TDMS和LVM格式的波形数据，能够方便地读取MATLAB仿真数据。

8.根据权利要求6所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：所述特征分析模块采用数据库设计方式，内含软件自带的傅立叶算法、常用小波算法和形态小波算法。

9.根据权利要求6所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：还包括一参考电压设置模块连接所述电弧故障信号发生模块，用于选择输出电压幅值。

10.根据权利要求6所述的低压电弧故障测试与分析系统，其特征在于：还包括一显示模块连接所述测量模块。