一种自动化故障电弧的试验设备以及试验方法与流程

1.本发明涉及会产生故障电弧的产品试验技术，具体涉及一种自动化故障电弧的试验设备以及试验方法。


背景技术：

2.近年来，民用建筑电气火灾形势严峻，电气火灾约占火灾总数的30％。而在电气火灾的发生原因中，故障电弧是主要的原因。研发针对故障电弧的探测与保护装置，已受到各个国家的重视。美国是最早研发并推广使用电弧故障断路器的国家，其对应标准为ul 1699《arc-fault circuit-interrupters》，最早版本发布于1999年，并且不断的更新迭代，快速发展。国际电工委员会于2013年也发布了标准iec 62606《general requirements for arc faultdetection devices》。随后，上海电器科学研究院牵头起草了gb/t 31143《电弧故障保护电器(afdd)的一般要求》，该标准基于iec 62606，对iec标准中的一些不足进行了修改，并针对我国实际情况进行了某些条款的调整，该标准于2014年正式发布。与此同时，沈阳消防研究所也牵头起草了 gb 14287.4《电气火灾监控系统第4部分：故障电弧探测器》并于2014年正式发布。四个标准对于故障电弧的产生，原理大致相同，但针对各个产品的具体要求却各不相同，试验条件也有所区别。
3.故障电弧产品试验项目繁多，包含多种电路型式、多种负载类型试验、交叉组合、种类繁多、接线复杂，试验工作量巨大。目前市场上还没有能满足大部分试验要求的设备，并且自动化程度不高，多以手工接线、示波器记录波形为主，测试、试验效率低，人工劳动强度大，可重复性差。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明公开了。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种自动化故障电弧的试验设备，所述试验设备用于支持不同的试验标准，包括：试验条款存储模块，用于存储试验条款；试验电源控制模块，用于读取所述试验条款并根据所述试验条款控制试验电源的参数；电弧生成控制模块，用于读取所述试验条款并控制电弧生成装置生成所述试验标准所需要的电弧；电路负载切换模块，包括：对应表，储存有第一接触开关组和所述试验条款的对应关系；所述第一接触开关组的开启或关闭状态改变电路的拓扑结构，使得不同的电路负载接入或断开；第一io控制卡，用于输出第一控制信号以控制第一继电器组动作；所述第一控制信号响应于所述试验条款，并读取所述对应表中的对应关系，通过控制所述第一继电器组以控制所述第一接触开关组；
7.其进一步的技术方案为，所述试验设备还包括：试验电流自动调整模块，包括：预期电流值获取模块，用于获取预期电流值；预期电流值是所述试验条款中的电流参数或者所接收到的输入电流参数；预设电阻配置值获取模块，根据所述预期电流值得到预设电阻配置值；电流比对模块，比对预通实际电流值和所述预期电流值；所述预通实际电流值是电
路预通后所采集的电流值；电阻配置调整模块，接收所述预通实际电流值和所述预期电流值的比对结果，计算调整的电阻配置值；第二io控制卡，用于输出第二控制信号以控制第二继电器组动作；所述第二控制信号响应于预设电阻配置值获取模块或者电阻配置调整模块所输出的电阻配置值，通过控制第二继电器组以控制第二接触开关组；
8.其进一步的技术方案为，所述试验设备包括：数据采集模块，用于采集试验设备中的电流和/或电压数据；数据采集模块安装于负载柜、电阻柜、功能切换柜和/或电弧发生柜。
9.其进一步的技术方案为，所述试验设备包括：功能切换柜，包括：电阻切换电路，包括第一继电器组和第一接触开关组，第一继电器组接收第一控制信号并改变通电状态，控制第一接触开关组的动作；第一接触开关组响应于第一继电器组的动作，打开或者闭合，控制电阻柜中的电阻接入电路或者断开。负载切换电路，包括第二继电器组和第二接触开关组，第二继电器组接收第二控制信号并改变通电状态，控制第二接触开关组的动作。第二接触开关组响应于第二继电器组的动作，打开或者闭合，控制负载柜的负载接入电路或者断开；负载柜，接收功能切换柜的控制信号，改变接入或者断开的负载；电阻柜，接收功能切换柜的控制信号，改变接入或者断开的电阻；电弧发生柜，接收电弧生成控制模块的控制信号并产生电弧。
10.一种自动化故障电弧的试验方法，基于上述任一项所述的自动化故障电弧的试验设备实现；所述试验方法用于自动支持不同的试验标准；包括电路负载自动切换的步骤：获取试验条款；读取对应表，对应表存储有试验条款和第一接触开关组的对应关系；输出第一控制信号，第一控制信号控制第一继电器组的动作；第一控制信号响应于试验条款，并读取对应表中的对应关系用以控制第一接触开关组；响应于第一继电器组的动作，与第一继电器组所对应的第一接触器组动作，完成线路切换，使得负载的连接方法和接入断开顺序满足所述试验条款。
11.其进一步的技术方案为，，还包括试验电流自动调整步骤：获取预期电流值，预期电流值是试验条款中的电流参数或者输入的电流参数；根据预期电流值得到预设电阻配置值；输出第二控制信号，第二控制信号控制第二继电器组动作；第二控制信号响应于预设电阻配置值获取模块或者电阻配置调整模块的电阻配置值用以控制第二接触开关组；响应于第二继电器组的动作，与第二继电器组所对应的第二接触器组动作，完成线路切换，使得电阻的连接方法和接入断开顺序满足试验条款；接通电路并进行电流信号采样，得到预通实际电流值；比对预通实际电流值和预期电流值，如果预通实际电流值满足容差范围，则结束控制过程；如果预通实际电流值不满足容差范围，则将结果作为反馈信号；根据反馈信号，计算调整的电阻配置值，再次发出第二控制信号。
12.其进一步的技术方案为，还包括数据采集步骤；数据采集步骤在试验前和/或试验中进行；在试验前所采集的数据用于检测试验条件。在试验中所采集的数据用于判别试验是否成功。
13.其进一步的技术方案为，还包括试验电源控制步骤：读取试验条款并根据试验条款控制试验电源的参数。
14.其进一步的技术方案为，还包括电弧生成控制步骤：读取试验条款并根据试验条款控制电弧的生成。
15.本发明的有益效果如下：。
16.本发明是针对于电弧故障有关系的标准文件，获取试验标准，并根据试验标准研发的一种能进行线路负载依据试验标准自动切换、试验电流依据试验标准自动调整的试验设备和试验方法。用于对断路器等相关产品进行验证测试，可以对试验数据自动记录，并且能兼容多个不同标准。
17.不同标准的试验电路存在差异，不同试验条款的电路各不相同，尤其是屏蔽负载试验，需要多种电路、多个负载来回切换，靠人工接线，工作量巨大，效率低下。相对于现有技术，本发明因此，配置自动化线路切换功能，能大大提高试验效率。还可以根据不同电流等级的产品，不同的试验条款，接不同的负载，调节出不同的预期电流。
附图说明
18.图1为本发明的自动化故障电弧的试验设备的实施例的结构框图。
19.图2是本发明中电路负载自动切换步骤的流程图。
20.图3是本发明中试验电流自动调整步骤的流程图。
21.图4是本发明一个实施例中的误脱扣试验电路图。
22.图5是本发明另一个实施例中的串联电弧试验电路图。
具体实施方式
23.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
24.实施例1。
25.实施例1是一种自动化故障电弧的试验设备。图1为本发明的自动化故障电弧的试验设备的实施例的结构框图。如图1所示，试验设备包括控制台、功能切换柜、电阻柜、负载柜和电弧发生柜。
26.其中控制台用于控制整个系统、分析数据、发出控制信号并接收所采集到的数据。控制台包括试验条款存储模块、电路负载切换模块、试验电流自动调整模块、试验电源控制模块、电弧生成控制模块和数据处理模块。
27.试验条款存储模块存储有试验条款。试验条款从各个试验标准中总结得到。
28.电路负载切换模块包括对应表和第一io控制卡。对应表储存有第一接触开关组和试验条款的对应关系。第一接触开关组的开启和关闭状态可以改变电路的拓扑结构，使得不同的电路负载接入或者断开。第一io控制卡用于输出第一控制信号以控制第一继电器组动作。第一控制信号是响应于试验条款，并读取对应表中的对应关系，以控制第一接触开关组的。具体是通过控制第一继电器组的通电状态，进而控制与第一继电器组对应的第一接触开关组的动作。第一控制信号具体可以是一组的信号序列，用于控制不同负载的接入断开的一系列动作顺序。当第一继电器组收到第一控制信号动作后，带动第一接触开关组完成线路切换，使得负载的连接方式和接入断开的顺序与试验条款相匹配。第一接触开关动作后，将动作信号传递回第一io控制卡，以形成控制信号的闭环。
29.试验电流自动调整模块包括预期电流值获取模块、预设电阻配置值获取模块、第二io控制卡和电阻配置调整模块。预期电流值获取模块用于获取预期电流值。预期电流值可以是所获取的试验条款中的电流参数，也可以接收输入设备所接收到的直接输入的电流
参数。预设电阻配置值获取模块根据预期电流值得到预设电阻配置值。第二io控制卡用于输出第二控制信号以控制第二继电器组动作，第二控制信号是响应于预设电阻配置值获取模块或者电阻配置调整模块的电阻配置值，用来控制第二接触开关组的，具体是通过控制第二继电器组的通电状态，进而控制与第二继电器组对应的第二接触开关组的动作。第二控制信号具体可以是一组信号序列，用于控制不同的电阻的接入断开的一系列动作顺序。电流比对模块根据电流预通后数据采集模块所采集的预通实际电流值，比对预通实际电流值和预期电流值，将结果作为反馈信号输入电阻配置调整模块。电阻配置调整模块根据反馈信号，计算电阻配置调整方法，并通过第二io控制卡再次发出第二控制信号。直至电流比对模块比对得到预通实际电流值在容差范围内。
30.试验电源控制模块用于读取试验条款并根据试验条款控制试验电源的参数。各种故障电弧的试验标准都要求试验电源能提供500a的短路电流，不同标准间的电压、频率又有不同，通过试验电源控制模块来对试验电源的参数进行控制。
31.电弧生成控制模块用于读取试验条款并控制电弧生成装置生成试验标准所需要的电弧。
32.数据处理模块负责将采集的试验电流、电压波形展示并自动保存。保存的数据可以用于判别试验是否成功，被测样品动作是否满足试验条款的要求，并可生成试验报告。保存的试验数据可为后续产品持续改进、研发提供原始的数据支撑。
33.功能切换柜内置有电阻切换电路和负载切换电路。具体的，包括第一继电器组和第一接触开关组，第一继电器组接收第一控制信号并改变通电状态，进而控制第一接触开关组的动作。第一接触开关组响应于第一继电器组的动作，打开或者闭合，控制负载柜中的负载接入电路或者断开。还包括第二继电器组和第二接触开关组。第二继电器组接收第二控制信号并改变通电状态，进而控制第二接触开关组的动作。第二接触开关组响应于第二继电器组的动作，打开或者闭合，控制电阻柜中的电阻接入电路或者断开。
34.电弧发生柜包括碳化电缆生成装置、串联电弧发生器和并联电弧金属切割装置，接收电弧生成控制模块的数据并产生电弧。
35.碳化电缆生成装置用于生成碳化电缆。碳化电缆是模拟实际使用过程中由于电缆或者负载的绝缘老化、绝缘破损、潮湿等引起绝缘层碳化，从而引起故障电弧发生的情况。
36.串联电弧发生器包括步进电机，控制电弧产生的两端距离。配合数据采集模块所采集到的电流、电压数据，在产生电弧时能可靠的实时调整步进电机，以便产生稳定的电弧。
37.并联电弧金属切割装置包括步进电机，控制切割装置的运行，避免操作人员近距离操作，避免切割时电流都较大，产生的电弧能量大，导致有金属颗粒飞溅的安全性问题。
38.数据采集模块，用于采集试验设备中的电流、电压数据。数据采集模块安装于负载柜、电阻柜、功能切换柜和/或电弧发生柜。并将采集到的数据传输回控制台。作为调节试验电流、电压的依据，以满足试验条件，在故障电弧引入后，采集实时电流、电压数据，以判别该试验是否成功；为后期产品研发提供数据支持。数据采集模块包括电流互感器和电压互感器，优选隔离式互感器以保证设备和人员安全。可采用多个互感器同时采样，后期分级处理。数据采集模块所采集的数据输入至模拟输入卡，之后传输至控制台进行分析处理。模拟输入卡需要有较高的采样率以保证采样数据不失真。
39.试验电源，接收试验电源控制模块所发出的控制信号，改变频率、电流等参数，以供试验使用。试验电源为变频可调电源。
40.电阻柜，接收功能切换柜的控制信号，改变接入或者断开的电阻，实现调节阻性负载电流的功能。
41.负载柜，接收功能切换柜的控制信号，改变接入或者断开的负载。负载柜在柜内放置各种小体积负载，背面布置插座、空开，供外接的大体积、大功率电器使用。
42.综上，控制台通过模拟输入卡控制数据采集模块进行电流电压的采样，通过io控制卡控制线路的切换，通过现场总线对试验电源和电弧发生柜中的电弧生成装置进行控制。
43.实施例1通过电路负载切换模块，可以解决如下问题：不同标准的试验电路存在差异，不同试验条款的电路各不相同，尤其是屏蔽负载试验，需要多种电路、多个负载来回切换，靠人工接线，工作量巨大，效率低下。实施例1通过配置自动化线路切换功能，能大大提高试验效率。当试验员选择某一试验条款时，电路负载切换模块自动选取一系列对应的第一接触开关组，通过第一io控制卡控制第一继电器组动作，第一继电器组带动第一接触开关组动作完成线路切换。进一步的，实施例1还通过设置试验电流自动调整模块，自动调整试验电路中发生燃弧前的预期电流，根据不同电流等级的产品，不同的试验条款，可以自动转接不同的负载，调节出不同的预期电流。
44.实施例2。
45.实施例2是基于实施例1，进一步的将试验条款存储模块存储的试验条款的获取方式细化。试验条款是根据试验标准总结的。包括对试验条款的分析和对电弧的评判标准。这里的试验标准，指的是根据被国内外领域内所承认的涉及到故障电弧内容的标准文件，可以通过试验测试相关的产品是不是符合相关标准的准则。首先根据标准文件，获取和总结试验条款；其次根据试验条款，获取和总结试验条件；试验条件包括试验参数、试验步骤和试验设备的工作顺序等；最后根据试验条件设计电路的拓扑结构和电气结构。
46.基于ul 1699-2008、gb/t 31143-2014、gb 14287.4-2014三个标准，整理出来的试验条款汇总如表1所示。
47.表1基于三个标准整理的试验条款。
[0048][0049]
各个标准的电弧评判标准也不同。以ul 1699-2008为例。
[0050]
ul 1699-2008串联电弧评判标准如表2所示。并联电弧试验0.5s内允许的最大半波数为8个。其他两个标准文件中也有对电弧的评判规则，不再赘述。
[0051]
表2 ul 1699-2008串联电弧评判标准
[0052][0053]
根据汇总分析可以得出3个标准在试验方法上的共同点：都需要使用碳化电缆；都需要使用串联电弧发生器；都需要使用并联电弧金属切割装置；都需要做串联电弧、并联电弧试验，且电路大致一致；都需要做屏蔽试验， abcd四种电路一致；都需要做误动作试验，操作方式基本一致。
[0054]
试验条件、评判标准差异点在于：
[0055]
(1)试验电源不同。
[0056]
ul 1699-2008的试验电源参数为交流110v、120v、240v，60hz；
[0057]
gb/t 31143-2014、gb 14287.4-2014的试验电源参数为交流220v、 230v，50hz；
[0058]
ul 1699-2008、gb/t 31143-2014没有要求电源的功率因素；
[0059]
gb 14287.4-2014需要在电源不同功率因素下试验。
[0060]
(2)试验的步骤、样品数量，有差异。
[0061]
(3)试验的负载类型、数量不同。
[0062]
(4)评判标准不同。ul 1699-2008、gb/t 31143-2014需要被测试样品断开电路，时间要求略有不同，gb 14287.4-2014不断开电路，只输出报警信号。
[0063]
根据以上分析归纳的异同点，设计与每个试验条款所对应的电气模块和电路拓扑结构。使得系统可以根据试验条款，调整电路负载切换模块、试验电流自动调整模块、试验电源控制模块、电弧生成控制模块和数据处理模块的具体工作方法和工作顺序。
[0064]
实施例3。
[0065]
实施例3是基于实施例1和实施例2的试验设备所进行的试验方法，电路负载切换控制方法包括根据试验条款控制试验电源参数的步骤、根据试验条款控制电弧生成的步骤，还包括根据试验条款进行电路负载自动切换的步骤和试验电流自动调整的步骤。
[0066]
图2是电路负载自动切换步骤的流程图。如图2所示，电路负载自动切换的步骤包括：
[0067]
获取试验条款。
[0068]
读取对应表，对应表存储有试验条款和第一接触开关组的对应关系。
[0069]
第一io控制卡输出第一控制信号，第一控制信号控制第一继电器组的动作。第一控制信号是响应于试验条款，并读取对应表中的对应关系，用来控制第一接触开关组的。
[0070]
响应于第一继电器组的动作，与第一继电器组所对应的第一接触器组动作，完成线路切换，使得负载的连接方法和接入断开顺序满足试验条款。
[0071]
在线路切换完成后，将第一接触开关组的状态返回第一io控制卡。
[0072]
图3是试验电流自动调整步骤的流程图。如图3所示，试验电流自动调整步骤，包括：
[0073]
获取预期电流值。预期电流值获取模块用于获取预期电流值。预期电流值可以是所获取的试验条款中的电流参数，也可以接收输入设备所接收到的直接输入的电流参数。
[0074]
预设电阻配置值获取模块根据预期电流值得到预设电阻配置值。
[0075]
第二io控制卡输出第二控制信号，第二控制信号控制第二继电器组动作。第二控制信号是响应于预设电阻配置值获取模块或者电阻配置调整模块的电阻配置值，用来控制第二接触开关组的。
[0076]
响应于第二继电器组的动作，与第二继电器组所对应的第二接触器组动作，完成线路切换，使得电阻的连接方法和接入断开顺序满足试验条款。
[0077]
接通电路并进行电流信号的采样，得到预通实际电流值。
[0078]
比对预通实际电流值和预期电流值，如果预通实际电流值满足容差范围，则结束控制过程。如果预通实际电流值不满足容差范围，则将结果作为反馈信号输入电阻配置调整模块。电阻配置调整模块根据反馈信号，计算电阻配置调整方法，并通过第二io控制卡再次发出第二控制信号。
[0079]
进一步的，还包括数据采集步骤。
[0080]
数据采集步骤在试验前和/或试验中进行。在试验前所采集的数据用于检测试验条件。在试验中所采集的数据用于判别试验是否成功。
[0081]
实施例3的试验方法中，通过增加电路负载自动切换的步骤和试验电流自动调整的步骤，可以根据试验条款，自动进行负载的切换和试验电流的自动调整。无需人工接线和进行开关操作，降低工作量，提高效率。
[0082]
实施例4。
[0083]
实施例4是基于ul 1699-2008标准，试验条款41.2.1误脱扣试验。实施例4是基于实施例3的试验方法的一个具体化的例子。图4是本发明一个实施例中的误脱扣试验电路图。参考图4，试验方法包括：
[0084]
步骤101、获取试验条款数据。
[0085]
步骤102、电路负载自动切换模块控制断开开关s11和开关s13。
[0086]
步骤103、试验电源控制模块将电源参数设置为ac110v/60hz并输出。
[0087]
步骤104、电路负载自动切换模块控制接通开关s11，afci(arc-faultcircuit-interrupter，电弧故障分断器)通电。
[0088]
步骤105、电路负载自动切换模块接入150w和100w钨丝灯各4个，总计1000w。
[0089]
步骤106、电路负载自动切换模块接通开关s13，负载通电。
[0090]
步骤107、通电时间持续1秒。
[0091]
步骤108、电路负载自动切换模块断开开关s13。
[0092]
步骤109、冷却1分钟。
[0093]
步骤110、重复步骤106～109，重复60次。
[0094]
步骤111、电路负载自动切换模块接入电容启动电动机。
[0095]
步骤112、电路负载自动切换模块接通开关s3，负载通电。
[0096]
步骤113、通电时间持续60秒。
[0097]
步骤114、电路负载自动切换模块断开开关s3。
[0098]
步骤115、冷却1分钟。
[0099]
步骤116、重复步骤112～115，重复5次
[0100]
实施例4自动完成了基于ul 1699-2008试验条款41.2.1误脱扣试验的试验要求，一共进行了65次试验，在试验期间，试验进度、试验数据、试验结果实时显示在应用程序界面。中间没有人工接线和开关切换的构成，也避免了工作量巨大，效率低下的问题。实施例4中多个步骤中均涉及电路负载自动切换的步骤。
[0101]
实施例5。
[0102]
实施例5是基于gb/t 31143-2014标准中，试验条款9.9.2.2验证电路中突然出现串联电弧故障时的正确动作。实施例5是基于实施例3的试验方法的一个具体化的例子。图5是本发明另一个实施例中的串联电弧试验电路图，参考图5，试验方法包括：
[0103]
步骤201、获取试验条款数据。
[0104]
步骤202、电路负载自动切换模块控制断开开关s21、开关s22、开关 s3和开关s24。
[0105]
步骤203、试验电源控制模块将电源参数设置为ac220v/50hz并输出。
[0106]
步骤204、电路负载自动切换模块接通开关s2、开关s3、开关s4、开关 s1，接通电路。
[0107]
步骤205、试验电流自动调整模块调整试验电流至最小试验电流，此试验条款要求的最小试验电流为3a。
[0108]
步骤206、断开开关s21、开关s22、开关s23、开关s24，复位接通 afdd(arc fault detection devices，电弧故障保护电器)，并调整串联电弧发生器的铜触点和碳棒紧密接触。至此，试验准备工作完成，下面开始正式试验。
[0109]
步骤207、接通开关s23、开关s21，使电路接通并稳定到步骤204调整的试验电流。
[0110]
步骤208、电弧生成控制模块控制串联电弧发生器产生故障电弧。
[0111]
步骤209、afdd动作，数据处理模块计算出动作时间。
[0112]
步骤210、重复步骤206～209，重复3次。
[0113]
步骤211、根据试验条款，试验电流自动调整模块将试验电流调整至额定电流40a，重复步骤204～210。
[0114]
至此试验设备自动完成了该条款的试验要求，一共进行了6次试验，期间，试验进度、试验数据、试验结果实时显示在应用程序界面。实施例5的试验方法中，通过增加电路负载自动切换的步骤和试验电流自动调整的步骤，可以灵活应对各种试验条款，自动针对试验条款的要求，切换负载以及试验电流，无需人工接线，降低工作量，提高效率。
[0115]
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。