CN106199396A - 在线剩余电流断路器动态特性检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置及其检测方法，主要包括显示设备、输入设备、双微处理器、双数模电压转换器、接线保护电路。装置采用ARM与单片机双核组合方式，实现检测信号产生、检测过程、检测结果处理的智能化；采用双数模电压转换器级联方法，简化了产生各种不同值正弦波信号的方法；在装置对输出剩余电流信号实行反馈调制，提高了检测的准确度。装置可以安全、短时、自动和在线进行剩余电流断路器动态特性的检测，解决了检测工作的瓶颈问题‑‑拆卸工作量大，使电业部门对剩余电流断路器进行周期性检定工作变为可行，提高了低压配电线路的安全性。另外，装置的使用还能避免因检测工作停电给用户带来的不便。

Description

在线剩余电流断路器动态特性检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及低压电器的检测领域，尤其涉及一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置及其检测方法。

背景技术

剩余电流断路器，又称剩余电流断路保护器，应用于低压电网及电气设备之中，是防止电气设备绝缘损坏漏电而导致人身意外触电伤亡、设备烧毁及火灾事故等最基本和最重要的措施之一。我国的剩余电流断路器是从70年代中期开始发展，并首先在农村低压电网中推广应用的，经过80年代到90年代的不断完善和发展已形成一个品种完善、规格齐全，符合IEC国际标准的剩余电流断路器（或保护器）的产品系列。在低压电网的安全保护中，尤其是农村低压电网的安全保护中发挥了重要的作用。对于重要的公共建筑, 防火规范中要求设置漏电火灾报警***, 但对于像住宅类建筑这样没有专业电工检修、维护的工程, 设置剩余电流保护装置就显得尤为重要。早在1999年6月起实施的国家建设标准《住宅设计规范》中就已提出每栋住宅的总电源进线断路器应具有漏电保护功能除空调电源插座外, 其它电源插座电路应设置漏电保护装置。随着经济的发展，居民的用电量不断提高，经济发达地区的每户居民用电量已提高到10kW以上，因此额定电流50～63A以上的剩余电流断路器（或保护器）的需要量也在大幅度上升。另外，在机关、学校、商场、剧场、体育馆、 宾馆、石油化工、钢铁企业等场所的供电设备里，都设有剩余电流断路器（或保护器）及保护装置。据不完全统计，我国使用剩余电流保护装置（包括断路器）达到1.5亿台。

近三十年来, 随着电子技术的发展, 高灵敏度、快速动作型剩余电流断路器及保护装置获得了极大的发展。德国、法国、英国、美国、日本等国乃至国际电工委员会都先后建立和修订了剩余电流保护装置的产品标准及其关联标准和法规。在我国，国家先后制订了多部剩余电流断路（保护）器的标准，如《剩余电流动作保护器( GB6829-1995)》标准, 《剩余电流动作保护装置安装和运行（GB13955-2005）》，《剩余电流动作保护电器的一般要求(GB/Z 6829-2008)》，《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作保护电器（GB16917.1-2014）》。随着技术的进步，剩余电流产品的相关标准进行了多次修订，但对于剩余电流保护装置在使用和管理等环节缺乏准确的、规范化的检测手段，一般用试跳的直观评估，来代替剩余电流动作特性的检测。

试跳方法如图1所示，将剩余电流断路器(25)保护的标定电流，输入断路器的输入输出ABCN（三相线和零线）的任意同一根线的两端，如果剩余电流传感器（27）检测到达到（或超过）保护值的剩余电流，经过放大器驱动脱扣器（28），剩余电流断路器保护触点（26）自动断开，判定此断路器（25）剩余电流断路器具有保护功能，检测通过；如果断路器保护触点（26）不能自动断开，判定此断路器（25）已经不能使用。这种方法尽管操作简单，但不能全面的鉴定剩余电流断路器的保护性能：①不能检定出剩余电流保护值；②由于检测量是交流电流，且接入时间的随机性，剩余电流断路器动作时间无法准确确定。因此，在所保护配电线路上，经常有安全剩余电流值高于剩余电流断路器设定值的现象，出现断路器误动作；还会有跳闸间隔时间太长，起不到对人畜触电和接地故障安全保护作用。

另外，由于工作线路上的剩余电流值，随环境、气候（季节）变化和使用负载变化而变化，在线路上的起保护作用断路器的剩余电流设定值，也要随之做出调整；又剩余电流断路器中的电子元器件参数，也随使用环境温度变化等因素而发生变化，因此，断路器的工作特性也会发生变化。而定期对剩余电流断路器动作特性检定，将成为剩余电流断路器可靠运行管理工作的主要任务。到目前为止，如果要检测剩余电流断路器的动态特性，只有将剩余电流断路器从线路拆卸下来，接到试验室的测试台上，进行手动加载剩余电流值及其运行时间的动态测试。由于拆卸、检定、安装剩余电流断路器需要较长的时间，检测效率低，不仅要耗费大量人力物力，还会造成停电给用户带来不便。因此，供电部门定期对剩余电流断路器的动态特性检测的工作，一直未能进行展开，从而给用电安全带来极大隐患，迫切需要对剩余电流断路器在线动态特性进行周期性的检定。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，该检测装置通过设置检测范围和检测点间距等工作参数，在不停电的情况下，对剩余电流断路器的工作动态特性（剩余电流保护值和动作时间）进行在线检测。

本发明的在线剩余电流断路器动态特性检测装置，主要包括显示设备、输入设备、ARM处理器、单片机、外部数模电压转换器、滤波电路、电压控制电流电路、继电器组、输出设备、采样保持、接线保护电路和剩余电流断路器动态装置地线。本检测装置通过ARM处理器与单片机双核组合方式，实现检测信号的产生、检测过程、检测结果的处理智能化；从而达到对在线剩余电流断路器动态特性检测的目的。

进一步的，显示设备，与ARM相连，用于人机信息交互；输入设备，与ARM相连，用于输入相应的指令；ARM处理器，接收运行指令、运行设置的程序、输出程序运行结果；单片机，与ARM相连，接收ARM处理器输出的运行波形生成程序指令，并将结果数值输入外部数模电压转换器；外部数模电压转换器，与单片机和ARM相连接，根据接收到的单片机数据和ARM输入参考电压，产生正弦波电压；滤波电路，与外部数模电压转换器相连，平滑输入的电压波形；电压控制电流电路，与滤波电路输出相连，并用输入的电压控制输出的电流；继电器组，控制在电压控制电流电路和待检测物之间接通与断开，接线正常时，将电流输入被检测物，作为剩余电流检测样本；接线异常时，切断它们之间通路；输出设备，与ARM处理器相连，输出ARM处理器程序运行结果；采样保持，从设置在电压控制电流电路与继电器组之间的输出电流检测点，将采集剩余电流检测样本的数据导入ARM处理器，实现反馈控制；接线保护电路，设置在继电器组与被检物之间，通过检测接线的电压判断接线正确性，控制继电器组状态；剩余电流断路器动态装置地线，与继电器组一线相连。

优选的，本发明的在线剩余电流断路器动态特性检测装置还包括GPRS无线通信模块与所述ARM处理器相连，传输检测结果。

优选的，所述ARM处理器包括ARMCPU, ARM内部总线，ARM内部计时器，ARM内部数模电压转换器；ARMCPU通过ARM内部总线与其他部件相连， ARM内部总线通过多个ARMTO输入输出口分别与所述显示设备和输入设备相连，通过ARMSPT1输入输出口与所述输出设备相连，ARM内部总线还连接有ARM内部计时器；ARM内部总线通过ARM内部数模电压转换器与外部数模电压转换器相连，通过ARMUSART1输入输出口与单片机相连，通过ARM内部模数转换器接收采样保持所采集到的数据，实现反馈控制。所述ARM内部总线一端通过ARMUSART2输入输出口与所述GPRS无线通信模块相连。本发明采用双数模电压转换器级联方法，简化了产生各种不同值正弦波信号的方法；同时对输出剩余电流信号实行反馈调制，提高了检测的准确度。

优选的，所述显示设备为显示屏；所述输入设备为键盘；所述输出设备为打印机。

本发明的另一方面，提供一种利用所述的检测装置执行的检测方法，对在线剩余电流断路器动态特性进行自动检测。所述检测方法包括以下步骤：

a）检测装置通电，检测装置复位，运行准备程序，提示输入被检测剩余电流断路器的信息、检测条件参数及输出检测结果的方式；

b）提示进行检测接线；

c）检测接线对错，接线错误，提示接线错误信息，返回步骤c）；接线正确，进行下一步操作；

d）保护继电器接通检测装置，根据操作a）中输入的检测条件参数，计算检测点，运行检测程序；

e）在装置设置所输出剩余电流样本反馈检测，动态修正输出剩余电流样本，提高输出样本的准确性。

f）当输出剩余电流样本检测值没有达到剩余电流断路器保护值时，主保护触点导通，持续设定时间后，输入下一个输出剩余电流样本，重复上述步骤；当输出剩余电流样本达到被检测剩余电流断路器所设定剩余电流保护值和超过其不动作时间时，剩余电流断路器主回路切断电路，ARM检测到断路信号，将上述步骤检测到的输入电流和相应的反应时间存入存储器；

f）当输出剩余电流样本值没有达到剩余电流断路器保护值时，主保护触点导通，持续设定时间后，输入下一个输出剩余电流样本，重复上述步骤；当输出剩余电流样本达到剩余电流断路器所设定剩余电流保护值，并超过其不动作时间时，剩余电流断路器主回路切断电路，ARM检测到断路信号，并将此时检测到的输入电流和相应的持续时间，存入存储器；

g）检测结束，根据步骤a）的输入信息和上一步检测到的数值通过设定方式输出。

本发明的有益效果是：

（1）本发明解决了检测工作中的瓶颈问题-拆卸工作量大的问题，不需要将剩余电流断路器拆卸下来，采用在线检测方法，减轻了低压配电维修管理人员的劳动强度，提高了工作效率，使电业部门对剩余电流断路器进行周期性检定工作变为可行；（2）在不停电的情况下，短时间在线检测，避免因检测工作造成的台区停电，给用户带来的不便，提高了电业部门供电质量的水平；（3）准确的检测剩余电流保护值和断路动作时间，可以及时消除电路隐患，可靠提高了低压线路保护的安全性；（4）由于本装置具有的使用方法简便、操作安全以及检测过程时间短等特点，电业部门增加将对低压配电线路中的安全关键设备（剩余电流断路器）所用的“试跳”粗放管理方式，转变为对剩余电流断路器周期性检测工作的“精业”管理方式的可行性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术中剩余电流断路器试跳方法示意图；

图2是本发明的在线剩余电流断路器动态特性检测装置结构图；

图3是本发明的检测过程结果输出图示例；

图4是本发明的ARM与单片机工作流程图。

其中，1、显示屏，2、键盘，3、微型打印机，4、GPRS无线通信模块，5、ARMI0 0~7输入输出口，6、ARMI0 8~15输入输出口，7、ARMSPI1输入输出口，8、ARM内部计时器，9、ARMUSART2输入输出口，10、ARMCPU，11、ARM处理器，12、ARM内部数模电压转换器，13、ARMUSART1输入输出口，14、ARM内部模数转换器，15、ARM内部总线，16、单片机，17、采样保持，18、剩余电流断路器动态装置地线，19、外部数模电压转换器，20、滤波电路，21、电压控制电流电路，22、输出电流检测点，23、接线保护电路，24、继电器组，25、剩余电流断路器，26、主保护触点，27、剩余电流传感器，28、脱扣器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明。

如图2所示本发明的在线剩余电流断路器动态特性检测装置，包括显示屏（1）、键盘（2）、微型打印机（3）、GPRS无线通信模块（4）、ARM处理器（11）、单片机（16）、外部数模电压转换器（19）、滤波电路（20）、电压控制电流电路（21）、继电器组（24）、采样保持（17）、接线保护电路（23）和剩余电流断路器动态装置地线（18）。

其中，所述ARM处理器（11）包括ARMI0 0~7输入输出口（5），ARMI0 8~15输入输出口（6），ARMSPI1输入输出口（7），ARM内部计时器（8），ARMUSART2输入输出口（9），ARMCPU（10），ARM内部数模电压转换器（12），ARMUSART1输入输出口（13），ARM内部模数转换器（14），ARM内部总线（15）。通过ARM内部总线（15）将（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（12）、（13）、（14）与ARMCPU（10）连接；另外，ARMTO 0~7输入输出口（5）与显示屏（1）数据输入端相连，ARMTO 8~15输入输出口（6）和键盘（2）数据口相连；ARMSPT1输入输出口（7）与微型打印机（3）数据输入口相连；ARMUSART2输入输出口（9）还与GPRS无线通信模块（4）数据输入输出口相连接；ARM内部数模电压转换器（12）模拟输出端与外部数模电压转换器（19）参考电压端相连；ARMUSART1输入输出口（13）与单片机（16）输入输出口相连；ARM内部模数转换器（14）数据输入接收采样保持（17）。单片机（16）输出口与外部数模电压转换器（19）数据输入端相连；外部数模电压转换器（19）模拟输出端与滤波电路（20）相连；滤波器与电压控制电流电路（21）电压输入端相连；电压控制电流电路（21）电流输出端与继电器组（24）一输入触点端相连；在电压控制电流电路（21）输出端和继电器组触点（24）之间设置有输出电流检测点（22），输出电流检测点（22）与采样保持（17）相连；ARM处理器（11）通过采样保持（17）获取输出电流检测点（22）检测到的数据；被检测物和继电器组（24）之间的线路与接线保护电路（23）输入端相连；接线保护电路（23）输出端与ARM处理器（11）的一个数据位口线路相连；继电器组（24）控制线圈输入端与接线保护电路（23）输出端相连；继电器组（24）另一输入端接剩余电流断路器动态装置地线（18），继电器组（24）的输出分别接所检测剩余电流断路器（25）任意一相线的输入输出端。

所述检测装置通过继电器组（24）输出端，向剩余电流断路器（25）提供剩余电流信号的样本，进行动态特性检测。

图4是本发明的ARM处理器与单片机工作流程图。根据图2和图4所示，本发明的工作原理和检测方法是：

1、检测装置通电，ARM处理器（11）与单片机（16）复位。ARMCPU（10）运行准备程序，通过显示屏（1）向使用者提示输入被检测剩余电流断路器（25）的信息，如输入台区、线路、设备编号等，使用者通过键盘（2），进行输入；再向使用者提示选择输入检测速度，如剩余电流断路器保护量程mA（H），相邻两次检测值的增量mA（n）。检测H最大值：100到999的整数为有效数字；每一次增量：1到10为有效数字。再向使用者提示是否需要远程传输（Y/N），使用者通过键盘（2），进行输入。如选择需要（Y），输入传输地址；是否需要打印（Y/N），使用者通过键盘（2），进行输入。

2、在完成上述步骤后，通过显示屏（1）向使用者提示可以进行检测接线（在开机时，继电器组（24）触点断开的），装置的所用检测接线，与装置相连端采用接插方法，接处于在线状态剩余电流断路器端采用鱼嘴夹，接线带电体与使用人之间用绝缘体进行保护。装置的两根检测被检测体接线方法是，一根接被检测体的进线端，一根接被检测体的出线端，但必须是同一相线，AA、BB、CC、NN均可以。如果接错，如连接AB，接线保护电路（23）检测端，检测到380V或220V电压，接线保护电路（23)依然断开继电器组（24）触点，避免外部电压烧坏检测装置。与此同时，接线保护电路（23）向ARM处理器（11）传输信息接错信号，检测装置显示屏（1）提示接线错误信息。

3、在接线正确情况下， ARM CPU（10）运行检测程序。ARMCPU（10）根据输入剩余电流保护的量程和相邻两次检测值的增量，进行计算。如剩余电流断路器保护的量程为1000mA，相邻两次检测值的增量10mA，检测点数为1000/10=100个，分别为10,20,30，…100…，200…1000mA；又如剩余电流断路器保护量程100mA，相邻两次检测值的增量5mA，检测点为k=100/5=20个，分别为5,10,15…95,100。ARM CPU（10）依次向ARM内部数模电压转换器（12）输入每个检测点的数值，该数值12位二进制数字，最大值为212=4096。ARM内部数模电压转换器（12）将数字信号转换模拟电压，如果ARM处理器（11）电源电压为U，检测电流整定值为a，输出模拟电压为 。此输出电压被传输到外部数模电压转换器（19）的参考电压端，作为外部数模电压转换器（19）的参考电压；在设定外部数模电压转换器（19）的参考电压的同时，ARM内部计时器（8）计时，根据剩余电流断路器的设定要求，当剩余电流达到设定值20ms以内，剩余电流断路器（25）切断电路这项指标，每一个检测点施加剩余电流时间20ms。

4、在ARM内部计时器（8）计时的同时，ARM处理器（11）通过ARMUSART1输入输出口（13）向单片机（16）输出运行波形生成程序指令。单片机（16）内程序写有64点正弦波的数值，即k*360°/64,如5.625°，11.25°,…348.75°，354.375°等角度的正弦值L，即0.0980，0.195,…-0.195，-0.0980；单片机（16）将这些的数值的二进制数依次输入外部数模电压转换器（19）, 每个值输出时间长度0.3125ms。外部数模电压转换器（19）依据输入值和其参考电压，进行（a为检测电流整定值）乘法运算，在20ms内，产生阶梯型的、周期为50Hz正弦波的电压。这个电压通过滤波电路（20），得到类似正弦波模拟的电压。该电压被输入电压控制电流电路（21）的控制电压端，电压控制电流电路（21）电压依据的关系式，输出所需要大小正弦波电流。该电流通过继电器组（24）输入到被检测剩余电流断路器（25），作为剩余电流检测样本电流。在没有达到剩余电流断路器（25）保护值时，剩余电流断路器主保护触点（26）是导通。在输出电流检测点（22），可以检测到输入检测样本电流正常。在持续20ms后，如原ARM内部数模电压转换器（12）电压是，再输入（n为相邻两次检测增量）的电压，单片机（16）再运行波形生成程序，就这样不断增加，直至剩余电流断路器（25）跳闸；在输出电流检测点（22），可以检测到输入检测样本电流无输出。此时的输出电流就是剩余电流断路器（25）实际保护电流。ARM处理器（11）将该值和相应反应时间，存入存储器，作为动态特性的输出参数.

5、另外，输出电流检测点（22）还是检测输出的电流，与采样保持（17）、ARM内部模数转换器（14）、ARMCPU（10）、ARM内部数模电压转换器(12)、外部数模电压转换器（19）、滤波电路(20)、电压控制电流电路(21)过程闭环控制电路，可以精确控制。如果在设定输出电流整定值I，其对应ARM输出电压为，当单片机（16）输出正弦波角度值，设定输出电流应为。输出电流检测点（22）检测到的信号i’传输到采样保持（17）上， ARM内部模数转换器（14）将信号进行量化。ARMCPU（10）运行计算程序：，如果， ARM内部数模电压转换器（12）输入值保持不变，如果，， ARM内部数模电压转换器（12）输入值为；如果，， ARM内部数模电压转换器（12）输入值为，其中H为剩余电流断路器保护的量程，，n为相邻两次检测值的增量。

6、检测结束，根据初始设置，可以将台区、线路、剩余电流断路器编号、剩余电流断路器实际保护值、在实际保护值上的反应时间等信息，通过GPRS无线通信模块（4）传输到用电管理部门的数据库里，还可以通过装置内微型打印机（3），将信息打印用于粘贴在检测设备的不干胶上。

图3是本发明的检测过程结果输出图示例。以剩余电流断路器保护的量程为100mA，相邻两次检测值的间隔10mA为例，如图所示，剩余电流保护实际值80mA，反应时间为9ms。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，包括，

显示设备，与ARM相连，用于人机信息交互；

输入设备，与ARM相连，用于输入相应的指令；

ARM处理器，接收运行指令、运行设置的程序、输出程序运行结果；

单片机，与ARM相连，接收ARM处理器输出的运行波形生成程序指令，并将结果数值输入外部数模电压转换器；

外部数模电压转换器，与单片机和ARM处理器相连接，根据接收到的单片机数据和ARM输入参考电压，产生正弦波电压；

滤波电路，与外部数模电压转换器相连，平滑输入的电压波形；

电压控制电流电路，与滤波电路输出相连，并用输入的电压控制输出的电流；

继电器组，控制在电压控制电流电路和待检测物之间接通与断开；

输出设备，与ARM处理器相连，输出ARM处理器程序运行结果；

采样保持，从设置在电压控制电流电路与继电器组之间的输出电流检测点，将采集剩余电流检测样本的数据导入ARM处理器，实现反馈控制；

接线保护电路，设置在继电器组与被检物之间，检测错误接线的电压，控制继电器的状态；

剩余电流断路器动态装置地线，与继电器组一线相连。

2.根据权利要求1所述的一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，其特征在于：所述的继电器组，在接线正常时，将电流输入被检测剩余电流断路器，作为剩余电流检测样本；在接线异常时，切断它们之间通路。

3.根据权利要求1所述的一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，其特征在于：还包括GPRS无线通信模块与所述ARM处理器相连。

4.根据权利要求3所述的一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，其特征在于：所述ARM处理器包括ARMCPU，ARM内部总线，ARM内部计时器，ARM内部数模电压转换器；所述ARMCPU通过 ARM内部总线与其他部件相连，ARM内部总线通过多个ARMTO输入输出口分别与所述显示设备和输入设备相连，ARM内部总线通过ARMSPT1输入输出口与所述输出设备相连，ARM内部总线还连接有ARM内部计时器；ARM内部总线通过ARM内部数模电压转换器与外部数模电压转换器相连，通过ARMUSART1输入输出口与单片机相连，通过ARM内部模数转换器接收采样保持所采集到的数据。

5.根据权利要求4所述的一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，其特征在于：所述ARM内部总线通过ARMUSART2输入输出口与所述GPRS无线通信模块相连。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，其特征在于：所述输入设备是键盘。

7.根据权利要求6所述的一种在线剩余电流断路器动态特性检测装置，其特征在于：所述输出设备是打印机。

8.一种由前述任意一项所述的检测装置执行的检测方法，其特征在于：对在线剩余电流断路器动态特性进行检测。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：所述检测方法包括以下步骤，

a）检测装置通电，检测装置复位，运行准备程序，提示输入被检测剩余电流断路器的信息、检测条件参数及输出检测结果的方式；

b）提示进行检测接线；

c）检测接线对错，接线错误，提示接线错误信息，返回步骤c）；接线正确，进行下一步操作；

d）保护继电器接通检测装置，根据操作a）中输入的检测条件参数，计算检测点，运行检测程序；

e）在装置设置所输出剩余电流样本反馈检测，动态修正输出剩余电流样本，提高输出样本的准确性；

f）当输出剩余电流样本值没有达到剩余电流断路器保护值时，主保护触点导通，持续设定时间后，输入下一个输出剩余电流样本，重复上述步骤；当输出剩余电流样本达到剩余电流断路器所设定剩余电流保护值，并超过其不动作时间时，剩余电流断路器主回路切断电路，ARM检测到断路信号，并将此时检测到的输入电流和相应的持续时间，存入存储器；

g）检测结束，根据步骤a）的输入信息，将剩余电流断路器信息和上一步检测到的数值通过设定方式输出。