CN104764966A - 用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，该装置包括如下部分：功率输入模块20、故障电弧模拟发生模块22、电气特征采集和分析模块23、负载接口24。本发明的有益效果是，该装置可满足多种工作环境下模拟交流电弧故障仿真试验或产品性能测试的需要，适用范围广，操作简便，测试成本低。

Description

用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置

技术领域

本发明涉及配电线路末端的低压保护领域，特别是一种用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置。

背景技术

随着电气设备的大量普及和设备绝缘的日益老化，电弧故障诱发的安全事故呈上升趋势。有危害性的电弧故障是高阻抗故障的一种，由此产生的故障电流幅值通常比系统中故障点的额定电流值还要低，导致传统的继电保护电器(MCB、RCD)不能够检测到故障并及时作出反应。检测的失败会导致潜在的人体危害和火灾隐患。

故障电弧的非线性特征阻抗会引起电气输配电网络周期性波形的失真。因此大部分检测方法的目的是要识别电压和电流中与电弧故障有关的特征。检测技术中一般包括这两个基本步骤：特征提取和模式识别。

现有专利中用于电弧故障检测的试验装置存在的问题或缺点：

1.现有技术设计的装置，其电源局限于50Hz的电网电压，接入的负载多为单一的阻性负载或某类常见的家用电器，应用领域有限。

2.现有技术设计的装置，多是模拟了工况下可能出现的多种故障电弧中的某一种，有局限性，据此开发的产品在面对不同故障情况的时候很难能够可靠动作。

3.现有技术设计的装置无法满足最新的国内外相关标准的规则要求，其在操作安全性和设计规范性上有欠缺。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，如图1所示，该装置包括如下部分：

功率输入模块20：直接与电网或者各类供电电源电气连接，向装置内引入某一频率的单相或三相交流电；

电弧故障保护电器测试接口21：与功率输入模块电气连接，作为对产品进行性能测试的预留接口；

故障电弧模拟发生模块22：与电弧故障保护电器测试接口电气连接，设计了四种引发故障电弧的试验组件；

电气特征采集和分析模块23：与故障电弧模拟发生模块电气连接，采集主回路中的电流信号和负载两端的电压信号，将采集到的电气信号本地存储或直接发送至上位机分析处理；

负载接口24：与电气特征采集和分析模块电气连接，用以接入需测试其故障电弧特性的负载。

所述功率输入模块20也可通过静止变频器与电网电气连接，并通过静止变频器将电网的工频电压转换成中频电压引入装置回路。

所述电弧故障保护电器测试接口21作为对产品进行性能测试的预留接口在仿真试验的过程中可用小型断路器替代。

所述故障电弧模拟发生模块22是由串联点接触拉弧试验部分、带松散接线端的振动试验部分、并联碳化路径试验部分和铡刀切割绝缘层的截断试验部分四个组件共同构成的。

如图2所示，所述串联点接触拉弧试验部分是由传动丝杠与支撑光杠3、驱动传动丝杠与支撑光杠动作的步进电机及其联轴器4、驱动步进电机工作的步进电机驱动器5、控制步进电机驱动器工作的步进电机控制器6以及安装在传动丝杠与支撑光杠上的固定绝缘块与石墨电极1和滑动绝缘块与铜电极2共同组成的。

如图3所示，所述带松散接线端的振动试验部分是由能提供带反馈调节的正弦振荡并设有绝缘平面的振动台7、固定在振动台上的柱头螺栓及其自锁螺母9以及位于振荡台两侧用于固定搭接线的绝缘夹具8共同构成的。

如图4所示，所述铡刀切割绝缘层的截断试验部分是由铡刀绝缘底座10、通过转轴与铡刀绝缘底座相连，可绕转轴自由转动并且安装了防止切割时火星四溅的有机玻璃罩的杠杆臂11、安装在铡刀绝缘底座上用于限制杠杆臂转动角度的定位槽14、安装在杠杆臂上可调节切割角度的金属刀片13以及固定在铡刀绝缘底座上的导线夹具12共同组成的。

如图5所示，所述并联碳化路径试验部分是由带有投切开关的调压器15、带有投切开关的限流电阻16、碳化通道电缆试品18、试验负载的投切开关19以及带有投切开关的碳化通道指示灯17依次电气连接所形成的闭合回路。

所述负载接口24可接入纯阻性负载、阻感负载、阻容负载及各种实物负载。

所述功率输入模块20的将电网的工频电压转换成中频电压引入装置回路的静止变频器的型号可为RJF60-11002型，单相最大容量2KVA。

如图6所示，所述电气特征采集和分析模块23的型号可为Fluke1760。电压互感器夹持在负载两端，钳形电流互感器箍在主回路进线处。

在本技术方案中，功率输入模块有直接引入的电网电压或经静止变频器变换的中频交流电两种输入方式，可满足不同领域不同产品的检测试验需求；负载接口接入的负载可分为：纯阻性负载、阻感负载和阻容负载，其中阻感和阻容两类负载可通过调节可变电阻的阻值在较大的范围内改变其功率因数，通过这三类负载的排列组合能够模拟出多种典型的负载特性，某些难以模拟的特殊负载通过直接接入实物的方式来解决；针对串联和并联两类电弧故障分别设计了四种故障电弧模拟发生试验：串联点接触拉弧试验、带松散接线端的振动试验、并联碳化路径试验和铡刀切割绝缘层的截断试验。

利用本发明的技术方案制作的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，是参照国内外最新的相关民用标准和航空标准而设计的，针对依据相同标准制造的产品，能够满足执行相应的性能测试试验程序的要求；为满足不同领域不同产品的检测试验需求，功率输入模块有直接引入的电网电压或经静止变频器变换的中频交流电两种输入方式；负载接口接入的负载可分为：纯阻性负载、阻感负载和阻容负载，通过这三类负载的排列组合能够模拟出多种典型的负载特性，某些难以模拟的特殊负载通过直接接入实物的方式来解决；针对串联和并联两类电弧故障分别设计了四种故障电弧模拟发生试验，基本涵盖了实际工作环境下可能出现的电弧故障类型，有助于全面的剖析故障电弧的产生机理和其电气特征；本装置为四种相互独立的产弧试验提供了一个系统化的解决方案，在提高操作效率的同时降低了测试成本。

附图说明

图1是本发明所述用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置的模块连接结构示意图；

图2是本发明所述串联点接触拉弧试验部分的结构示意图；

图3是本发明所述带松散接线端的振动试验部分的结构示意图；

图4是本发明所述铡刀切割绝缘层的截断试验部分的结构示意图；

图5是本发明所述并联碳化路径试验部分的结构示意图；

图6是本发明所述电气特征采集和分析模块23的单相测量电路图。

图中，1、固定绝缘块与石墨电极；2、滑动绝缘块与铜电极；3、传动丝杠与支撑光杠；4、步进电机及其联轴器；5、步进电机驱动器；6、步进电机控制器；7、振动台；8、绝缘夹具；9、柱头螺栓及其自锁螺母；10、铡刀绝缘底座；11、杠杆臂；12、导线夹具；13、金属刀片；14、带有转轴的定位槽；15、带有投切开关的调压器；16、带有投切开关的阻流电阻；17、带有投切开关的碳化通道指示灯；18、碳化通道电缆试品；19、试验负载的投切开关；20、功率输入模块；21、电弧故障保护电器测试接口；22、故障电弧模拟发生模块；23、电气特征采集和分析模块；24、负载接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行具体描述：

实施例1

9.12kPa的绝对压力环境条件下针对F1类机载设备的高程测试

采用本发明所述装置在该种工作环境下模拟交流电弧故障的试验操作步骤：图1中的功率输入模块20为RJF60-11002型静止变频器，将电网的50Hz交流电转换成400Hz引入装置回路；电弧故障保护电器测试接口21用小型断路器替代；故障电弧模拟发生模块22选用串联点接触拉弧试验组件，并将其置于MPC-2000A型环筛箱内；电气特征采集和分析模块23采用Fluke1760，接法如图6所示；负载接口24接入待测的F1类机载设备；试验中在环境温度下将环境压力调节至55000ft的高程，在2个小时内通过操作图2中的步进电机控制器6控制步进电机将两个电极分开至能在它们之间产生稳定燃弧的距离，观测试验现象并记录实验数据。

实施例2

+55度操作高温和-20度操作低温环境条件下下针对F1类机载设备的温度测试

采用本发明所述装置在该种工作环境下模拟交流电弧故障的试验操作步骤：图1中的功率输入模块20为RJF60-11002型静止变频器，将电网的50Hz交流电转换成400Hz引入装置回路；电弧故障保护电器测试接口21用小型断路器替代；故障电弧模拟发生模块22选用并联碳化路径试验组件，并将其置于MPC-2000A型环筛箱内；电气特征采集和分析模块23采用Fluke1760，接法如图6所示；负载接口24接入待测的F1类机载设备；试验中在环境温度下将空气温度调整至+55度操作高温和-20度操作低温并维持，在2个小时内通过操作图5中的带有投切开关的调压器15将至少2kV的电压施加在碳化通道电缆试品18的两端，电路通电至带有投切开关的碳化通道指示灯17点亮，然后操作带有投切开关的限流电阻16以及试验负载的投切开关19接入待测的F1类机载设备，其中限流电阻用于限制碳化通道形成后的短路电流值以避免小型断路器动作，观测试验现象并记录实验数据。

实施例3

动力设备区域或飞行振动等工作条件下模拟接线松动的振动试验

采用本发明所述装置在该种工作环境下模拟交流电弧故障的试验操作步骤：图1中的功率输入模块20直接与电网电气连接；电弧故障保护电器测试接口21用小型断路器替代；故障电弧模拟发生模块22选用带松散接线端的振动试验组件；电气特征采集和分析模块23采用Fluke1760，接法如图6所示；负载接口24接入大功率纯阻性电阻负载；试验中通过设定图3中的振动台7的振动的频率和振幅，控制柱头螺栓及其自锁螺母9随振动台7的绝缘平面做往复的正弦振荡，柱头螺栓及其自锁螺母9的接线端必须保持振动自由，并与螺栓和螺母保持断断续续的接触，不要做任何进一步的收紧，观测试验现象并记录实验数据。

实施例4

西门子QAF型AFCI(电弧故障分断器)在机械应力导致线束绝缘层破损的工作条件下的性能测试试验

采用本发明所述装置在该种工作环境下模拟交流电弧故障的试验操作步骤：图1中的功率输入模块20直接与电网电气连接；电弧故障保护电器测试接口21接入西门子QAF型AFCI；故障电弧模拟发生模块22选用铡刀切割绝缘层的截断试验组件；电气特征采集和分析模块23采用Fluke1760，接法如图6所示；负载接口24接入大功率纯阻性电阻负载；试验中将慢稳态力施加到图4中的杠杆臂11上，使金属刀片13切进导线的绝缘，金属刀片13应与一个导体可靠接触，与另一个导体点接触，且不应切到导体上，观测试验现象并记录实验数据。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，该装置包括如下部分：

功率输入模块(20)：直接与电网或者各类供电电源电气连接，向装置内引入某一频率的单相或三相交流电；

电弧故障保护电器测试接口(21)：与功率输入模块电气连接，作为对产品进行性能测试的预留接口；

故障电弧模拟发生模块(22)：与电弧故障保护电器测试接口电气连接，设计了四种引发故障电弧的试验组件；

电气特征采集和分析模块(23)：与故障电弧模拟发生模块电气连接，采集主回路中的电流信号和负载两端的电压信号，将采集到的电气信号本地存储或直接发送至上位机分析处理；

负载接口(24)：与电气特征采集和分析模块电气连接，用以接入需测试其故障电弧特性的负载。

2.根据权利要求1所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述功率输入模块(20)也可通过静止变频器与电网电气连接，并通过静止变频器将电网的工频电压转换成中频电压引入装置回路。

3.根据权利要求1所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述电弧故障保护电器测试接口(21)作为对产品进行性能测试的预留接口在仿真试验的过程中可用小型断路器替代。

4.根据权利要求1所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述故障电弧模拟发生模块(22)是由串联点接触拉弧试验部分、带松散接线端的振动试验部分、并联碳化路径试验部分和铡刀切割绝缘层的截断试验部分四个组件共同构成的。

5.根据权利要求4所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述串联点接触拉弧试验部分是由传动丝杠与支撑光杠(3)、驱动传动丝杠与支撑光杠动作的步进电机及其联轴器(4)、驱动步进电机工作的步进电机驱动器(5)、控制步进电机驱动器工作的步进电机控制器(6)以及安装在传动丝杠与支撑光杠上的固定绝缘块与石墨电极(1)和滑动绝缘块与铜电极(2)共同组成的。

6.根据权利要求4所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述带松散接线端的振动试验部分是由能提供带反馈调节的正弦振荡并设有绝缘平面的振动台(7)、固定在振动台上的柱头螺栓及其自锁螺母(9)以及位于振荡台两侧用于固定搭接线的绝缘夹具(8)共同构成的。

7.根据权利要求4所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述并联碳化路径试验部分是由带有投切开关的调压器(15)、带有投切开关的限流电阻(16)、碳化通道电缆试品(18)、试验负载的投切开关(19)以及带有投切开关的碳化通道指示灯(17)依次电气连接所形成的闭合回路。

8.根据权利要求4所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述铡刀切割绝缘层的截断试验部分是由铡刀绝缘底座(10)、通过转轴与铡刀绝缘底座相连，可绕转轴自由转动并且安装了防止切割时火星四溅的有机玻璃罩的杠杆臂(11)、安装在铡刀绝缘底座上用于限制杠杆臂转动角度的定位槽(14)、安装在杠杆臂上可调节切割角度的金属刀片(13)以及固定在铡刀绝缘底座上的导线夹具(12)共同组成的。

9.根据权利要求1所述的用于模拟交流电弧故障的试验仿真装置，其特征在于，所述负载接口(24)可接入纯阻性负载、阻感负载、阻容负载及各种实物负载。