CN104198862A - 交流故障电弧模拟实验装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流故障电弧模拟实验装置及其控制方法，是由计算机监测控制平台通过总线连接串并联碳化路径故障电弧实验设备、并联金属性接触故障电弧实验设备、串联点接触故障电弧实验设备、抑制性负载故障电弧实验设备构成的。发明为了解决现有技术中实验装置安全性能低且应用时不能完整的实现对交流故障电弧模拟实验的技术问题，提供了一种自动化程度高，安全性能好的实验装置及其控制方法。

Description

交流故障电弧模拟实验装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种实验装置及其控制方法，尤其是一种交流故障电弧模拟实验装置及其控制方法。

背景技术

目前，针对故障电弧的形成条件，燃弧时的前期特征，环境的影响因素等方面的研究都需要一些实验设备来模拟产生电弧。在实验室中需要应用这些设备来实现：对串联碳化路径条件下故障电弧的研究，对并联碳化路径条件下故障电弧的研究，对并联金属性接触条件下的故障电弧的研究和对抑制性负载条件下的故障电弧的研究。并且还需要通过这些设备获取故障电弧的实验数据，找出故障电弧引发火灾的规律，为防控故障电弧提供科学依据。但是现有的设备不具备完整的故障电弧试验功能而且自动化程度不高，安全性也不高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种交流故障电弧模拟实验装置及其控制方法，该装置采用计算机监测控制平台通过总线与串并联碳化路径故障电弧实验设备，并联金属性接触故障电弧实验设备，串联点接触故障电弧实验设备，抑制性负载故障电弧实验设备相结合的硬件结构，提供了一种自动化程度高，安全性能好的实验装置及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：交流故障电弧模拟实验装置，其特征在于交流故障电弧模拟实验装置，其特征在于：计算机监测控制平台通过总线连接有串并联碳化路径故障电弧实验设备、并联金属性接触故障电弧实验设备、串联点接触故障电弧实验设备、抑制性负载故障电弧实验设备；

所述的串并联碳化路径故障电弧实验设备包括有两根平行放置在实验平台上的实验导线，每根实验导线的一端连接负载                                               ，另一端并联有7000V高压单元和220V低压单元，智能控制模块连接控制7000V高压单元与220V低压单元，波形记录仪与实验平台上的实验导线连接；

所述的并联金属性接触故障电弧实验设备包括有两根平行放置在实验平台上的实验导线，每根实验导线的一端连接负载，另一端连接电源及继电保护设备，智能控制模块连接控制电源及继电保护设备、监测摄像仪与步进电机驱动器，步进电机驱动器的另一端依次连接有步进电机、滚动导轨智能组合单元，滚动导轨智能组合单元的另一端与切刀相连接，波形记录仪连接在切刀与负载之间的实验导线上；

所述的串联点接触故障电弧实验设备包括底座，静止电极通过绝缘夹具固定在底座上，滚动导轨下表面固定在底座上，上表面通过绝缘夹具固定有活动电极，活动电极的一端与静止电极相对，另一端连接负载，步进电机连接在滚动导轨上；

所述的抑制性负载故障电弧实验设备包括并联在串联点接触故障电弧实验设备试验线路上的接触器与负载，每一个接触器和一个负载为一组，每一组接触器与负载为串联连接。

所述的7000V高压单元由接触器KM2、接触器KM5、变压器T1以及高压放电保护装置组成；所述的220V低压单元由接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3、接触器KM6、断路器QF1、指示灯LD1、指示灯LD2、指示灯LD3、指示灯LD4以及开关电源PW1组成；

在所述的实验平台上设置有罩在实验导线外的有机玻璃罩，有机玻璃罩上装有限位开关。

所述的智能控制模块与智能控制模块为SD100-1608控制模块。

所述的接触器与负载为五组，其中三组并联安装在串联点接触故障电弧实验设备与220V电源之间，两组并联在串联点接触故障电弧实验设备电流输出端。

当串并联碳化路径故障电弧实验设备设置为串联故障电弧试验模式时，通过控制吸合接触器KM5及KM2，变压器T1的次级绕组输出的7000V高压直接加载至实验导线的虚接部位，产生的高压放电使其周围的绝缘碳化，当高压加载时间大于设定时间后断开接触器KM5及KM2，完成实验导线的串联碳化过程，串联碳化过程结束后，通过控制吸合接触器KM4和KM6，使其输入220V交流电压通过碳化通道施加到负载，产生串联故障电弧完成串联故障电弧试验； 

当串并联碳化路径故障电弧实验设备设置为并联故障电弧试验模式时，通过控制吸合接触器KM2，变压器T1的次级绕组输出的7000V高压直接加载至实验导线的绝缘破损部位，产生的高压放电使其周围的绝缘碳化，当高压加载时间大于设定时间后断开接触器KM2，完成实验导线的并联碳化过程，并联碳化过程结束后，通过控制吸合接触器KM3和KM6，输入AC220V电压通过限流电阻R1施加到碳化通道和负载的两端，产生并联故障电弧完成并联故障电弧试验；

当利用并联金属性接触故障电弧实验设备进行并联金属性接触故障电弧实验时，首先在两根并列在一起的实验导线的两端分别连接负载和电源及继电保护设备，然后将切刀安装于滚动导轨智能组合单元的滑块上，滚动导轨智能组合单元将步进电机旋转的角度位移转换成直线位移，通过步进电机驱动器控制步进电机的步进角控制切刀切割导线，调整切割角度和切割速度使切刀与第一根实验导线产生实际接触，同时与第二根实验导线产生点接触，产生并联金属性接触故障电弧。

当利用串联点接触故障电弧实验设备进行串联点接触故障电弧实验时，启动步进电机，带动滚动导轨，使活动电极下端的绝缘夹可以在滚动导轨上左右移动，从而带动活动电极，活动电极的一端与静止电极相对，另一端连接负载，通过控制步进电机的步进角产生串联点接触故障电弧；

还可以在串联点接触故障电弧实验设备的试验线路上安装五组接触器与负载，每一组由一个接触器与一个负载串联连接组成，其中三组并联安装在串联点接触故障电弧实验设备与220V电源之间，两组并联在串联点接触故障电弧实验设备电流输出端，通过控制接触器的通断，改变接入试验线路的负载数量，从而实现针对不同负载的实验项目，完成抑制性负载故障电弧实验。

本发明的有益效果在于：本发明采用计算机监测控制平台与串并联碳化路径故障电弧实验设备、并联金属性接触故障电弧实验设备、串联点接触故障电弧实验设备、抑制性负载故障电弧实验设备相结合的结构，提高了实验装置的安全性能的同时提高了实验方法的自动化程度，能够完整的完成交流故障电弧所有需要模拟的实验。

附图说明

图1：为本发明的系统图。

图2：为图1中串并联碳化路径故障电弧实验设备框图。

图3：为图2的主回路电气原理图。

图4：为图2的控制回路电气原理图。

图5：为实验平台实体图。

图6：为图1中并联金属性接触故障电弧实验设备框图。

图7：为图6的主回路电气原理图。

图8：为图6的控制回路电气原理图。

图9：为图1中串联点接触故障电弧实验设备示意图。

图10：为图9的主回路电器原理图。

图11；为图1中抑制性负载故障电弧实验设备电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作详细描述。

交流故障电弧模拟实验装置，包括计算机监测控制平台1通过总线连接有串并联碳化路径故障电弧实验设备2、并联金属性接触故障电弧实验设备3、串联点接触故障电弧实验设备4、抑制性负载故障电弧实验设备5。

如图2所示的串并联碳化路径故障电弧实验设备2包括有两根平行放置在实验平台6上的实验导线7，每根实验导线7的一端连接负载8，另一端并联有7000V高压单元9和220V低压单元10，智能控制模块11连接控制7000V高压单元9与220V低压单元10，波形记录仪12与实验平台6上的实验导线7连接。如图3所示，7000V高压单元9由接触器KM2、接触器KM5、变压器T1以及高压放电保护装置26组成，220V低压单元10由接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3、接触器KM6、断路器QF1、指示灯LD1、指示灯LD2、指示灯LD3、指示灯LD4以及开关电源PW1组成。当设备设置为串联故障电弧试验模式时，通过控制吸合接触器KM5及KM2，变压器T1的次级绕组输出的7000v高压直接加载至实验导线7的虚接部位，产生的高压放电使其周围的绝缘碳化，当高压加载时间大于设定时间后断开接触器KM5及KM2，完成实验导线7的串联碳化过程，串联碳化过程结束后，通过控制吸合接触器KM4和KM6，使其输入220V交流电压通过碳化通道施加到负载，产生串联故障电弧完成串联故障电弧试验。当设备设置为并联故障电弧试验模式时，通过控制吸合接触器KM2，变压器T1的次级绕组输出的7000V高压直接加载至实验导线7的绝缘破损部位，产生的高压放电使其周围的绝缘碳化，当高压加载时间大于设定时间后断开接触器KM2，表示完成一次实验导线7的并联碳化过程，并联碳化过程结束后通过控制吸合接触器KM3和KM6，输入AC220V电压通过限流电阻R1施加到碳化通道和负载8的两端，产生并联故障电弧完成并联故障电弧试验。

通过波形记录仪12观察和记录整个实验过程中的负载电压及电流数据波形，完成整个试验过程。

如图3所示，在串并联碳化路径故障电弧实验设备2中的7000V高压单元9中设置有高压放电保护装置26，当实验导线7放电间隙不满足试验条件时高压将通过高压放电保护装置26提供闭合电流路径，防止高压通过其他通道放电，确保设备和操作的安全。

如图4所示，在串并联碳化路径故障电弧实验设备2中，为确保控制的可靠性，在串并联碳化路径故障电弧实验设备2的智能控制模块11中采用SD100-1608智能控制模块，通过继电器KA1，KA2，KA3组成的电气互锁，确保在进行串/并联故障电弧试验时设备只能工作在一种控制过程，控制逻辑错误时也不会出现安全方面的故障。

如图6-8所示的并联金属性接触故障电弧实验设备3，其中图8中的SD100-1608模块为图6中所述的智能控制模块32。并联金属性接触故障电弧实验设备3包括有两根平行放置在实验平台6上的实验导线7，每根实验导线7的一端连接负载28，另一端连接电源及继电保护设备13，智能控制模块32连接控制电源及继电保护设备13、监测摄像仪27与步进电机驱动器15，步进电机驱动器15的另一端依次连接有步进电机16、滚动导轨智能组合单元17，滚动导轨智能组合单元17的另一端连接切刀14，波形记录仪31连接在切刀14与负载28之间的实验导线7上。该设备主要模拟电气线路发生金属接地性短路故障以及金属性短路性故障产生电弧，从而实现对并联故障电弧的电气特性进行研究。首先在两根并列在一起的实验导线7两端分别连接负载28和电源及继电保护设备13，然后用一片铁质切刀14切割实验导线7，通过调整切割角度和切割速度使切刀14与第一根导线产生实际接触，同时与第二根导线产生点接触。波形记录仪31记录产生电弧时的电流电压数据波形。工作时，选用一台步矩角为1.8°静转矩为23kg.cm步进电机16作为实验设备主要动力源，步进电机16装配到滚动导轨智能组合单元17，滚动导轨智能组合单元17可以将步进电机旋转的角度位移转换成直线位移。切刀14安装于滚动导轨智能组合单元17上，通过控制步进电机16的步进角就可以完成控制切刀14切割实验导线7。

在进行并联金属性故障电弧试验时主回路中可能出现大的短路电流，在如图7的主回路中设置有限流电阻R1确保设备的运行安全。

如图9-10所示的串联点接触故障电弧实验设备4包括底座19，静止电极20通过绝缘夹具21固定在底座19上，滚动导轨23下表面固定在底座19上，上表面通过绝缘夹具21固定有活动电极22，活动电极22的一端与静止电极20相对，另一端连接负载30，步进电机16连接在滚动导轨23上。所述的静止电极20为一根可更换的直径为8mm的石墨棒，所述的活动电极22为一根铜棒。利用串联点接触故障电弧实验设备4进行串联点接触故障电弧实验时，启动步进电机16，带动滚动导轨23，使活动电极22下端的绝缘夹21可以在滚动导轨23上左右移动，从而带动活动电极22，活动电极22的一端与静止电极20相对，另一端连接负载30，通过控制步进电机的步进角产生串联点接触故障电弧。

如图11所示的抑制性负载故障电弧实验设备5包括在串联点接触故障电弧实验设备4的试验线路上并联安装的五组接触器25与负载29，每一组由一个接触器25与一个负载29串联连接组成，其中三组并联安装在串联点接触故障电弧实验设备4与220V电源之间，两组并联在串联点接触故障电弧实验设备4电流输出端，通过控制接触器25的通断，改变接入试验线路的负载数量，从而实现针对不同负载的实验项目，完成抑制性负载故障电弧实验。实验时可以在电源入口与串联点接触故障电弧实验设备4之间串联设置有故障电弧断路器24，所述的五组接触器25与一个负载29其中一组并联安装在故障电弧断路器24与220V电源入口处之间，两组并联在故障电弧断路器24与串联点接触故障电弧实验设备4之间，另外两组并联在串联点接触故障电弧实验设备4电流输出端。在操作时，设备的控制主要是根据上位机给出的不同负载测试项目以及要求分别控制五个接触器25完成的。五个负载29可以根据实际的实验进行选择性接入或更替。抑制性负载故障电弧实验设备5通过上述的结构实现两方面的功能，一方面为：实现对抑制性负载故障电弧实验，实现对常规负载在正常启动或运行时电气特性实验也可以作为故障电弧保护装置的误动作验证。

如图5所示的实验平台6上设置有罩在实验导线7外的有机玻璃罩18，有机玻璃罩18上装有限位开关27。有机玻璃罩18将产生故障电弧的实验导线7与外界隔离，有机玻璃罩18可以方便开启便于更换实验导线7，限位开关27确保在进行更换实验导线7操作时断开设备的输入电压。

Claims (9)

1.交流故障电弧模拟实验装置，其特征在于：计算机监测控制平台（1）通过总线连接有串并联碳化路径故障电弧实验设备（2）、并联金属性接触故障电弧实验设备（3）、串联点接触故障电弧实验设备（4）、抑制性负载故障电弧实验设备（5）；

所述的串并联碳化路径故障电弧实验设备（2）包括有两根平行放置在实验平台（6）上的实验导线（7），每根实验导线（7）的一端连接负载                                                （8），另一端并联有7000V高压单元（9）和220V低压单元（10），智能控制模块（11）连接控制7000V高压单元（9）与220V低压单元（10），波形记录仪（12）与实验平台（6）上的实验导线（7）连接；

所述的并联金属性接触故障电弧实验设备（3）包括有两根平行放置在实验平台（6）上的实验导线（7），每根实验导线（7）的一端连接负载（28），另一端连接电源及继电保护设备（13），智能控制模块（32）连接控制电源及继电保护设备（13）、监测摄像仪（27）与步进电机驱动器（15），步进电机驱动器（15）的另一端依次连接有步进电机（16）、滚动导轨智能组合单元（17），滚动导轨智能组合单元（17）的另一端与切刀（14）相连接，波形记录仪（31）连接在切刀（14）与负载（28）之间的实验导线（7）上；

所述的串联点接触故障电弧实验设备（4）包括底座（19），静止电极（20）通过绝缘夹具（21）固定在底座（19）上，滚动导轨（23）下表面固定在底座(19)上，上表面通过绝缘夹具（21）固定有活动电极（22），活动电极（22）的一端与静止电极（20）相对，另一端连接负载（30），步进电机（16）连接在滚动导轨（23）上；

所述的抑制性负载故障电弧实验设备（5）包括并联在串联点接触故障电弧实验设备（4）试验线路上的接触器（25）与负载（29），每一个接触器（25）和一个负载（29）为一组，每一组接触器（25）与负载（29）为串联连接。

2.根据权利要求1所述的交流故障电弧模拟实验装置，其特征在于：所述的7000V高压单元（9）由接触器KM2、接触器KM5、变压器T1以及高压放电保护装置（26）组成；所述的220V低压单元（10）由接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3、接触器KM6、断路器QF1、指示灯LD1、指示灯LD2、指示灯LD3、指示灯LD4以及开关电源PW1组成。

3.根据权利要求1所述的交流故障电弧模拟实验装置，其特征在于：在所述的实验平台（6）上设置有罩在实验导线（7）外的有机玻璃罩（18），有机玻璃罩（18）上装有限位开关（27）。

4.根据权利要求1所述的交流故障电弧模拟实验装置，其特征在于：所述的智能控制模块（11）与智能控制模块（32）为SD100-1608控制模块。

5.根据权利要求1所述的交流故障电弧模拟实验装置，其特征在于：所述的接触器（25）与负载（29）为五组，其中三组并联安装在串联点接触故障电弧实验设备（4）与220V电源之间，两组并联在串联点接触故障电弧实验设备（4）的电流输出端。

6.一种交流故障电弧模拟实验装置的控制方法，其特征在于：当串并联碳化路径故障电弧实验设备（2）设置为串联故障电弧试验模式时，通过控制吸合接触器KM5及KM2，变压器T1的次级绕组输出的7000V高压直接加载至实验导线（7）的虚接部位，产生的高压放电使其周围的绝缘碳化，当高压加载时间大于设定时间后断开接触器KM5及KM2，完成实验导线（7）的串联碳化过程，串联碳化过程结束后，通过控制吸合接触器KM4和KM6，使其输入220V交流电压通过碳化通道施加到负载（8），产生串联故障电弧完成串联故障电弧试验； 

当串并联碳化路径故障电弧实验设备（2）设置为并联故障电弧试验模式时，通过控制吸合接触器KM2，变压器T1的次级绕组输出的7000V高压直接加载至实验导线（7）的绝缘破损部位，产生的高压放电使其周围的绝缘碳化，当高压加载时间大于设定时间后断开接触器KM2，完成实验导线（7）的并联碳化过程，并联碳化过程结束后，通过控制吸合接触器KM3和KM6，输入AC220V电压通过限流电阻R1施加到碳化通道和负载（8）的两端，产生并联故障电弧完成并联故障电弧试验。

7.根据权利要求6所述的一种交流故障电弧模拟实验装置的控制方法，其特征在于：

当利用并联金属性接触故障电弧实验设备（3）进行并联金属性接触故障电弧实验时，首先在两根并列在一起的实验导线（7）的两端分别连接负载（28）和电源及继电保护设备（13），然后将切刀（14）安装于滚动导轨智能组合单元（17）的滑块上，滚动导轨智能组合单元（17）将步进电机（16）旋转的角度位移转换成直线位移，通过步进电机驱动器（15）控制步进电机（16）的步进角控制切刀（14）切割导线，调整切割角度和切割速度使切刀（14）与第一根实验导线（7）产生实际接触，同时与第二根实验导线（7）产生点接触，产生并联金属性接触故障电弧。

8.根据权利要求6所述的一种交流故障电弧模拟实验装置的控制方法，其特征在于：

当利用串联点接触故障电弧实验设备（4）进行串联点接触故障电弧实验时，启动步进电机（16），带动滚动导轨（23），使活动电极(22)下端的绝缘夹（21）可以在滚动导轨（23）上左右移动，从而带动活动电极（22），活动电极（22）的一端与静止电极（20）相对，另一端连接负载（30），通过控制步进电机的步进角产生串联点接触故障电弧。

9.根据权利要求6所述的一种交流故障电弧模拟实验装置的控制方法，其特征在于：还可以在串联点接触故障电弧实验设备（4）的试验线路上安装五组接触器（25）与负载（29），每一组由一个接触器（25）与一个负载（29）串联连接组成，其中三组并联安装在串联点接触故障电弧实验设备（4）与220V电源之间，两组并联在串联点接触故障电弧实验设备（4）电流输出端，通过控制接触器（25）的通断，改变接入试验线路的负载数量，从而实现针对不同负载的实验项目，完成抑制性负载故障电弧实验。