一种F型漏电断路器测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种F型漏电断路器测试装置及测试方法，属于低压电器智能检测仪器的领域。

背景技术

在低压电器领域，国家标准GB/T 22794-2017《家用和类似用途的不带和带过电流保护的F型和B型剩余电流动作断路器》中提及一种F型剩余电流动作断路器，用于变频器由相线和中性线或者相线和接地的中间导体供电的电气装置，能对额定频率交流正弦剩余电流、脉动直流剩余电流和可能产生的复合剩余电流提供保护。标准中对F型断路器动作特性试验做了以下条目要求：(1)在复合剩余电流稳定增加时正确动作；(2)突然施加复合剩余电流时正确动作；(3)四极F型断路器在仅对两极供电情况下出现剩余电流的正确动作；(4)在3000A浪涌电流下的性能(8/20us浪涌电流试验)；(5)在涌入剩余电流(单个50Hz或60Hz正弦半波)下的性能；(6)脉动直流剩余电流(连续50Hz或60Hz正弦半波)叠加10mA平滑直流电流时的正确动作。

目前，针对漏电保护断路器动作特性测试装置有AC型、A型和B型，功能最全的装置为B型测试装置。专利CN201510334792公开了一种多输出电源，能产生复合剩余电流、脉动直流剩余电流以及叠加的平滑直流，使用该电源并辅以简单外围逻辑控制回路，能实现上述F型漏电断路器测试条目第(1)(2)(3)(6)条。专利CN204287413U公开了一种B型剩余电流保护断路器测试装置，其描述的交流剩余电流叠加平滑直流剩余电流试验模式，能实现上述F型漏电断路器测试条目第(6)条。可以看出，目前测试功能最全的B型测试装置也不能完成上述F型漏电断路器测试条目第(4)(5)条。因此，尚未有一种能覆盖F型漏电断路器测试条目的测试装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术中尚未有一种能覆盖F型漏电断路器测试条目的测试装置。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种F型漏电断路器测试装置，其特征在于：包括控制器、上位机、波形生成及电流检测单元、电流输出单元、浪涌电流发生单元和试验端口；

所述上位机与控制器的通信端口一连接进行双向通信，上位机用于设置测试参数并将测试参数发送给控制器，控制器将测试数据发送至上位机实时显示；

所述控制器通过通信端口二及模拟输出端口与波形生成及电流检测单元连接，控制器将从上位机接收的波形信息通过通信端口二发送给波形生成及电流检测单元，波形生成及电流检测单元根据波形信息生成基础波形信号经信号处理后再与控制器的模拟输出端口输出的模拟信号进行信号运算，得到试验所需幅度大小的模拟信号；

电流输出单元的输入端与波形生成及电流检测单元的输出端连接，波形生成及电流检测单元将模拟信号输出至电流输出单元，电流输出单元对模拟信号进行功率放大后输出漏电电流至试验端口；同时，电流输出单元对漏电电流进行采样，输出反馈信号至波形生成及电流检测单元进行电流检测，用于被试品测试状态及测试数据处理；

控制器通过数字输出端口一与浪涌电流发生单元的输入端连接，通过输出数字信号控制浪涌电流发生单元中的开关，使浪涌电流发生单元进行充电与放电，产生浪涌电流，输出至试验端口；

控制器通过数字输出端口二与试验端口的输入端连接，通过输出数字信号二控制试验端口使最终输出至被试品的试验电流选择为漏电电流或浪涌电流，试验端口输出的电流作为最终的试验电流，输出至被试品。

优选地，所述基础波形信号包括复合波形信号、单个50Hz或60Hz正弦半波信号或脉动直流剩余电流叠加直流波形信号。

优选地，所述波形生成及电流检测单元包含带数字/模拟信号转换及模拟/数字信号转换功能的单片机、减法电路、乘法电路、加法电路、比例运算电路一、比例运算电路二、隔离电路一和隔离电路二；

所述单片机的通信端口与控制器的通信端口二连接，用于获取波形信息；单片机的数字/模拟信号转换端口输出波形信号一，波形信号一经过减法电路与一个偏置电压相减后输出波形信号二，波形信号二在乘法电路中与控制器模拟输出端口输出的模拟信号进行信号运算后输出波形信号三，波形信号三经过比例运算电路一后输出波形信号四，波形信号四经过隔离电路一后输出波形信号五，所述波形信号五即为试验所需幅度大小的模拟信号；

所述反馈信号经过隔离电路二后输出反馈信号一，反馈信号一经过比例运算电路二后输出反馈信号二，反馈信号二经过加法电路与一个偏置电压相加后输出反馈信号三，反馈信号三输入到单片机的模拟/数字信号转换端口，单片机根据反馈信号三进行计算得到漏电电流值，同时根据反馈信号三出现和消失的时间计算得到被试品脱扣时间。

优选地，所述电流输出单元包含功率运算放大器和负载电阻，功率运算放大器为正负双电源供电，设计为电压跟随形式，功率运算放大器的输入信号即为所述波形信号五，功率运算放大器的输出信号加载至负载电阻，以产生所需漏电电流；负载电阻两端的电压即为所述反馈信号。

优选地，所述浪涌电流发生单元包含控制开关S1、高压电源、充电回路及放电回路，所述充电回路包括电阻R1和电容C1，放电回路包括电容C1、电阻R2、电阻R3和电感L1，所述控制器的数字输出端口一分别连接高压电源和控制开关S1的控制端，高压电源的正极通过电阻R1分别连接电容C1的一端、电阻R3的一端和控制开关S1的一端，控制开关S1的另一端通过电阻R2连接电感L1的一端，电感L1的另一端、电阻R3的另一端、电容C1的另一端连接高压电源的负极。

优选地，所述试验端口包含转换开关，转换开关的两个转换端分别连接电流输出单元的输出端和浪涌电流发生单元的输出端，接入漏电电流和浪涌电流，控制器输出数字信号二控制试验端口中的转换开关，使最终输出的试验电流可以根据不同的试验，在漏电电流与浪涌电流两者之间选择其一。

本发明的另一个技术方案是提供了一种F型漏电断路器测试方法，应用如上所述的一种F型漏电断路器测试装置，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、在上位机输入测试参数，所述测试参数包括测试模式和测试电流，上位机将设置好的测试参数发送给控制器；

步骤2、控制器判断测试模式：如进行在复合剩余电流稳定增加时正确动作测试或四极F型断路器在仅对两极供电情况下出现剩余电流的正确动作测试，则进入步骤3；如进行突然施加复合剩余电流时正确动作测试，则进入步骤4；如进行在3000A浪涌电流下的性能测试，则进入步骤5；如进行在涌入剩余电流下的性能测试，则进入步骤6；如进行脉动直流剩余电流叠加10mA平滑直流电流时的正确动作测试，则进入步骤7；

步骤3、控制器通过数字信号二控制试验端口切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元产生复合波形信号，控制器模拟输出端口输出的模拟信号从0V开始缓慢上升，以使漏电电流缓慢上升，直至被试品开关脱扣分断，控制器记录被试品开关脱扣分断时的电流大小，并在上位机显示电流值；

步骤4、控制器通过数字信号二控制试验端口切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元产生复合波形信号，控制器根据输入的测试电流值进行计算，在模拟输出端口输出一个相应的固定幅值的模拟信号，以使漏电电流瞬间上升到设置的测试电流值，使被试品开关脱扣分断，控制器记录被试品开关从施加漏电电流开始至完全分断所用时间，并在上位机显示时间值；

步骤5、控制器通过数字信号二控制试验端口切换为浪涌电流，控制器输出数字信号控制浪涌电流发生单元中的高压电源得电，充电回路工作，控制器计时30s，然后控制器输出数字信号控制浪涌电流发生单元中的放电回路接通放电，输出浪涌电流，由测试人员自行观察被试品是否脱扣分断；

步骤6、控制器通过数字信号二控制试验端口切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元产生单个50Hz或60Hz正弦半波信号，控制器根据输入的测试电流值进行计算，在模拟输出端口输出一个相应的固定幅值的模拟信号，以使漏电电流瞬间上升到设置的测试电流值，由测试人员自行观察被试品是否脱扣分断；

步骤7、控制器通过数字信号二控制试验端口切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元产生脉动直流剩余电流叠加直流波形信号，控制器模拟输出端口输出的模拟信号从0V开始缓慢上升，以使漏电电流缓慢上升，直至被试品开关脱扣分断，控制器记录被试品开关脱扣分断时的电流大小，并在上位机显示电流值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的F型漏电断路器测试装置及测试方法，用于F型漏电断路器动作特性测试，通过上位机对测试模式和测试参数进行设置并发送给控制器，控制器通过对测试模式进行判断进入不同的测试步骤，对基础波形信号的生成和测试电流的选择进行控制，并通过设置反馈信号进行电流检测用于被试品测试状态及测试数据处理，进而控制覆盖GB/T22794-2017对F型漏电断路器测试条目第(1)至(6)条，填补了F型漏电断路器测试装置的空白。

附图说明

图1揭示了本发明F型漏电断路器测试装置结构框图；

图2揭示了本发明波形生成及电流检测单元电路结构示意图；

图3揭示了本发明电流输出单元电路结构示意图；

图4揭示了本发明浪涌电流发生单元电路结构示意图；

图5揭示了本发明试验端口结构示意图；

图6揭示了本发明F型漏电断路器测试方法流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

参考图1所示，图1揭示了根据本发明F型漏电断路器测试装置结构框图，包括控制器101、上位机102、波形生成及电流检测单元103、电流输出单元104、浪涌电流发生单元105、试验端口106。其中：控制器101通过通信端口一107与上位机102连接，进行双向通信信号112传递，测试人员在上位机102进行测试参数的设置，由上位机102将测试参数发送给控制器101，控制器101将测试过程中需要显示的数据发送给上位机102，在上位机102进行实时显示。

控制器101通过通信端口二109及模拟输出端口108与波形生成及电流检测单元103连接，进行双向通信信号114及模拟信号113传递。控制器101将从上位机102接收的波形信息通过通信端口二109发送给波形生成及电流检测单元103，波形生成及电流检测单元103根据波形信息生成相关基础波形，包括复合波形、单个50Hz或60Hz正弦半波或脉动直流剩余电流叠加直流波形，在波形生成及电流检测单元103中，基础波形经信号处理后再与控制器模拟端口108输出的0～5V模拟信号113进行信号运算，得到试验所需幅度大小的信号。

波形生成及电流检测单元103输出端与电流输出单元104连接，波形生成及电流检测单元103将模拟信号115输出至电流输出单元104，在电流输出单元104中，对信号进行功率放大，输出漏电电流117至试验端口106。同时，电流输出单元104对漏电电流117进行采样，输出以电压信号形式的反馈信号116至波形生成及电流检测单元103，进行电流检测，用于被试品测试状态及测试数据处理。

控制器101通过数字输出端口一110与浪涌电流发生单元105连接，控制器101输出数字信号118-1及118-2控制浪涌电流发生单元105中的开关，使浪涌电流发生单元105进行充电与放电，产生浪涌电流119，输出至试验端口106。

控制器101通过数字输出端口二111与试验端口106连接，控制器101输出数字信号二120控制试验端口106中的转换开关，使最终输出至被试品的试验电流121选择为漏电电流117或浪涌电流119，试验端口106输出的电流作为最终的试验电流121，输出至被试品。

参考图2所示，图2揭示了根据本发明的一实施例的波形生成及电流检测单元103电路结构示意图。波形生成及电流检测单元包含带数字/模拟信号转换及模拟/数字信号转换功能的单片机、减法电路、乘法电路、加法电路、比例运算电路、隔离电路。单片机通过通信端口与控制器101通信，传递通信信号114，获取波形信息。单片机的数字/模拟信号转换端口输出波形信号一，波形信号一经过减法电路输出波形信号二，波形信号二在乘法电路中与控制器101模拟端口108输出的模拟信号113进行信号运算后输出波形信号三，波形信号三经过比例运算电路一后输出波形信号四，波形信号四经过隔离电路一后输出波形信号五即为模拟信号115；反馈信号116经过隔离电路二后输出反馈信号一，反馈信号一经过比例运算电路二后输出反馈信号二，反馈信号二经过加法电路后输出反馈信号三，反馈信号三输入到单片机的模拟/数字信号转换端口，单片机根据反馈信号三进行计算得到漏电电流值，同时可根据反馈信号三出现和消失的时间计算得到被试品脱扣时间。

进一步对波形生成及电流检测单元进行说明。单片机输出的波形信号一是一种正电压信号，而最终需要正负电压波形，因此，波形信号一需要经过减法电路与一个偏置电压相减后得到正负电压波形信号二，减法电路可由运算放大器和电阻实现；波形信号二是一个电压幅值固定的信号，无法最终实现漏电电流缓慢上升的测试要求，因此，波形信号二需要经过乘法电路与模拟信号113相乘后得到可变电压幅值波形信号三，模拟信号113由控制器101提供，其幅值可变，乘法电路可选择芯片AD633及相应外围电路实现；波形信号三的幅值达不到最终试验要求大小，因此，波形信号三需要经过比例运算电路一进行比例放大得到波形信号四，比例运算电路可由运算放大器和电阻实现；为保证波形生成及电流检测单元安全，需将波形生成及电流检测单元与试验回路隔离，因此，波形信号四经过隔离电路一后得到模拟信号115向后传递，隔离电路一是一种模拟信号隔离电路，可选择芯片AD210及相应外围电路实现。针对反馈信号116的处理，首先经过隔离电路二隔离得到反馈信号一，隔离电路二与隔离电路一实现方式一样；反馈信号一的幅值会超过单片机模拟/数字信号端口输入电压限制，因此，反馈信号一需要经过比例运算电路二进行比例缩小得到反馈信号二；比例运算电路可由运算放大器和电阻实现；反馈信号二是一种正负电压波形信号，而单片机模拟/数字信号端口只能输入正电压波形，因此，反馈信号二需要经过加法电路与一个偏置电压相加后得到正电压波形反馈信号三，加法电路可由运算放大器和电阻实现。

参考图3所示，图3揭示了根据本发明的一实施例的电流输出单元104电路结构示意图。电流输出单元104包含功率运算放大器和负载电阻R，功率运算放大器可选择芯片OPA549等。功率运算放大器为正负双电源(V+和V-)供电，设计为电压跟随形式，功率运算放大器的输入信号即为波形生成及电流检测单元103输出的模拟信号115，功率运算放大器的输出信号加载至负载电阻R，以产生所需漏电电流117。负载电阻R两端的电压作为反馈信号116反馈给波形生成及电流检测单元103。

参考图4所示，图4揭示了根据本发明的一实施例的浪涌电流发生单元105电路结构示意图。浪涌电流发生单元105包含控制开关S1、高压电源HV、充电回路及放电回路，充电回路由R1和C1构成，放电回路由C1、R2、R3和L1构成。控制器101的数字输出端口一110分别连接高压电源和控制开关S1的控制端，高压电源的正极通过电阻R1分别连接电容C1的一端、电阻R3的一端和控制开关S1的一端，控制开关S1的另一端通过电阻R2连接电感L1的一端，电感L1的另一端、电阻R3的另一端、电容C1的另一端连接高压电源的负极。控制器101输出数字信号118-1控制高压电源得电，充电回路工作，控制器101计时30s，然后控制器101输出数字信号118-2控制S1接通放电回路放电，输出浪涌电流119。浪涌电流发生单元内阻为2Ω，短路输出峰值电流为3000A，波形为8/20us衰减波。

为实现上述参数，一组可供选择的元器件参数如下：高压电源HV电压为±6kV，功率100W；电阻R1阻值200kΩ，功率200W；电容C1容值10uF，耐压6kV；S1选择水银继电器；电阻R2阻值2Ω，功率200W；电阻R3阻值10Ω，功率200W；电感L1值为10uH，采用截面2.5平方的铜线绕制。

参考图5所示，图5揭示了根据本发明的一实施例的试验端口106示意图。试验端口106包含转换开关，转换开关的两个转换端分别接入漏电电流117和浪涌电流119，控制器101输出数字信号二120控制试验端口106中的转换开关，使最终输出至被试品的试验电流121选择为漏电电流117或浪涌电流119，输出至被试品。

参考图6所示，图6揭示了根据本发明一种F型漏电断路器测试方法流程图。采用F型漏电断路器测试装置的测试方法如下：

步骤1、测试人员在上位机102输入测试参数，包括测试模式、测试电流，上位机102将测试人员设置的参数发送给控制器101。

步骤2、控制器101判断测试模式，如进行测试条目(1)或(3)，则进入步骤3；如进行测试条目(2)，则进入步骤4；如进行测试条目(4)，则进入步骤5；如进行测试条目(5)，则进入步骤6；如进行测试条目(6)，则进入步骤7。

步骤3、控制器101通过数字信号二120控制试验端口106切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元103产生复合波形信号，控制器101模拟端口108输出的模拟信号113从0V开始缓慢上升，以使漏电电流117缓慢上升，直至被试品开关脱扣分断，控制器101记录被试品开关脱扣分断时的电流大小，并在上位机102显示电流值。

步骤4、控制器101通过数字信号二120控制试验端口106切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元103产生复合波形信号，控制器101根据测试人员输入的测试电流值进行计算，在模拟端口108输出一个相应的固定幅值的模拟信号113，以使漏电电流117瞬间上升到测试人员设置电流值，使被试品开关脱扣分断，控制器101记录被试品开关从施加漏电电流开始至完全分断所用时间，并在上位机102显示时间值。

步骤5、控制器101通过数字信号二120控制试验端口106切换为浪涌电流，控制器101输出数字信号118-1控制浪涌电流发生单元105中的高压电源得电，充电回路工作，控制器计时30s，然后控制器101输出数字信号118-2控制浪涌电流发生单元105中的放电回路接通放电，输出浪涌电流119，由测试人员自行观察被试品是否脱扣分断。

步骤6、控制器101通过数字信号二120控制试验端口106切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元103产生单个50Hz或60Hz正弦半波信号，控制器101根据测试人员输入的测试电流值进行计算，在模拟端口108输出一个相应的固定幅值的模拟信号113，以使漏电电流117瞬间上升到测试人员设置电流值，由测试人员自行观察被试品是否脱扣分断。

步骤7、控制器101通过数字信号二120控制试验端口106切换为漏电电流，波形生成及电流检测单元103产生脉动直流剩余电流叠加直流波形信号，控制器101模拟端口108输出的模拟信号113从0V开始缓慢上升，以使漏电电流117缓慢上升，直至被试品开关脱扣分断，控制器101记录被试品开关脱扣分断时的电流大小，并在上位机102显示电流值。