塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测系统及方法与流程

本发明属于断路器技术领域，具体涉及一种塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测系统及方法。

背景技术：

低压断路器开断大电流的过程中，灭弧室壳体在很大气压的热空气冲击作用下容易应力过大引起壳体变形甚至是断裂，引发安全事故。目前，现有工作主要针对空气电弧建立了MHD模型，MHD模型复杂且很难用于工程实践中；有针对气压测量的具体方法，但没有具体针对电弧等离子体对壳冲击效应，当灭弧室结构改变或者短路电流发生变化壳体将受到不同的冲击气压。

日本的M.Tsukima等人通过实验与仿真证明了气吹作用与电磁对电弧的洛伦兹力一样能够有效地驱动电弧运动，并首次提出了气吹(auto-puffer)的概念。McBride针对微型断路器模型，实验验证了触头在低速打开过程中气吹对提高小型断路器开断性能的积极作用。

在国内，西安交通大学的陈德桂、刘洪武等人率先针对气吹式塑壳断路器开断电路时电弧运动的不同影响因素(产气材料、上下方气体阻尼及栅片结构)展开研究，实验中为了更准确地对电弧的运动图景进行观测，自主研发了一套二维光纤观测系统。研究表明，尽可能封闭灭弧室下方出气口，采用短栅片结构和POM与尼龙产气材料均有利于提高断路器的开断性能。建立了一维非定常可压缩流动的数学模型，通过计算灭弧室气流参数(压强、速度)沿电弧运动方向分布的一般规律得电弧产生的压缩波和激波传播到封闭端与出气口端产生不同的反射，在灭弧室内形成压强梯度，由此产生了高速气流对电弧的直接气吹作用，实现了从理论上解释气流对电弧驱动力的形成原因。

需要指出的是，低压断路器在开断大电流时，电弧运动过程复杂，灭弧室内整个气流场压强梯度多变，以前的工作没有具体针对灭弧室壳体冲击效应，当灭弧室结构改变或者短路电流发生变化壳体将受到不同的冲击气压。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测系统及方法，在实验及数据分析的基础上，针对不同结构灭弧室、不同短路电流大小，预测灭弧室气压。

本发明采用以下技术方案：

塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测系统，包括大电流电源电路、灭弧室壳体试品SP、数据采集系统和高速摄像机，所述大电流电源电路采用单频LC振荡回路为所述灭弧室壳体试品SP提供测试用电源，所述数据采集系统与所述大电流电源电路和灭弧室壳体试品SP连接，同步采集电弧电压和电流信息，所述数据采集系统还连接有压力传感器，用于检测灭弧室的气压，所述高速摄像机与计算机连接，通过拍摄电弧动态图像进行冲击气压预测。

进一步的，所述压力传感器包括压阻式压力变送器和压电式压力传感器。

进一步的，所述数据采集系统采用瞬态记录仪进行测量。

进一步的，所述大电流电源电路中设置的电感L、电容组C与所述灭弧室壳体试品SP构成一个单频振荡放电回路，通过改变所述电容组C的充电电压得到不同等级的实验电流。

进一步的，所述电容器组C充电电压和放电电流第一半波有效值的比例为50:1V/kA。

一种塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测方法，包括以下步骤：

S1、将灭弧室模型结构与实验模型结构进行对比；

S2、选取与实验模型接近的灭弧室作为基准模型，同时确定基准模型的理论烧蚀率倍数K和转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数Kp；

S3、根据运行条件判断其电弧功率，根据灭弧室的气压与K、Kp和电弧功率关系调整所述理论烧蚀率倍数K和转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数Kp；

S4、通过线性回归分析确定气压值随K、Kp及电弧功率的函数关系，得出预测气压的峰值；

S5、当电弧功率基本不变，灭弧室结构有变化时，根据灭弧室的气压与K、Kp和灭弧室结构的关系调整所述理论烧蚀率倍数K和转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数Kp；

S6、通过线性回归分析确定气压值随灭弧室的气压与K、Kp及灭弧室结构的函数关系，得出预测气压的峰值。

进一步的，步骤S2中，所述灭弧室包括第一灭弧室和第二灭弧室，所述第一灭弧室基准模型结构的电弧功率峰值为1.6MW；所述第二灭弧室基准模型结构的电弧功率峰值为2.16MW。

进一步的，步骤S4中，气压值随所述第一灭弧室的气压与K、Kp和电弧功率的函数关系为：

P＝﹣9.7637+0.0886K+30.565802Kp+0.7265×Power；

所述第二灭弧室的函数关系为：

P＝175.0852-238.4033×K-52.9785×K_p+20.2258×Power

其中，P为气压，K为理论烧蚀率倍数，Kp为转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数，Power为电弧功率，单位为兆瓦。

进一步的，步骤S6中，气压值随所述第一灭弧室的的气压与K、Kp和灭弧室结构的关系为：

P＝﹣0.0430+1.0434×K+2.6794×K_p；

气压值随所述第二灭弧室的的气压与K、Kp和灭弧室结构的关系为：

P＝﹣3.2356+4.8254×K-1.8727×K_p

其中，P为气压，K为理论烧蚀率倍数，Kp为转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数。

进一步的，通过改变栅片的材料、形状和数量，双侧出气口的面积和形状，铜排设置、产气材料以及电弧功率调整所述理论烧蚀率倍数K和转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数Kp。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测系统，通过大电流电源电路对试品进行供电，利用数据采集系统采集灭弧室壳体的电弧电压电流信息和灭弧室的气压，通过高速摄像机拍摄电弧动态图像进行冲击气压预测，根据实验及数据分析的基础上，针对不同结构灭弧室、不同短路电流大小，预测灭弧室气压，对于优化灭弧室结构、提高壳体机械强度具有重要的理论价值和现实意义。

进一步的，选用Kisler211B5压电式压力传感器作为灭弧室测量压力：体积小适用于实验中塑壳断路器灭弧室大小；耐高温并且配合隔热帽使用适合燃弧阶段灭弧室内温度超过10kK的高温环境；更高的响应频率适和测量精度，能够更客观地反应开断电弧过程中的灭弧室气压变化过程；6.90bar的量程在适合该实验中所测量程，相比其他大量程的传感器会使测量结果更加准确。

进一步的，选用专用于低压电器试验的数据采集方案：更高的采样频率可以将本实验采样频率设为800kHz，相对交流电50Hz的频率可以精确的采集到数据的波动保证输出结果不会失真；本实验中采用的过零触发方式可以精准的采集到电弧燃起的初试时刻，从而得到准确的实验波形。

进一步的，电感L、电容组C与所述灭弧室壳体试品SP构成一个单频振荡放电回路。S1、S2两个开关分别控制充电回路及主回路，分别控制充电和电路主回路可以确保大功率实验的安全性；且通过改变电容器组充电电压得到不同等级的实验电流，为实验过程中改变电弧功率提供便捷且可靠的方法。

本发明还提供一种塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测方法，通过将灭弧室模型结构与实验模型结构进行对比，分析出理论烧蚀率倍数K和转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数Kp的取值，然后将具体取值带入相应气压预测公式得出预测气压的峰值，使用实验和仿真相结合的方法，得到气压预测的方法真实可靠。

本发明方法简洁可行，采取直观的预测公式进行预测，无须对所有新产品灭弧室模型采用实验的手段获取其气压峰值，大大节省了成本及提高效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明方法的系统示意图；

图2为本发明气压预测方法流程图；

图3为本发明计算气压与实验气压对比示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，本发明塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测系统包括大电流电源电路、灭弧室壳体试品SP、数据采集系统和高速摄像机，所述大电流电源电路采用单频LC振荡回路为所述灭弧室壳体试品SP提供测试用电源，所述数据采集系统与所述大电流电源电路和灭弧室壳体试品SP连接，同步采集电弧电压和电流信息，所述数据采集系统还连接有压力传感器，用于检测灭弧室的气压，所述高速摄像机与计算机连接，通过拍摄电弧动态图像进行冲击气压预测。

实验采用单频LC振荡回路作为大电流电源，电流频率为50Hz，采用ATiS BE12数据采集系统同步采集电弧电流、电弧电压及由压强转换而来的电压信号。电弧电流通过罗氏线圈测量，电弧电压通过高压探头测量，灭弧室气压通过MPM 480或Kisler 211B5两种压力传感器测量，实验中通过高速摄像机拍摄电弧动态图像。

振荡回路：实验前主合闸开关S2断开，闭合充电回路开关S1，调节调压器T通过整流硅堆对电容器组C充电，充电至所需实验电压后调压器T回零断开充电回路，实验准备就绪。接通主合闸开关S2，由电容器组C，电感L、试品SP构成一个典型的单频振荡放电回路。可以通过改变电容器组充电电压得到不同等级的实验电流，电容器组充电电压和放电电流第一半波有效值的比例为50:1(V/kA)。电容器组C和电感L的固有参数决定了回路的振荡频率为50Hz。

ATiS BE12数据采集系统：ATis测试测量公司用于低压电器试验的数据采集方案，12通道，最高采样频率为3MHz，采用电流过零的触发方式，同步采集电弧电压、电弧电流以及由压强转换而来的电压信号，本文所涉及的实验采样频率均设为800kHz。

MPM 480和Kisler 211B5压力传感器：MPM 480为压阻式压力变送器，量程10bar，精度约为0.5V/bar，响应频率1kHz，电源由24V直流稳压电源提供。Kisler 211B5为压电式压力传感器，量程6.90bar，精度0.808V/bar，响应频率500kHz，电源由4通道5134B信号调节仪提供。MPM 480的工作原理是利用半导体硅材料的压阻效应，实现压强和电信号的转换，敏感芯片上的电桥输出的电信号与作用压力有着良好的线性比例关系。而Kisler 211B5采用石英作为敏感元件，利用其感应电荷量Q与压力之间的线性关系测得气压。

请参阅图2所示，本发明一种塑壳断路器灭弧室壳体所受冲击气压的预测方法，在实验基础对下述各模型做仿真计算其气压曲线，根据仿真参数总结各种模型气压峰值的规律并且做出气压预测公式。

具体步骤如下：

S1、根据新产品灭弧室模型的结构与本发明实验模型做对比；

S2、选取与实验模型接近的第一灭弧室或者第二灭弧室作为基准模型，同时选取了基准模型的K与Kp的值；

S3、根据运行条件判断其电弧功率，根据表2和表4调整K、Kp；

S4、参考式(1)或式(3)预测气压；

S5、当电弧功率基本不变，灭弧室结构有变化时，根据表3和表5调整K、Kp；

S6、参考式(2)或式(4)预测气压。

K与Kp的参数说明：K的含义是理论烧蚀率的倍数，即K倍的理论烧蚀率，理论烧蚀率为6e-9ug/J；Kp的含义是转化为灭弧室气压上升的电弧功率系数。对于影响Kp与K的值的因素与灭弧室内部的体积、出气口的面积、栅片设置的角度及其他或多或少阻碍电弧及热空气运动的因素有关。根据实验及仿真可以得到灭弧室结构变化对K和Kp的影响，依照新模式对K、Kp进行相应调整。得到与新模型相符的参数。再代入气压预测公式。

第一灭弧室基准模型结构为电弧功率峰值为1.6MW；栅片材料为铁；右侧0出气口；栅片形状为1；出气口为4个大口；铜排不带弯曲；产气材料为PA66。

第二灭弧室基准模型结构为电弧功率峰值为2.16MW；栅片个数为5个；出气口面积为14mm×2mm×4。

实验模型汇总如表1所示：

第一灭弧室在不同的电弧功率下模型的仿真控制参数数据，第一灭弧室的气压与K，Kp和电弧功率的关系如表2所示：

表2第一灭弧室的气压与K，Kp和电弧功率的关系

通过线性回归分析：通过参考各组的K、Kp及电弧功率的值得到气压值随K、Kp及电弧功率的函数关系确定气压P具体为：

P＝﹣9.7637+0.0886K+30.565802Kp+0.7265×Power (1)

当电弧功率基本维持不变，单纯灭弧室的结构对于灭弧室内的气压的影响，第一灭弧室的气压与K，Kp和灭弧室结构的关系如表3所示：

表3第一灭弧室的气压与K，Kp和灭弧室结构的关系

通过线性回归分析：通过参考各组的K与Kp的值得到气压值随第一灭弧室的气压与K，Kp和灭弧室结构的关系：

P＝﹣0.0430+1.0434×K+2.6794×K_p (2)

第二灭弧室在不同的电弧功率下模型的仿真控制参数数据如表4所示：

表4第二灭弧室的气压与K，Kp和电弧功率的关系

通过线性回归分析：通过参考各组的K、Kp及电弧功率的值得到气压值随K、Kp及电弧功率的函数关系：

P＝175.0852-238.4033×K-52.9785×K_p+20.2258×Power (3)

当电弧功率基本维持不变，单纯灭弧室的结构对于灭弧室内的气压的影响如表5所示：

表5第二灭弧室的K与Kp的数据表

通过线性回归分析：通过参考各组的K与Kp的值得到气压值随第一灭弧室的气压与K，Kp和灭弧室结构的关系：

P＝﹣3.2356+4.8254×K-1.8727×K_p (4)

预测气压的方法请参阅图2所示，对新模型与本发明中实验模型对比，根据新模型结构进行判断选择合适的K、Kp带入气压预测公式，从而得出预测气压的峰值。

请参阅图3所示，当跟结构对比得出K＝1、Kp＝0.29带入式(2)可以计算出气压P≈1.714bar。可以看出本发明根据气压预测公式可得较准确的气压峰值，与实验结果相近，可以作为工程实践的依据。

本发明根据仿真和实验手段，预测灭弧室气压，研究电弧等离子体产生的气压对灭弧室壳体的冲击作用，对于优化灭弧室结构、提高壳体机械强度具有重要的理论价值和现实意义。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。