一種基於恆流源的可控直流電弧發生裝置的製作方法
2023-09-22 14:48:35
本發明屬於電學檢測技術領域，具體涉及一種基於恆流源的可控直流電弧發生裝置。
背景技術：
滅弧噴口作為斷路器滅弧裝置中控制電弧，創造高速氣吹條件的核心部件，它在開斷短路電流中起著極為重要的作用。它不僅應具有優良的電氣性能、機械性能和耐化學腐蝕性能，而且隨著斷路器朝高電壓、大容量和小型化方向發展，斷路器斷口數減少，電弧能量增大，更應充分考慮噴口的耐電弧燒蝕能力。開斷電流越大，電弧燃燒越強烈，電弧熄滅的時間越長。電弧燃燒產生的熱量和氣體電離對高壓開關設備實現其功能和服役壽命有極大的危害。高壓開關用滅弧式噴口在高壓開關上的功能方面，要求噴口開斷的電流越來越大。隨著我國特高壓電網的建設，國家電網規模和輸送電能越來越多。我國電網的電量輸送能力和容納能力達到一個很大的規模，客觀上要求噴口開斷電流日趨提高，對噴口材料的耐燒蝕性能、開斷壽命提出更高的要求。
開斷電流的提高迫使本行業研究機構研究耐燒蝕性能更高的聚四氟乙烯材料，或者對現有的聚四氟乙烯(PTFE)採用表面改性、填充改性、共混改性的方法提高聚四氟乙烯材料的綜合性能，其中填充改性將成為噴口材料改性的一個重要趨勢。通過添加高性能填料，在聚四氟乙烯內部性能新的微觀結構，賦予其更高的性能。因此評判噴口材料的耐燒蝕性能以及研發噴口材料耐燒蝕試驗裝置已成為當務之急。
在斷路器燃弧過程中，噴口同時承受到強光和高溫的共同作用，為了判斷光和熱分別對噴口的燒蝕作用，傳統的方法是採用兩種試驗模擬光和熱對噴口的燒蝕：
①壓大電流弧光(18kV/550kA)，試驗後試樣不發熱，認為試樣主要承受電弧光的作用；
②小電流弧光(2kV/10mA)，試驗後試樣發熱，認為試樣主要承受電弧熱的作用。
斷路器內噴口材料燒蝕受開斷電壓、開斷電流、滅弧室內氣吹等的綜合作用，滅弧室內電弧對噴口材料的熱效應主要包括輻射散熱、對流散熱與傳導散熱，其中以熱輻射為主，熱輻射與氣流衝刷是造成噴口材料燒蝕的最主要因素。傳統的噴口材料耐燒蝕試驗方法不能同時模擬電弧光效應與熱效應的綜合結果，而且採用高壓大電流弧光試驗操作複雜，對試驗裝置要求高，因此設計出一套可以同時表徵電弧熱效應和光效應的試驗裝置來評判噴口材料的 性能有著極為重要的意義。
技術實現要素：
為解決噴口材料耐燒蝕試驗裝置的問題，本發明提供一種基於恆流源的可控直流電弧發生裝置，產生的可控直流電弧可以模擬斷路器噴口材料的耐燒蝕性能，檢測不同種材料的質量，操作簡單，經濟實用。
為了實現上述發明目的，本發明採取如下技術方案：
本發明提供一種基於恆流源的可控直流電弧發生裝置，所述裝置包括數據採集模塊、點火模塊、保護模塊、控制模塊、試驗臺和電源模塊；所述保護模塊與點火模塊連接，所述點火模塊和保護模塊分別與試驗臺連接，所述試驗臺通過數據採集模塊連接控制模塊，所述控制模塊通過電源模塊連接保護模塊。
所述控制模塊控制電源模塊產生可控電源；
所述電源模塊採用恆流源，所述恆流源產生電壓在0～1500V、電流在0～100A範圍內的可控電源，用於維持可控直流電弧穩定燃燒。
所述數據採集模塊採集試驗數據並傳輸給控制模塊，所述試驗數據包括試驗電流和試驗電壓。
所述點火模塊包括高壓發生器和引弧線圈；
所述高壓發生器由變壓器與電容振蕩構成，其產生瞬間的高頻過高壓，引弧線圈將該高頻過電壓引入試驗臺中的靜電極，擊穿間隙，產生直流電弧。
所述試驗臺包括高壓引線、低壓引線、卡盤、伺服電機、動電極、靜電極和氣泵；所述卡盤包括內卡盤和外卡盤；
所述高壓引線和低壓引線分別連接靜電極和動電極，所述內卡盤夾持動電極和靜電極，外卡盤夾持噴口材料，所述伺服電機控制動電極移動，使動電極保持燃弧距離，所述動電極和靜電極均採用鎢碳合金，所述靜電極為中空管狀，其連接氣泵吹入壓力可調的氣流。
所述控制模塊包括PLC和計算機；
所述PLC採用松下FPX0-L40R可編程控制器。
所述PLC控制恆流源的接入，並對點火模塊和過電壓保護模塊進行控制，使點火模塊產生瞬間高頻過電壓，擊穿間隙進而產生可控直流電弧，並使過壓保護模塊啟動過電壓保護功能。
所述計算機設定試驗參數，所述試驗參數包括電弧電流、電弧電壓、燃弧距離、燃弧時 間和氣流壓力；
所述計算機同時接收所述數據採集模塊採集的試驗數據，並根據實驗數據繪製電弧電壓曲線。
所述保護模塊包括過電壓保護模塊和啟動保護模塊；
所述過電壓保護模塊由高頻電容與電感串並聯構成，避免點火模塊產生的高頻電壓對恆流源造成衝擊；
所述啟動保護模塊用於避免由誤操作對所述裝置造成的危害。
所述裝置用於檢測斷路器噴口材料的耐燒蝕性能，斷路器噴口材料採用PTFE，且其為外徑20mm、內徑10mm、高20mm的圓筒。
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
(1)本發明提供基於恆流源的可控直流電弧發生裝置，可以產生預設的電弧電壓、電流、燃弧距離、燃弧時間的電弧，較傳統的噴口試驗方法，同時表徵電弧的熱效應和光效應對噴口材料的影響；
(2)模擬斷路器內輻射散熱和氣吹滅弧對噴口材料燒蝕的作用，進一步分析噴口材料的耐燒蝕性能；
(3)以噴口材料經電弧燒蝕一次損失的質量作為評判噴口材料耐燒蝕性能的指標。
附圖說明
圖1是本發明實施例中基於恆流源的可控直流電弧發生裝置結構框圖；
圖2是本發明實施例中控制模塊流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
如圖1，本發明提供一種基於恆流源的可控直流電弧發生裝置，所述裝置包括數據採集模塊、點火模塊、保護模塊、控制模塊、試驗臺和電源模塊；所述保護模塊與點火模塊連接，所述點火模塊和保護模塊分別與試驗臺連接，所述試驗臺通過數據採集模塊連接控制模塊，所述控制模塊通過電源模塊連接保護模塊。
所述控制模塊控制電源模塊產生可控電源；
所述電源模塊採用恆流源，所述恆流源產生電壓在0～1500V、電流在0～100A範圍內的可控電源，用於維持可控直流電弧穩定燃燒。
所述數據採集模塊採集試驗數據並傳輸給控制模塊，所述試驗數據包括試驗電流和試驗電壓。
所述點火模塊包括高壓發生器和引弧線圈；
所述高壓發生器由變壓器與電容振蕩構成，其產生瞬間的高頻過高壓，引弧線圈將該高頻過電壓引入試驗臺中的靜電極，擊穿間隙，產生直流電弧。
所述試驗臺包括高壓引線、低壓引線、卡盤、伺服電機、動電極、靜電極和氣泵；所述卡盤包括內卡盤和外卡盤；
所述高壓引線和低壓引線分別連接靜電極和動電極，所述內卡盤夾持動電極和靜電極，外卡盤夾持噴口材料，所述伺服電機控制動電極移動，使動電極保持燃弧距離，所述動電極和靜電極均採用鎢碳合金，所述靜電極為中空管狀，其連接氣泵吹入壓力可調的氣流，模擬直流電弧燃燒斷路器噴口材料過程中的氣流衝刷的影響。
圖2為控制模塊流程圖，所述控制模塊包括PLC和計算機；
所述PLC採用松下FPX0-L40R可編程控制器。
所述PLC具備了大容量、可擴展性、高安全性，實現了小型PLC的超高速運算處理，用於控制恆流源的接入，並對點火模塊和過電壓保護模塊進行控制，使點火模塊產生瞬間高頻過電壓，擊穿間隙進而產生可控直流電弧，並使過壓保護模塊啟動過電壓保護功能。
所述計算機設定試驗參數，所述試驗參數包括電弧電流、電弧電壓、燃弧距離、燃弧時間和氣流壓力；
所述計算機同時接收所述數據採集模塊採集的試驗數據，並根據實驗數據繪製電弧電壓曲線。
所述保護模塊包括過電壓保護模塊和啟動保護模塊；
所述過電壓保護模塊由高頻電容與電感串並聯構成，避免點火模塊產生的高頻電壓對恆流源造成衝擊；
所述啟動保護模塊用於避免由誤操作對所述裝置造成的危害。
所述裝置用於檢測斷路器噴口材料的耐燒蝕性能，斷路器噴口材料受燒蝕主要受到電弧光效應、熱效應和噴口內氣流衝刷，其中熱效應主要以輻射散熱為主，斷路器噴口材料採用PTFE，且其為外徑20mm、內徑10mm、高20mm的圓筒。
斷路器噴口材料主要採用PTFE製成，在輻射能的作用下，PTFE分子將被激發和活化。當吸收的能量足夠大時，PTFE分子鏈上的C—C鍵斷裂，分子解離，放出低分子物，PTFE被蒸發。當輻射能穿透PTFE表面進入內部後，可引起內部的分子鏈斷裂，發生分解，產生氣泡和炭化。這個過程中PTFE直接以蒸發的形式被燒蝕。因此，燃弧過程中PTFE的燒蝕 是電弧能量的傳導和輻射共同作用的結果。
斷路器滅弧過程：在動觸頭和靜觸頭分離期間，利用滅弧室噴口中高速流動的氣流對直流電弧進行吹噴、冷卻直至熄滅直流電弧。噴口喉部直徑的大小和具體外形結構直接影響著噴口中氣流場的物理特性，從而影響到噴口的開斷能力。在開斷高壓大電流電弧的過程中，噴口喉部材料會受到電弧的燒蝕，導致噴口喉部材料受高溫、高輻射的作用而氣化分解，表面呈現蜂窩狀，再加上高速氣流的吹噴作用，會使噴口喉部直徑變大；噴口喉部直徑的變大反過來又影響氣流的湍流狀態，使氣流的速度變小和吹氣時間變短，從而影響斷路器的滅弧性能。這樣的反覆作用，斷路器的開斷性能和使用壽命就會大幅下降。因此斷路器滅弧裝置的關鍵就是合理選擇噴口材料，使其具有耐電弧燒蝕性能，正確設計噴口形狀和尺寸以及處理好與觸頭、壓氣室等的配合關係。在斷路器中，因為電弧作用，會產生很高的溫度(20000K)，噴口和電極觸頭會燒蝕氣化，而產生氟化氫等低氟化合物，會對噴口和觸頭產生極強的化學腐蝕作用，所以研究斷路器的噴口材料的耐燒蝕性能評判指標及研發噴口材料的耐燒蝕試驗裝置有著深遠的意義。
最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員參照上述實施例依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。