CN107765150B - 智能化电弧故障模拟系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

智能化电弧故障模拟系统及操作方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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/T 31143-2014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。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明采用以下技术方案：

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，当钢制刀片位移达到限值时，强制停止钢制刀片的移动。

进一步地，所述碳化装置控制与检测模块对高压碳化过程进行控制并检测碳化效果；所述点接触装置控制与检测模块控制尖端电极的移动方向和速度，并提供最大位移限制保护；所述切割装置控制与检测模块控制钢制刀片的移动方向和速度，并提供最大位移限制保护；所述试验电路控制及状态检测模块控制并检测试验电路的开关的工作状态；所述信号采集模块采集试验过程中线路的电压、电流信号；所述数据处理与显示模块将采集到的信号还原并进行滤波处理后传送至所述人机交互界面；所述电弧分析模块采用傅里叶分析方法和小波分析方法对采集到的电弧电压、电弧电流进行时域、频域及时频域分析，并将结果显示在人机交互界面上；所述波形数据库生成模块存储每次试验电弧波形数据；当所述试验电路中任一个开关状态发生变化，上位机平台均对此进行判断。

本发明操作方的技术方案为：一种根据本发明所述系统的智能化电弧故障模拟系统的操作方法，其特征在于，包括：利用碳化装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括高压击穿时间t ₁和碳化时间t ₂之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤A1：检测电缆试品1表面是否已经形成碳化通道：所述上位机平台控制开关S6闭合，灯泡通电10s后断开开关S6，所述碳化装置控制与检测模块通过光敏感测模块检测的灯泡亮暗情况判断是否已经形成碳化通道，若为是，则执行步骤A5；否则直接执行步骤A2；

步骤A2：所述7kV/30mA 变压器对电缆试品1进行高压击穿：上位机平台控制开关S4闭合，延时t ₁后断开；

步骤A3：所述2kV/300mA 变压器对电缆试品1进行碳化：上位机平台控制开关S5闭合，同时检测是否产生烟雾，一旦停止冒烟或t ₂时间终止后，开关S5断开；

步骤A4：返回步骤A1；

步骤A5：上位机平台根据预设的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤A6：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤A7：上位机平台控制开关S3断开，所述信号采集模块采集电弧电压、电弧电流；

步骤A8：当试验时长到达预设值时，上位机平台控制开关S1、S2断开，对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

优选地，还包括：利用点接触装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括拉弧速度和拉弧距离之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤B1：电极初始接触状态判定：上位机平台通过所述压力感测模块判断平整端电极和尖端电极是否完全接触，若是则直接执行步骤B6，否则执行步骤B2；

步骤B2：上位机平台控制开关S7闭合

步骤B3：上位机平台经数据采集卡输出转向和转速信号驱动步进电机1正向旋转，使尖端电极朝平整端电极方向移动；在此过程中，上位机平台实时读取所述隔离检测单元的输出信号，以判断两电极是否接触；

步骤B4：当两电极接触时，上位机平台降低步进电机1转速，使尖端电极减速继续平移，同时采集两电极之间压力值；

步骤B5：当两电极之间的压力超过预设值时，上位机平台控制步进电机1停止运转、同时停止采集压力值，并且控制开关S7断开；

步骤B6：上位机平台根据设置的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤B7：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤B8：上位机平台控制开关S3断开，同时控制步进电机1以预置的拉弧速度的反向旋转，使尖端电极向右移动，开始拉弧；

步骤B9：在拉弧过程中，上位机平台的信号采集模块实时采集电弧电压、电弧电流；

步骤B10：当尖端电极位移量达到预置的拉弧距离时，步进电机1停止旋转，等待试验时间终止；

步骤B11：试验时间终止时，上位机平台控制步进电机1反向旋转使尖端电极达到最大位移位置，同时停止数据采集；

步骤B12：上位机平台控制开关S1、S2断开，对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

优选地，还包括：利用切割装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括钢制刀片切割速度之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤C1：刀片初始位置检测：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初始位置，若为是，则执行步骤C3；否则直接执行步骤C2；

步骤C2：上位机平台控制步进电机2逆向旋转，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，并记录钢制刀片位移量；

步骤C3：上位机平台根据预设的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤C4：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤C5：上位机平台控制开关S3断开，控制步进电机2正向旋转，钢制刀片开始切割电缆试品，所述信号采集模块开始工作，上位机平台实时判断线路是否产生电流；

步骤C6：如上位机平台检测到电流，则控制步进电机2减速，钢制刀片运动减速，在此过程中，上位机平台实时采集线路电压、电流；

步骤C7：当线路电压有效值等于0时，上位机平台控制开关S1、S2断开，步进电机2停止运转，信号采集模块停止工作；

步骤C8：钢制刀片恢复到最高初始位置，上位机平台对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

本发明自动化程度高、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。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例整体结构的示意图；

图2是本发明实施例中试验电路示意图；

图3是本发明实施例中电弧故障模拟发生装置柜结构的示意图；

图4是本发明实施例中高压碳化模块的示意图；

图5是本发明实施例中电极状态检测模块的示意图；

图中：1-绝缘底座；2-带操作门的封闭透明罩体；3-电缆试品1；4-接线柱；5-左侧支架；6-右侧支架；7-平整端电极；8-尖端电极；9-导轨；10-移动滑板；11-步进电机1；12-压力传感器；13-绝缘臂杆；14-钢制刀片；15-绝缘耐高温底座；16-电缆试品2；17-丝杆；18-步进电机2；19-碳化检测模块；20-碳化控制模块；21-信号调理电路；22-电极状态检测模块；23-电极位移检测模块；24-左右限位保护模块；25-点接触装置驱动及保护模块；26-点接触装置控制模块；27-刀片位移检测模块；28-上下限位移保护模块；29-切割装置驱动及保护模块；30-切割装置控制模块；31-烟雾感测模块。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

本实施例包括智能化电弧故障模拟系统及对应的操作方法，其中，系统所采用的技术方案如图1所示，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；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；试验电路包括多个全控开关；试验负载柜中设置有多个试验负载，包括电阻性负载和抑制性屏蔽负载；数据采集卡通过PCIE接口与计算机连接；计算机包括上位机平台。

其中上位机平台包括：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。

如图2所示，试验电路包括3个全控开关S1、S2、S3、程控多向开关S8、S9、电压传感器和电流传感器；多个全控开关的控制端经隔离控制模块与数据采集卡的数字输出引脚连接；程控多向开关S8用于选择不同类型的电弧故障模拟装置；程控多向开关S9与数据采集卡的数字输出引脚连接；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；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。S1、S2、S3同时闭合时，交流电源us直接对负载供电，当线路连接为可调电阻负载时，可通过调节可调电阻负载控制试验电流，此时采集到的是正常电压、电流波形；S1、S2闭合，S3断开时，电路接入故障电弧，此时上位机平台采集到电弧电压、电流波形；S1、S2、S3断开，电路不通电。

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；电阻性负载包括可调电阻负载。

如图3所示，电弧故障模拟装置柜以绝缘底座1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；由于电缆试品在试验过程中，其绝缘表面燃烧后可能将产生HC1、CO、SO2等有毒气体，尤其是碳化装置，电缆试品形成碳化通道后，在试验过程中其绝缘表皮燃烧将产生的大量有毒气体，因此试验台外部设置有带操作门的封闭透明罩体2，以避免气体外泄同时便于观察电弧现象且方便更换电缆试品及电极，操作门的四周做密封处理；电弧故障模拟装置柜顶部设置有抽气设备和气体净化层，将柜内有毒气体抽送至净化设备中进行净化，以滤除有毒成分后再经由排气管道排出室外。

如图3所示，碳化装置包括：电缆试品1、接线柱4、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；电缆试品由两根紧密捆绑在一起的电缆做成，在两根电缆中间位置绝缘层切开50mm左右露出导线，并用绝缘带和玻璃纤维袋先后包裹两层，电缆试品1的接线端J1、J2通过接线盒与接线柱4连接；接线柱顶部设置有快速接线端子，底部穿过绝缘底座，与高压碳化模块和试验电路连接；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，用于对电缆试品进行预处理；碳化检测模块包括灯泡、开关S6和光敏感测模块，光敏感测模块装设在灯泡附近，配合烟雾感测模块用于判断碳化通道是否形成。碳化装置主要功能是通过高压碳化模块分高压击穿、高压碳化两个步骤对电缆试品进行碳化处理，根据碳化检测模块结果控制整个碳化过程，直至在电缆试品的绝缘表面形成碳化通道；在进行电弧故障试验过程中，已形成碳化通道的电缆试品一旦通电将会产生电弧现象。

如图3所示，点接触装置包括支架、平整端电极7、尖端电极8、导轨9、移动滑板10、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；支架包括左侧支架5和右侧支架6；平整端电极为固定电极，固定在左侧支架上；导轨固定在右侧支架上；尖端电极为可移动电极，安装在移动滑板上；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；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，并传递至点接触驱动及保护模块，以控制步进电机1的工作状态；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；隔离检测单元与数据采集卡的数字输入引脚连接；压力感测模块包括压力传感器和信号调理电路，将压力值转换为电参量，尖端电极向平整端电极移动过程中，上位机平台将持续跟踪两电极间的压力状况，据此判断平整端电极和尖端电极是否完全接触；电极位移检测模块将尖端电极的实际位移量转换为模拟电压连接至数据采集卡的模拟输入端，在尖端电极移动过程中，上位机平台通过采集该模拟电压并根据位移——电压之间的转换关系换算为实际位移，显示于人机交互界面上，据此上位机平台的点接触装置控制与监测模块将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、获取较好的燃弧效果；同时，在拉弧过程中，当实际位移达到预设值时，上位机平台将停止输出脉冲从而控制电极停止移动，实现点接触装置闭环控制；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，当尖端电极位移超过预设限值时将被强制停止移动，从而避免上位机突发故障时，电极行程超限，导致装置的机械机构受损；点接触装置的接线端J3、J4同时与电极状态检测模块、试验线路连接。

如图3所示，切割装置类似于铡刀结构，包括绝缘臂杆13、绝缘耐高温底座15、电缆试品2、钢制刀片14、丝杆17、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；绝缘臂杆内侧开设有用于固定钢制刀片的槽；钢制刀片与绝缘耐高温底座之间存在一个夹角，当钢制刀片向下移动切割电缆时，将先后切割两根电缆的绝缘表面；电缆试品2由两根紧密绑在一起的导线构成，平行固定在绝缘耐高温底座上，其接线端J5、J6与试验电路连接；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；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。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；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，当钢制刀片位移达到限值时，强制停止钢制刀片的移动。

在上位机平台中，碳化装置控制与检测模块对高压碳化过程进行控制并检测碳化效果；点接触装置控制与检测模块控制尖端电极的移动方向和速度，并提供最大位移限制保护；切割装置控制与检测模块控制钢制刀片的移动方向和速度，并提供最大位移限制保护；试验电路控制及状态检测模块控制并检测试验电路的开关的工作状态；信号采集模块采集试验过程中线路的电压、电流信号；数据处理与显示模块将采集到的信号还原并进行滤波处理后传送至人机交互界面；电弧分析模块采用傅里叶分析方法和小波分析方法对采集到的电弧电压、电弧电流进行时域、频域及时频域分析，并将结果显示在人机交互界面上；波形数据库生成模块存储每次试验电弧波形数据；人机交互界面上可以选择的参数包括：电弧故障模拟装置类型、负载、试验类型（单次或连续），以及试验电流、电源电压和频率、数据采集卡的参数等。在试验过程中，一旦试验电路任意一个开关状态发生变化，上位机平台都将对试验电路的开关状态进行检测，在确定全部开关状态正确的情况下才会执行下一步操作；每次试验结束前都会自动保存试验过程数据，并将电压、电流波形保存至波形库中，形成典型电弧波形库。

本实施例技术方案中，还包括对三种类型电弧故障模拟实验的操作方法，其中碳化装置操作方法的技术方案为：一种根据本发明系统的智能化电弧故障模拟系统的操作方法，其特征在于，包括：利用碳化装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括高压击穿时间t ₁和碳化时间t ₂之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤A1：检测电缆试品1表面是否已经形成碳化通道：上位机平台控制开关S6闭合，灯泡通电10s后断开开关S6，碳化装置控制与检测模块通过光敏感测模块检测的灯泡亮暗情况判断是否已经形成碳化通道，若为是，则执行步骤A5；否则直接执行步骤A2；

步骤A2：7kV/30mA 变压器对电缆试品1进行高压击穿：上位机平台控制开关S4闭合，延时t ₁后断开；

步骤A3：2kV/300mA 变压器对电缆试品1进行碳化：上位机平台控制开关S5闭合，同时检测是否产生烟雾，一旦停止冒烟或t ₂时间终止后，开关S5断开；

步骤A4：返回步骤A1；

步骤A5：上位机平台根据预设的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤A6：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤A7：上位机平台控制开关S3断开，信号采集模块采集电弧电压、电弧电流；

步骤A8：当试验时长到达预设值时，上位机平台控制开关S1、S2断开，对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

点接触装置操作方法的技术方案为：利用点接触装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括拉弧速度和拉弧距离之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤B1：电极初始接触状态判定：上位机平台通过压力感测模块判断平整端电极和尖端电极是否完全接触，若是则直接执行步骤B6，否则执行步骤B2；

步骤B2：上位机平台控制开关S7闭合

步骤B3：上位机平台经数据采集卡输出转向和转速信号驱动步进电机1正向旋转，使尖端电极向左运动；在此过程中，上位机平台实时读取隔离检测单元的输出信号，以判断两电极是否接触；

步骤B4：当两电极接触时，上位机平台降低步进电机1转速，使尖端电极减速继续平移，同时采集两电极之间压力值；

步骤B5：当两电极之间的压力超过预设值时，上位机平台控制步进电机1停止运转、同时停止采集压力值，并且控制开关S7断开；

步骤B6：上位机平台根据设置的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤B7：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤B8：上位机平台控制开关S3断开，同时控制步进电机1以预置的拉弧速度的反向旋转，使尖端电极向右移动，开始拉弧；

步骤B9：在拉弧过程中，上位机平台的信号采集模块实时采集电弧电压、电弧电流；

步骤B10：当尖端电极位移量达到预置的拉弧距离时，步进电机1停止旋转，等待试验时间终止；

步骤B11：试验时间终止时，上位机平台控制步进电机1反向旋转使尖端电极达到最大位移位置，同时停止数据采集；

步骤B12：上位机平台控制开关S1、S2断开，对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

切割装置操作方法的技术方案为：利用切割装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括钢制刀片切割速度之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤C1：刀片初始位置检测：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初始位置，若为是，则执行步骤C3；否则直接执行步骤C2；

步骤C2：上位机平台控制步进电机2逆向旋转，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，并记录钢制刀片位移量；

步骤C3：上位机平台根据预设的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤C4：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤C5：上位机平台控制开关S3断开，控制步进电机2正向旋转，钢制刀片开始切割电缆试品，信号采集模块开始工作，上位机平台实时判断线路是否产生电流；

步骤C6：如上位机平台检测到电流，则控制步进电机2减速，钢制刀片运动减速，在此过程中，上位机平台实时采集线路电压、电流；

步骤C7：当线路电压有效值等于0时，上位机平台控制开关S1、S2断开，步进电机2停止运转，信号采集模块停止工作；

步骤C8：钢制刀片恢复到最高初始位置，上位机平台对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的智能化电弧故障模拟系统及操作方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (8)

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;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；所述试验电路包括3个全控开关S1、S2、S3、程控多向开关S8、S9、电压传感器和电流传感器；所述全控开关S1的一侧两端连接在交流电源的两端，第一受控端的另一侧连接程控多向开关S9的一端，第二受控端的另一侧连经电压传感器连接全控开关S3的一端；所述程控多向开关S9的另一端作为多项选择端分别与试验负载柜的每一负载连接；所述全控开关S2的一端分别连接试验负载柜的每一负载的另一端，另一端经电流传感器和电压传感器连接全控开关S3的另一端；所述程控多向开关S8和电弧故障模拟装置柜串联后与全控开关S3并联；所述程控多向开关S8的一端连接全控开关S3的另一端，另一端作为多项选择端分别与电弧故障模拟装置柜的碳化装置、点接触装置和切割装置连接；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。

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。

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。

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；

所述开关S4与7kV/30mA变压器串联；所述开关S5与2kV/300mA变压器串联；所述开关S6与灯泡串联，光敏感测模块设置在灯泡旁侧；

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；

所述点接触装置的两端经开关S7分别连接隔离检测单元的两端；所述隔离检测单元的的一端经限流电阻连接辅助电源的一端，另一端直接连接辅助电源的另一端；

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，当钢制刀片位移达到限值时，强制停止钢制刀片的移动。

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：所述碳化装置控制与检测模块对高压碳化过程进行控制并检测碳化效果；所述点接触装置控制与检测模块控制尖端电极的移动方向和速度，并提供最大位移限制保护；所述切割装置控制与检测模块控制钢制刀片的移动方向和速度，并提供最大位移限制保护；所述试验电路控制及状态检测模块控制并检测试验电路的开关的工作状态；所述信号采集模块采集试验过程中线路的电压、电流信号；所述数据处理与显示模块将采集到的信号还原并进行滤波处理后传送至所述人机交互界面；所述电弧分析模块采用傅里叶分析方法和小波分析方法对采集到的电弧电压、电弧电流进行时域、频域及时频域分析，并将结果显示在人机交互界面上；所述波形数据库生成模块存储每次试验电弧波形数据；当所述试验电路中任一个开关状态发生变化，上位机平台均对此进行判断。

6.一种根据权利要求5所述系统的智能化电弧故障模拟系统的操作方法，其特征在于，包括：利用碳化装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括高压击穿时间t ₁和碳化时间t ₂之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤A1：检测电缆试品1表面是否已经形成碳化通道：所述上位机平台控制开关S6闭合，灯泡通电10s后断开开关S6，所述碳化装置控制与检测模块通过光敏感测模块检测的灯泡亮暗情况判断是否已经形成碳化通道，若为是，则执行步骤A5；否则直接执行步骤A2；

步骤A2：所述7kV/30mA 变压器对电缆试品1进行高压击穿：上位机平台控制开关S4闭合，延时t ₁后断开；

步骤A3：所述2kV/300mA 变压器对电缆试品1进行碳化：上位机平台控制开关S5闭合，同时检测是否产生烟雾，一旦停止冒烟或t ₂时间终止后，开关S5断开；

步骤A4：返回步骤A1；

步骤A5：上位机平台根据预设的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤A6：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤A7：上位机平台控制开关S3断开，所述信号采集模块采集电弧电压、电弧电流；

步骤A8：当试验时长到达预设值时，上位机平台控制开关S1、S2断开，对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

7.一种根据权利要求6所述系统的智能化电弧故障模拟系统的操作方法，其特征在于，包括：利用点接触装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括拉弧速度和拉弧距离之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤B1：电极初始接触状态判定：上位机平台通过所述压力感测模块判断平整端电极和尖端电极是否完全接触，若是则直接执行步骤B6，否则执行步骤B2；

步骤B2：上位机平台控制开关S7闭合

步骤B3：上位机平台经数据采集卡输出转向和转速信号驱动步进电机1正向旋转，使尖端电极朝平整端电极方向移动；在此过程中，上位机平台实时读取所述隔离检测单元的输出信号，以判断两电极是否接触；

步骤B4：当两电极接触时，上位机平台降低步进电机1转速，使尖端电极减速继续平移，同时采集两电极之间压力值；

步骤B5：当两电极之间的压力超过预设值时，上位机平台控制步进电机1停止运转、同时停止采集压力值，并且控制开关S7断开；

步骤B6：上位机平台根据设置的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤B7：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤B8：上位机平台控制开关S3断开，同时控制步进电机1以预置的拉弧速度的反向旋转，使两电极分离，开始拉弧；

步骤B9：在拉弧过程中，上位机平台的信号采集模块实时采集电弧电压、电弧电流；

步骤B10：当尖端电极位移量达到预置的拉弧距离时，步进电机1停止旋转，等待试验时间终止；

步骤B11：试验时间终止时，上位机平台控制步进电机1反向旋转使尖端电极达到最大位移位置，同时停止数据采集；

步骤B12：上位机平台控制开关S1、S2断开，对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

8.一种根据权利要求5所述系统的智能化电弧故障模拟系统的操作方法，其特征在于，包括：利用切割装置模拟发生电弧故障的操作方法，在设置参数，包括钢制刀片切割速度之后，开始试验操作，操作的具体步骤为：

步骤C1：刀片初始位置检测：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初始位置，若为是，则执行步骤C3；否则直接执行步骤C2；

步骤C2：上位机平台控制步进电机2逆向旋转，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，并记录钢制刀片位移量；

步骤C3：上位机平台根据预设的负载类型，控制程控多向开关S9动作，将对应的试验负载接入试验电路；

步骤C4：上位机平台控制开关S1、S2、S3闭合，试验负载与交流电源形成回路，若此时接入的是可调电阻负载，可通过调节电阻值，获得不同的试验电流；

步骤C5：上位机平台控制开关S3断开，控制步进电机2正向旋转，钢制刀片开始切割电缆试品，所述信号采集模块开始工作，上位机平台实时判断线路是否产生电流；

步骤C6：如上位机平台检测到电流，则控制步进电机2减速，钢制刀片运动减速，在此过程中，上位机平台实时采集线路电压、电流；

步骤C7：当线路电压有效值等于0时，上位机平台控制开关S1、S2断开，步进电机2停止运转，信号采集模块停止工作；

步骤C8：钢制刀片恢复到最高初始位置，上位机平台对电弧波形进行分析并将试验波形数据存储入波形数据库，操作结束。

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