CN109212284A - 一种可精确控制的电弧故障发生系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可精确控制的电弧故障发生系统及控制方法，系统包括电弧故障发生器、电弧故障控制器和信号检测与控制系统；电弧故障控制器并联在电弧故障发生器两端；信号检测与控制系统通过控制电弧故障控制器的通断，进而控制电弧故障发生器是否发生电弧故障。本发明提供的可精确控制的电弧故障发生系统，实现电弧故障发生器是否发生电弧故障的切换。本系统既可发生真实的电弧故障，又可控制电弧故障发生的时刻以及不同时间段内发生电弧故障的数量，减少电极损耗，延长电极使用寿命，在达到准确控制电弧故障探测器测试条件的同时，减少了实验调节时间，提高测试效率，为按国标测试电弧故障探测器提供了可靠的装备支撑，具有重要的应用价值。

Description

一种可精确控制的电弧故障发生系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电弧故障检测技术，特别涉及一种可精确控制的电弧故障发生系统及控制方法。

背景技术

电弧故障是导体之间或导体与地之间出现非人类意愿的电弧的一种电气故障。电弧故障若无法及时发现并处理，将引起电气火灾的发生。目前，电弧故障可以采用电弧故障检测装置(AFDD，本专利中故障电弧探测器、电弧故障保护电器或电弧故障断路器均用AFDD来简称)进行检测，AFDD是一种当检测到线路有电弧故障发生时做出声光预警或及时切断线路的电路保护装置。

而针对AFDD的研发，我国起草了相关标准有《电弧故障检测装置(AFDD)的一般要求》(GB/T 31143—2014)和《电气火灾监控系统第4部分：故障电弧探测器》(GB 14287.4—2014)等，因此，AFDD必须符合相应的技术要求和实验程序。

由于AFDD动作的条件均为：规定时间内，发生一定数量的电弧故障，如《电气火灾监控系统第4部分:故障电弧探测器》(GB 14287.4—2014)中规定的“启动试验设备后，若线路中产生每秒最多9个及以下半周期的故障电弧或14个及以上半周期的故障电弧，则此组试验为有效试验。”

目前执行AFDD产品测试时，广泛采用的是通过调整电弧故障发生器两极间距发生电弧故障，如专利《一种精密型直驱电弧发生实验装置》，申请号为201320635101.7，公开日为2014年04月09日，采用步进电机与丝杠直接相连来控制两极的间距；专利《电弧故障智能检测装置》申请号为201420317118.2，公开日为2014.12.03，也是通过电机和丝杆的配合来控制两电极之间的极距。

以上专利涉及的产生电弧方法的原理为：先将两电极接触，再使两极分开一定距离范围，从而来产生电弧故障。但是测试时手动调节或机械调节两极间距，难以对距离进行精确控制，因此不能有效控制产生电弧故障的时刻和产生数量，致使无效测试过多，浪费大量人力、物力和财力。

发明内容

为解决以上背景技术中存在的问题，本发明提供一种可精确控制的电弧故障发生系统，包括电弧故障发生器、电弧故障控制器和信号检测与控制系统。

所述电弧故障控制器并联在电弧故障发生器两端；所述信号检测与控制系统通过控制所述电弧故障控制器的通断，进而控制所述电弧故障发生器是否发生电弧故障。

进一步地，所述电弧故障发生器包括连续移动式电极和位置固定可调式电极；所述连续移动式电极和位置固定可调式电极分别与负载电路连接。

进一步地，所述连续移动式电极为铜棒、银棒、金棒或铁棒中的一种；所述位置固定可调式电极为碳棒，其位置可根据要求固定或移动到指定位置后固定。

进一步地，所述电弧故障控制器为IGBT高速开关器件。

进一步地，所述信号检测与控制系统包括过零检测模块、控制模块和电弧故障驱动模块。

所述过零检测模块用于检测交流电过零点并输出检测结果，以确定信号的半周期。

所述电弧故障驱动模块用于接收所述控制模块的命令以控制所述电弧故障控制器的开和关。

进一步地，所述电弧故障驱动模块采用光电隔离式驱动电路。

本发明还提供一种如上任意所述可精确控制的电弧故障发生系统的控制方法，所述连续移动式电极和位置固定可调式电极通过位移驱动器进行连接，控制方法主要通过对连续移动式电极和位置固定可调式电极之间的极距D进行控制，所述极距D的控制公式为：

其中D的单位为m；u为电压，单位为V；i为电流，单位为A；ρ₁为连续移动式电极的电阻率，ρ₂为位置固定可调式电极的电阻率，单位为Ω·m；RH为相对湿度，单位为％；β为连续移动式电极接触端的锥度；t₁为连续移动式电极的温度，t₂为位置固定可调式电极的温度，t₃为测试环境的温度，单位为℃；为功率因数，取值为0～1；k为影响因子，取值为1.31×10^-2～8.14×10^-2。

进一步地，还包括电极控制系统、光谱测温装置、温湿度检测装置、电流检测装置和电压检测装置；所述光谱测温装置、温湿度检测装置、电流检测装置和电压检测装置将采集的信息反馈给所述电极控制系统连接，所述电极控制系统与所述位移驱动器连接，并通过控制所述位移驱动器进而驱动控制连续移动式电极和位置固定可调式电极之间的极距。

进一步地，所述位移驱动器包括丝杆位移装置、活塞位移装置、气杆位移装置或齿轮位移装置中的一种。

本发明提供的可精确控制的电弧故障发生系统，能够通过程序控制电弧故障控制器的快速通断，以实现电弧故障发生器是否发生电弧故障的切换。本系统既可发生真实的电弧故障，又可控制电弧故障发生的时刻以及不同时间段内发生电弧故障的数量，能够达到准确控制AFDD测试条件的目的，减少了不必要的测试，提高了测试效率，为按国标测试AFDD提供了可靠的装备支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的可精确控制的电弧故障发生系统结构示意图；

图2为电弧故障控制数组和对应的电弧故障示意图；

图3为光耦的结构示意图；

图4为电弧故障发生系统的优选实施例结构示意图。

附图标记：

10 电弧故障发生器 11 连续移动式电极 12 位置固定可调式电极

13 位移驱动器 20 电弧故障控制器 30 信号检测与控制系统

31 过零检测模块 32 控制模块 33 电弧故障驱动模块

40 电极控制系统 41 光谱测温装置 42 温湿度检测装置

43 电流检测装置 44 电压检测装置

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供一种可精确控制的电弧故障发生系统，如图1所示，包括电弧故障发生器10、电弧故障控制器20和信号检测与控制系统30；所述电弧故障控制器20并联在电弧故障发生器10两端；所述信号检测与控制系统30通过控制所述电弧故障控制器20的通断，进而控制所述电弧故障发生器10是否发生电弧故障；所述电弧故障发生器10包括连续移动式电极11和位置固定可调式电极12；所述连续移动式电极11位置固定可调式电极12分别与负载电路连接。

不同于现有的电弧故障发生系统采用手动的方式控制电弧故障发生器10两电极的距离进而来产生电弧故障。具体地，本发明提供的方案中两电极可采用银棒作为连续移动式电极11，采用碳棒作为位置固定可调式电极12，此处不排除采用其它材质作为电极材料的可能；打磨电弧故障发生器的碳棒，使其形成一个平面，并调整两电极的位置，使两电极固定在某一可持续产生电弧故障的间隙；在电弧故障发生器10两端设置有电弧故障控制器20，该电弧故障控制器20能够根据信号检测与控制系统30发出的信号，产生接通或断开动作，进而使电弧故障发生器10的两电极发生短接和断开。当电弧故障发生器10的两电极断开时，将产生电弧故障；而当电弧故障发生器10的两电极被电弧故障控制器20控制短接时，电弧故障发生器10将停止产生电弧故障。将相应的指令通过编程的形式写入控制模块32，再给电弧故障控制器20发出通/断的指令，控制电弧故障发生器10发生电弧故障。

本发明提供的可精确控制的电弧故障发生系统，能够通过程序控制电弧故障控制器的快速通断，以实现电弧故障发生器是否发生电弧故障的切换。本系统既可发生真实的电弧故障，又可控制电弧故障发生的时刻以及不同时间段内发生电弧故障的数量，能够达到准确控制AFDD测试条件的目的，减少了不必要的测试，提高了测试效率，为按国标测试AFDD提供了可靠的装备支撑。

在上述结构的基础上，优选地，所述电弧故障控制器20为IGBT开关器件，具体地，所述IGBT开关器件可以采用型号为英飞凌公司生产的SIGC54T60R3，也包括其它型号的IGBT开关器件；通过上述型号的IGBT开关器件能够控制通断时间在85ns以内，避免产生较大的“零休”，进而避免AFDD发生误判。

在上述结构的基础上，进一步地，所述信号检测与控制系统30包括过零检测模块31、控制模块32和电弧故障驱动模块33；所述过零检测模块31用于检测交流电过零点并输出检测结果，以确定信号的半周期；所述电弧故障驱动模块33用于接收所述控制模块32的命令以控制所述电弧故障控制器20的开和关。

具体地，所述控制模块32采用STM32单片机，可用来存储电弧故障控制数组，该数组在实验前编辑设定；所述过零检测模块31检测交流电过零点并输出检测结果，任意两个过零点的间隔为半周期，即作为电弧故障的统计单位。

所述电弧故障驱动模块33采用光电隔离式驱动电器，在对进行AFDD测试时，过零检测模块31识别交流电的过零点，一旦检测到过零点，立即进入外部中断服务函数；中断服务函数中，写入有测试电弧故障的程序命令，如图2所示，从程序命令中按顺序从电弧故障控制数组读取半波控制字，并将该命令发送至与之相连的光耦；此外，所述电弧故障驱动模块33还包括过压保护模块和高频脉冲吸收模块，能够更好地保证IGBT正常工作。

具体地，光耦型号可以选择6N137光耦，图3为6N137光耦的结构示意图，引脚2接高电平，引脚3接控制信号，则当控制信号为低电平时，发光二极管被点亮，光敏二极管导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，默认接高电平，因此经过运算后与门最终输出高电平，经三极管反向，最终光耦输出低电平；反之，当控制信号为高电平时，光耦输出高电平。因此，结合图2，当控制字为1时，向光耦发送低电平，IGBT由于未达到开启电压而关断(即电弧故障控制器20关断)，发生电弧故障；反之，没有电弧故障发生；根据上述方法，电弧故障控制数组中控制字里1的数量和位置确定电弧故障的数量和发生的位置时刻，达到精确可编程控制电弧故障的目的，减少了不必要的测试，提高了测试效率。

本发明还提供一种如上任意所述可精确控制的电弧故障发生系统的控制方法，一般地，在发生电弧时，会先将两电极接触，再使两极分开一定距离范围，从而来产生电弧故障；其中电极之间的极距如果过大，产生的电弧过于剧烈，致使电极消耗严重，或者产生的电弧马上被拉断，不能持续产生电弧故障；而若电极之间的极距太小，电弧高温致使极距被填充，形成良好通路，不产生电弧故障。另外，为了提高测试准确度，保证电弧故障的持续产生，往往会在下次使用前将烧蚀部分刮除，而对于一些精密实验，有时会用到银棒等贵重金属作为连续移动式电极，若烧蚀过于剧烈，连续移动式电极损耗严重，将会浪费贵重实验器材，大大增加实验成本。

本发明提供的电弧故障发生系统的控制方法，主要针对连续移动式电极和位置固定可调式电极之间的极距D进行控制，根据测试时相应条件的变化，对电极之间的极距D进行自动调节，一方面保证了电弧故障产生的特征性，使电弧故障能够满足实验要求，另一方面保护了电极，缓解电极过多烧蚀，减少电极损耗，延长电极使用寿命，还可减少实验调节时间，加快实验速度，提高测试效率。具体地，将所述连续移动式电极和位置固定可调式电极通过位移驱动器13进行连接，所述极距D的控制公式为：

其中D的单位为m；u为电压，单位为V；i为电流，单位为A；ρ₁为连续移动式电极的电阻率，ρ₂为位置固定可调式电极的电阻率，单位为Ω·m；RH为相对湿度，单位为％；β为连续移动式电极接触端的锥度；t₁为连续移动式电极的温度，t₂为位置固定可调式电极的温度，t₃为测试环境的温度，单位为℃；为功率因数，取值为0～1；k为影响因子，取值为1.31×10^-2～8.14×10^-2。

进一步地，如图4所示，还包括电极控制系统40、光谱测温装置41、温湿度检测装置42、电流检测装置43和电压检测装置44；所述光谱测温装置41、温湿度检测装置42、电流检测装置43和电压检测装置44将采集的信息反馈给所述电极控制系统40连接，所述电极控制系统40与所述位移驱动器13连接，并通过控制所述位移驱动器13进而控制连续移动式电极11和位置固定可调式电极12之间的距离；所述位移驱动器包括丝杆位移装置、活塞位移装置、气杆位移装置或齿轮位移装置中的一种，即能够精确控制电极移动的位移驱动器均在本发明的保护范围内。

其中，光谱测温装置通过红外检测，可以得知电极端的温度产生电弧时的温度，即t₁和t₂，当然，也可以通过其它检测方式得到t₁和t₂。温湿度检测装置可用来检测RH和t₃；电压一般采用220V的交流电压；其它参数均可通过现有技术进行测量得到。

根据上述实验条件，本发明提供以下如表1所示实施例参数，其中，连续移动式电极为银棒，位置固定可调式电极为碳棒；当k取3.058×10^-2时，通过本发明提供的极距D的控制公式计算得到极距D为5.381×10^-4m；在测试过程中，能够产生连续电弧故障，且不会发生电弧拉断的现象。

表1

参数	实施例
		电压U(V)	220
电流I(A)	20
		t<sub>1</sub>(℃)	2416
t<sub>2</sub>(℃)	2653
		功率因数cos	0.7
RH	60％
		锥度β	0.376
t<sub>3</sub>(℃)	20
		ρ<sub>1</sub>(Ω·m)	1.586×10<sup>-8</sup>
ρ<sub>2</sub>(Ω·m)	3.72×10<sup>-5</sup>

本发明还提供以下对比例：采用相同的电极材料，且其它实验条件与实施例一致，区别在于：不采用本发明提供的极距精确自动控制方法，而是采用人为手动试调极距，试调的方法具有很强的随机性，无法保证实验条件的一致性，而且实验时间长，实验效率低下，电极损耗较大。

对实施例和对比例的连续移动式电极进行以下操作：每进行一次实验后，刮除电极端的烧蚀部分，以显露出原始材料为准；记录连续移动式电极消耗1cm长度时，实施例和对比例中进行实验测试的次数，记录结果如表2所示：

表2

测试对象	消耗1厘米电极能够进行测试的次数(次)
		实施例	34
对比例	126

本发明提供的控制方法可以实时控制电极间的极距，减少了不必要的测试，提高了测试效率；且通过上表对比可以看出，通过本发明提供的控制方法能够大大提高连续移动式电极的使用寿命，具有显著的效果。

尽管本文中较多的使用了诸如电弧故障发生器、电弧故障控制器、信号检测与控制系统、连续移动式电极、位置固定可调式电极、零检测模块、电弧故障驱动模块、位移驱动器、电极控制系统、光谱测温装置、温湿度检测装置、电流检测装置和电压检测装置等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种可精确控制的电弧故障发生系统，其特征在于：包括电弧故障发生器(10)、电弧故障控制器(20)和信号检测与控制系统(30)。

所述电弧故障控制器(20)并联在所述电弧故障发生器(10)两端；所述信号检测与控制系统(30)通过控制所述电弧故障控制器(20)的通断，进而控制所述电弧故障发生器(10)是否发生电弧故障。

所述电弧故障发生器(10)包括连续移动式电极(11)和位置固定可调式电极(12)；所述连续移动式电极(11)和位置固定可调式电极(12)分别与负载电路连接。

2.根据权利要求1所述的可精确控制的电弧故障发生系统，其特征在于：所述连续移动式电极(11)为铜棒、银棒、金棒或铁棒中的一种；所述位置固定可调式电极(12)为碳棒，其位置可根据要求固定或移动到指定位置后固定。

3.根据权利要求1所述的可精确控制的电弧故障发生系统，其特征在于：所述电弧故障控制器(20)为IGBT高速开关器件。

4.根据权利要求3所述的可精确控制的电弧故障发生系统，其特征在于：所述信号检测与控制系统(30)包括过零检测模块(31)、控制模块(32)和电弧故障驱动模块(33)；

所述过零检测模块(31)用于检测交流电过零点并输出检测结果，以确定信号的半周期；

所述电弧故障驱动模块(33)用于接收所述控制模块(32)的命令以控制所述电弧故障控制器(20)的开和关。

5.根据权利要求1所述的可精确控制的电弧故障发生系统，其特征在于：所述电弧故障驱动模块(33)采用光电隔离式驱动电路。

6.根据权利要求1所述的可精确控制的电弧故障发生系统，其特征在于：所述电弧故障驱动模块(33)还包括过压保护模块和高频脉冲吸收模块。

7.一种如权利要求1-6任一项所述可精确控制的电弧故障发生系统的控制方法，其特征在于：所述连续移动式电极和位置固定可调式电极通过位移驱动器进行连接，所述连续移动式电极和位置固定可调式电极之间的极距D为：

其中D的单位为m；u为电压，单位为V；i为电流，单位为A；ρ₁为连续移动式电极的电阻率，ρ₂为位置固定可调式电极的电阻率，单位为Ω·m；RH为相对湿度，单位为％；β为连续移动式电极接触端的锥度；t₁为连续移动式电极的温度，t₂为位置固定可调式电极的温度，t₃为测试环境的温度，单位为℃；为功率因数，取值为0～1；k为影响因子，取值为1.31×10^-2～8.14×10^-2。

8.根据权利要求7所述的可精确控制的电弧故障发生系统的控制方法，其特征在于：还包括电极控制系统(40)、光谱测温装置(41)和温湿度检测装置(42)、电流检测装置(43)和电压检测装置(44)；所述光谱测温装置(41)、温湿度检测装置(42)、电流检测装置(43)和电压检测装置(44)将采集的信息反馈给所述电极控制系统(40)，所述电极控制系统(40)与所述位移驱动器(13)连接，并通过控制所述位移驱动器(13)进而控制所述连续移动式电极(11)和位置固定可调式电极(12)之间的距离。

9.根据权利要求7所述的可精确控制的电弧故障发生系统的控制方法，其特征在于：所述位移驱动器(13)包括丝杆位移装置、活塞位移装置、气杆位移装置或齿轮位移装置中的一种。