一种故障电弧保护电器特性测试方法

1.本发明涉及故障电弧保护技术领域，尤其是一种故障电弧保护电器特性测试方法。


背景技术：

2.据公安部消防局统计数据表明，电气火灾产生的原因主要有电弧故障、过电流、漏电和短路故障等，而目前市面上有成熟的电器保护装置可以有效检测过电流、漏电和短路故障并作出相应的保护策略，但这些产品却不能检测到电弧故障。为了弥补电气火灾防护的“漏洞”，加强电弧故障保护，国内外众多学者研究故障电弧检测和故障电弧保护电器(afdd)。故障电弧保护电器是一种新型的电路保护装置，当检测到电弧故障时，通过断开电路来降低燃弧故障影响的装置。
3.目前对afdd进行测试的技术存在以下缺点，物理装置检测方法，常需要完备的故障电弧发生装置以及复杂的成套硬件电路，占地面积大，投资成本高，而且afdd测试项目繁多，每一类测试项目中细分了许多试验内容，同时电缆试品的制备与试验负载的准备，掺杂了许多人为因素，使得afdd整个测试过程耗时长，对人力物力的投入大大增加，不适于作为大量产品出厂终端测试设备。
4.利用不同火花过电压下的浪涌抑制器产生不同特性的故障电弧来测试afdd能否正确检测与跳闸时间的方法，平均测试时间为18.8s，时效性较差，而且浪涌抑制器随着检测次数的增多，其自身损坏导致无法触发电弧或提早发生短路，导致实验失败。
5.通过上位机选取典型故障电弧信号的测试方法中，电压波形经过电压放大电路后输出给afdd，为afdd的内部电子线路和脱扣机构供电；电流波形经过跨导放大电路后输出至afdd的相线输入端与相线输出端，为afdd提供故障电弧电流信号。虽然此方法操作简单，但由于流经afdd的相线和中心线的电流不相等，因此，当被测afdd含有剩余电流保护功能时，测试效果大打折扣。
6.此外，以任意波形发生器与功率放大器输出故障电弧电流波形的方法，其利用任意波形发生器输出典型故障电弧电流信号，经精密功率放大器输出电流波形，对afdd进行性能测试，但由于功率放大器的高频响应特性与高增益之间相矛盾，在电弧高频段电弧电流输出效果欠佳，而且高精密的信号发生器和大功率功率放大器价格昂贵，不适合于产品的生产线测试。


技术实现要素：

7.本发明提出一种故障电弧保护电器特性测试方法，利用电力电子器件搭建测试电路，模拟线路中出现的故障电弧电流特征，实现对afdd快速测试，对于afdd的研发以及便携式afdd测试装置的研究，具有广阔的市场空间。
8.本发明采用以下技术方案。
9.一种故障电弧保护电器特性测试方法，用于测试承载故障电弧保护功能的afdd线
路，所述测试方法包括以高频磁环进行耦合的afdd线路和高频信号发生器；afdd线路穿过高频磁环圆心，高频信号发生器的信号输出端与环绕于高频磁环处的线圈相连，其输出的高频信号注入高频磁环后，以电磁感应效应模拟电弧环境对afdd线路进行测试。
10.所述高频信号由高频信号发生器产生，为故障电弧高频段特征信号，作为测试方法中的电弧电流高频特征量使用。
11.所述高频信号发生器包括高频信号源，还包括用于对高频信号源的高频信号进行功率放大的功率放大器。
12.所述afdd线路为afdd试验主电路，包括双向晶闸管、负载电阻和afdd脱扣检测装置。
13.所述测试方法中，通过控制双向晶闸管的导通角来改变afdd试验主电路线路电流在工频周期内的电流零休时间和电流变化率。
14.所述测试方法中，以负载电阻调节afdd试验主电路的电流大小，来用于不同额定电流等级下的afdd测试。
15.所述测试方法中，所述afdd脱扣检测装置为钨丝灯，用于检测afdd试验主电路是否断开，即afdd是否脱扣。
16.所述高频磁环用于将afdd试验主电路和高频信号发生器进行耦合；当高频磁环将高频信号注入afdd试验主电路时，使afdd试验主电路中既有故障电弧电流零休现象，又有故障电弧高频信号，从而在时域和高频域上模拟线路故障电弧电流信号，以检测afdd线路的动作特性。
17.所述高频信号发生器与电流还原装置进行信号耦合；所述电流还原装置经高速数据采集卡与上位机平台相连以组成结合高频耦合的电流还原系统；所述上位机平台依据典型故障电弧电流波形数据库，向高速数据采集卡输出试验项目所需的波形信号；高速数据采集卡对接收到的波形信号进行数模转换处理并输出至电流还原装置，电流还原模块对高速数据采集卡输出的信号进行电流功率放大处理；所述典型故障电弧电流波形数据库储有配电系统发生故障电弧时，线路电流波形发生畸变的数据，线路电流波形的典型特征包括电流平肩部、电流上升率较大、高频分量增多。
18.所述测试方法中，上位机以labview软件控制高速数据卡，以典型故障电弧电流波形数据库的不同负载电流数据为基准，作为电流还原模块的信号模拟量输入；所述电流还原模块对高速数据采集卡的模拟量输出信号进行电流功率放大处理，以实现其输出电流与给定电流信号的1：1输出。
19.本发明利用电力电子器件搭建测试电路，能模拟线路中出现的故障电弧电流特征，实现对afdd快速测试，对于afdd的研发以及便携式afdd测试装置的研究具有广阔的市场空间。
20.本发明提出了一种结合高频耦合的电流还原系统，由上位机平台、高速数据采集卡、电流还原装置和高频信号发生器组成，能在测试试验中模拟国标gb/t 31143里规定的多种典型负载故障电弧电流。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、提出一种信号注入的故障电弧保护电器测试方法，利用磁环将电弧高频特征注
入afdd线路中，实现对afdd动作特性的测试，为afdd测试提供2、设计一种高频信号注入的故障电弧保护电器测试电路，该电路包括双向晶闸管与电阻串联的主电路、宽带高频信号发生电路和高频磁环组成。该测试电路成本低、测试方便，尤其适合生产线产品测试，为便携式afdd测试装置的研制奠定基础。
22.3、设计了一种新型的结合高频注入法的电流还原系统，结合上位机软件和电流还原模块实现了不同故障电弧电流波形还原，并将电弧电流高频特征注入电流还原模块，共同模拟电弧电流信号特征，对afdd进行动作特性测试。与传统通过搭建故障电弧测试平台，利用物理起弧装置对afdd进行测试的方法相比，本发明结合高频注入法的电流还原系统测试时间周期短、效率更高，占地空间小，投入成本低，可重复性使用，对于afdd产品动作特性测试以及内部故障电弧检测识别算法修正、硬件电路修改具有实际意义，在故障电弧保护电器测试领域具有重大意义。
附图说明
23.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：附图1是本发明的原理示意图；附图2是本发明结合高频耦合的电流还原系统原理示意图；附图3是电流还原系统的电流还原流程示意图。
具体实施方式
24.如图所示，一种故障电弧保护电器特性测试方法，用于测试承载故障电弧保护功能的afdd线路，所述测试方法包括以高频磁环进行耦合的afdd线路和高频信号发生器；afdd线路穿过高频磁环圆心，高频信号发生器的信号输出端与环绕于高频磁环处的线圈相连，其输出的高频信号注入高频磁环后，以电磁感应效应模拟电弧环境对afdd线路进行测试。
25.所述高频信号由高频信号发生器产生，为频率范围在6-14mhz区间的故障电弧高频段特征信号，作为测试方法中的电弧电流高频特征量使用。
26.所述高频信号发生器包括高频信号源，还包括用于对高频信号源的高频信号进行功率放大的功率放大器。
27.所述afdd线路为afdd试验主电路，包括双向晶闸管、负载电阻和afdd脱扣检测装置。
28.所述测试方法中，通过控制双向晶闸管的导通角来改变afdd试验主电路线路电流在工频周期内的电流零休时间和电流变化率。
29.所述测试方法中，以负载电阻调节afdd试验主电路的电流大小，来用于不同额定电流等级下的afdd测试。
30.所述测试方法中，所述afdd脱扣检测装置为钨丝灯，用于检测afdd试验主电路是否断开，即afdd是否脱扣。
31.所述高频磁环用于将afdd试验主电路和高频信号发生器进行耦合；当高频磁环将高频信号注入afdd试验主电路时，使afdd试验主电路中既有故障电弧电流零休现象，又有故障电弧高频信号，从而在时域和高频域上模拟线路故障电弧电流信号，以检测afdd线路
的动作特性。
32.所述高频信号发生器与电流还原装置进行信号耦合；所述电流还原装置经高速数据采集卡与上位机平台相连以组成结合高频耦合的电流还原系统；所述上位机平台依据典型故障电弧电流波形数据库，向高速数据采集卡输出试验项目所需的波形信号；高速数据采集卡对接收到的波形信号进行数模转换处理并输出至电流还原装置，电流还原模块对高速数据采集卡输出的信号进行电流功率放大处理；所述典型故障电弧电流波形数据库储有配电系统发生故障电弧时，线路电流波形发生畸变的数据，线路电流波形的典型特征包括电流平肩部、电流上升率较大、高频分量增多。
33.所述测试方法中，上位机以labview软件控制高速数据卡，以典型故障电弧电流波形数据库的不同负载电流数据为基准，作为电流还原模块的信号模拟量输入；所述电流还原模块对高速数据采集卡的模拟量输出信号进行电流功率放大处理，以实现其输出电流与给定电流信号的1：1输出。
34.实施例：本例中，通过将电弧电流特征信号注入含有afdd的线路中，从而实现afdd动作特性测试。设计了高频信号注入的afdd试验电路。通过控制试验电路中双向晶闸管导通角，模拟电弧电流时域零休现象。高频信号发生器模拟电弧电流高频域特征信号，并使用高频磁环将高频特征信号注入试验电路中，在afdd线路中模拟时域和高频域电弧电流特征信号，对afdd进行动作特性测试。针对国标中规定的负载多样化的背景，进一步提出了一种结合高频注入法的电流还原系统。通过电流还原模块对多种故障电弧电流进行波形还原，并将电弧电流高频特征信号注入电流还原模块，实现多种故障电弧电流信号特征还原，可满足afdd不同试验负载下的动作特性测试，具体实施方法如下：利用信号发生器产生6-14mhz的高频信号，并通过功率放大器进行功率放大。该信号作为电弧电流高频特征量。高频磁环绕上线圈数匝，并将线圈首尾两端连接经过功率放大的高频信号。将含有afdd的线路穿过高频磁环圆心，通过高频磁环将含有afdd的线路与信号发生器进行耦合，根据电磁感应原理，信号发生器产生的高频信号通过磁环注入到含有afdd的线路中。为此，达到检测afdd动作特性的测试效果。
35.由于基于双向晶闸管与电阻串联支路模拟电弧电流的零休现象波形单一，但国标gb/t 31143里规定了多种afdd测试负载，因此设计了结合高频耦合的电流还原系统，该系统由上位机平台、高速数据采集卡、电流还原装置和高频信号发生器组成。上位机平台依据典型故障电弧电流波形数据库进行波形输出，可以依据试验项目进行信号类别、幅值大小、时间长度等选择。高速数据采集卡实现数模转换并输出功能。电流还原模块对高速数据采集卡输出的信号进行电流功率放大，实现输出电流与给定电流信号1：1输出。电流还原流程图如图3所示。高频信号发生器用于产生故障电弧电流高频信号，并利用高频磁环将高频信号注入电流还原模块中，模拟电路中的故障电弧电流特征。实现了多种故障电弧电流还原，该电流可用于afdd动作特性测试。