石墨电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法；充气配比控制装置包括第一可控压力阀、第二可控压力阀、第三可控压力阀、第四可控压力阀、第一气压传感器、第二气压传感器、第一机电控制器、第二机电控制器、控制终端，第一缓冲气室、第二缓冲气室和混合气室。按照一定的惰性气体设置方案，通过一定充气配比方法，控制终端控制机电传感器，使可控压力阀动作，通过气压传感器监控压力值，使缓冲气室中的充入的气体达到设定的气压值，最终在混合气室中得到所需的完成配比的混合气体，并完成对气体开关的充气。
【专利说明】
石墨电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种石墨 电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法。
【背景技术】
[0002] 气体间隙类开关是一种结构简单、调控方便的快速闭合开关，较之目前发展迅速 的半导体类开关，更适宜各种极端参数运行环境。当前间隙开关的一个发展趋势是在特殊 环境下满足更大的转移能量或更高的转移电荷量的应用需求。
[0003] 石墨电极气体开关是间隙开关的一种。石墨本身的熔点很高，与金属钨相当，其烧 蚀的物相转化以升华为主，不像金属电极存在液化过程，且石墨碳的升华需要消耗相当的 热能，升华后形成的游离碳可以与氧气结合形成二氧化碳气体不至于重新冷凝又复而污染 电极表面，因此石墨电极气体开关具有较传统金属电极开关更优越的耐电弧烧蚀能力，寿 命更长，被认为能以较高的性价比来满足数百千安、数百库仑、数兆焦级高压瞬态放电的工 况场合需求。公开文献中已经有满足300~700kA通流峰值能力的石墨气体开关实现方案报 道。
[0004] 但是，石墨是一种以碳共价键结合形成的无机非金属材料，其烧蚀过程要依赖于 气体间隙中的氧参与化学反应，形成碳氧化物的废气，通过更换气体来补充氧气同时达到 清洁电极表面的目的。尤其在需要通过数百千安甚至兆安级的强大电流时，开关转移电荷 量或能量很大，所消耗的石墨碳也更多，需要的氧气也越多。否则，碳共价键被电弧热力学 作用破坏后，在缺氧环境下，容易通过凝华作用形成游离态的固态碳而污染开关间隙，显著 降低开关绝缘强度。此外，空气中的氮在电弧引起的高温高能量情况下，其原本稳定的共价 键被破坏，游离态的氮原子会和氧形成氮氧化物，进一步又会与空气中的微量水分、开关附 属的各种绝缘材料、密封材料发生化学反应，形成化学腐蚀，对开关结构和绝缘强度造成破 坏。
[0005] 已经公开报道的石墨电极开关方案都是采用密封的干燥压缩空气作为绝缘介质。 具体做法有两种，一种是直接以自然空气，经过压缩、干燥后充入密封的开关内腔中，形成 高压空气间隙；另外一种是利用高压气瓶充气，高压气瓶中的气体是用液态气化后的氧气、 氮气按照1:4的比例混合制成。这些供气方法中的氧氮含量都是固定的，由于实际工况不 同，固定的氧气含量可能无法让消耗的碳完全转化为废气排出。另一方面，这两种做法都没 有考虑放电过程中含氮产物对开关结构的腐蚀。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨电极气体开关的充气配比 控制装置、充气装置及方法，旨在解决目前常用供气方法中的氧氮含量固定，可能无法让消 耗的碳完全转化为废气排出；同时没有考虑放电过程中含氮产物对开关结构腐蚀的问题。
[0007] 本发明提供了一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置，包括氧气气源、惰性 气体气源、第一可控压力阀S1、第二可控压力阀S2、第三可控压力阀S3、第四可控压力阀S4、 第一气压传感器VI、第二气压传感器V2、第一机电控制器Ml、第二机电控制器M2、控制终端 Cl，第一缓冲气室AU第二缓冲气室A2和混合气室XI;所述第一可控压力阀Sl的输入端通过 气管连接氧气气源，所述第一缓冲气室Al的输入端通过气管连接至所述第一可控压力阀Sl 的输出端，所述第二可控压力阀S2的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室Al的第二输 出端，所述混合气室Xl的第一输入端通过气管连接至所述第二可控压力阀S2的输出端;所 述第一气压传感器Vl的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室Al的第一输出端，所述第 一机电控制器Ml的压力信号输入端连接至所述第一气压传感器Vl的输出端，所述第一机电 控制器Ml的第一控制信号输出端连接至Sl的控制端，所述第一机电控制器Ml的第二控制信 号输出端连接至S2的控制端，所述第一机电控制器Ml的压力信号输出端和控制信号输入端 均连接至所述控制终端Cl的第一端;所述第三可控压力阀S3的输入端通过气管连接惰性气 体气源，所述第二缓冲气室A2的输入端通过气管连接至所述第三可控压力阀S3的输出端， 所述第四可控压力阀S4的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第二输出端，所述 混合气室Xl的第二输入端通过气管连接至所述第四可控压力阀S4的输出端;所述第二气压 传感器V2的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第一输出端，所述第二机电控制 器M2的压力信号输入端连接至所述第二气压传感器V2的输出端，所述第二机电控制器M2的 第一控制信号输出端连接至第三可控压力阀S3的控制端，所述第二机电控制器M2的第二控 制信号输出端连接至第四可控压力阀S4的控制端，所述第二机电控制器M2的压力信号输出 端和控制信号输入端均连接至所述控制终端Cl的第二端。
[0008] 更进一步地，所述第一缓冲气室Al和所述第二缓冲气室A2的容积相等;所述第一 缓冲气室Al的压力值
，所述第二缓冲气室A2的压力值PQ2 = kPQ1，其中，Po为缓冲 气室压力值，Vm为标准状态下所需的氧气气体体积，Vo1为缓冲气室Al的容积，k的取值范围 为1~4〇
[0009] 更进一步地，所述控制终端Cl包括：
[0010] 第一计算模块，用于根据气体开关Tl的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳 消耗质量M=qm · Q;
[0011] 第二计算模块，用于将所述碳消耗质量M除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的 摩尔数，并根据所述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数Dm;根据碳与氧气生成二氧化 碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数Dm和石墨碳相同；
[0012]第三计算模块，用于根据摩尔数Dm获得所需氧气的气体体积VQ1 = DMX22.4;并根 据所需氧气的气体体积V ο i和缓冲气室A1的容积V a i获得第一缓冲气室A1的第一压力值
;根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值P 02 = kPoi；
[0013]判断模块，用于判断第一气压传感器Vl实时检测的第一缓冲气室Al的压力值是否 大于1.5PQ1，若是，则输出第一控制信号，；若否，则输出第二控制信号;判断第二气压传感器 V2实时检测的第二缓冲气室A2的压力值是否大于1.5PQ2,若是，则输出第三控制信号;若否， 则输出第四控制信号；以及
[0014] 控制模块，根据所述第一控制信号控制第一可控压力阀SI关闭且第二可控压力阀 S2打开;根据所述第二控制信号控制第二可控压力阀S2关闭且第一可控压力阀Sl打开;根 据所述第三控制信号控制第三可控压力阀S3关闭且第四可控压力阀S4打开;根据所述第四 控制信号控制第四可控压力阀S4关闭且第三可控压力阀S3打开;并当所述第一缓冲气室Al 的压力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力值等于所述第二压力值时，控制 第二可控压力阀S2和第四可控压力阀S4均打开，从而在所述混合气室Xl中获得完成配比后 所需的混合气体。
[0015] 更进一步地，所述惰性气体气源为氦气或氩气。
[0016] 本发明还提供了一种基于权利要求1所述的充气配比控制装置的充气配比控制方 法，包括下述步骤：
[0017] Sl:根据气体开关Tl的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M = qm · Q；
[0018] S2:将所述碳消耗质量M除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所 述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数Dm;
[0019] 根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数Dm和石墨碳相 同；
[0020] S3:根据摩尔数Dm获得所需氧气的气体体积VQ1 = DMX22.4;并根据所雲氩与的气 体体积VodP第一缓冲气室Al的容积Vm获得第一缓冲气室Al的第一压力值
[0021 ]根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PQ2 = kP01; [0022] S4:判断第一气压传感器Vl实时检测的第一缓冲气室Al的压力值是否大于1.5P01， 若是，则关闭第一可控压力阀SI并打开第二可控压力阀S2;若否，则关闭第二可控压力阀S2 并打开第一可控压力阀SI;判断第二气压传感器V2实时检测的缓冲气室A2的压力值是否大 于1.5PQ2,若是，则关闭第三可控压力阀S3并打开第四可控压力阀S4;若否，则关闭第四可控 压力阀S4并打开第三可控压力阀S3;
[0023] S5:当第一缓冲气室Al的压力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力 值等于所述第二压力值时，打开第二可控压力阀S2和第四可控压力阀S4，并在所述混合气 室Xl中获得完成配比后所需的混合气体。
[0024] 更进一步地，所述惰性气体与氧气的配比关系k为：
[0025] 当单次转移电荷量低于100C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在4:1至3:1之 间；
[0026] 当单次转移电荷量在100C~180C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在3:1至 2:1之间；
[0027]当单次转移电荷量在180C~300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在2:1至 1:1之间；
[0028] 当单次转移电荷量大于300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在1:1左右。
[0029] 本发明还提供了一种基于上述的充气配比控制装置的充气装置，所述充气装置包 括充气配比控制装置、第五可控压力阀S5、第六可控压力阀S6、第三气压传感器V3和第三机 电控制器M3;所述第五可控压力阀S5的输入端通过气管连接至所述混合气室Xl的输出端， 所述第五可控压力阀S5的输出端用于连接气体开关Tl的输入端;所述第六可控压力阀S6的 输入端通过气管连接至所述气体开关Tl的输出端，所述第六可控压力阀S6的输出端用于连 接废气排出管道;所述第三气压传感器V3的输入端通过气管连接至所述气体开关Tl的输出 端，所述第三机电控制器M3的压力信号输入端连接至所述第三气压传感器V3的输出端，所 述第三机电控制器M3的第一控制信号输出端连接至S5的控制端，所述第三机电控制器M3的 第二控制信号输出端连接至S6的控制端，所述第三机电控制器M3的压力信号输出端和控制 信号输入端均连接至所述控制终端Cl的第三端。
[0030] 更进一步地，工作时，根据实际工况获得开关工作的气压值，判断第三气压传感器 V3实时检测的气体开关Tl的压力值是否大于所述气压值，若是，则关闭第五可控压力阀S5 并打开第六可控压力阀S6;若否，则关闭第六可控压力阀S6并打开第五可控压力阀S5,并完 成对气体开关Tl的充气。
[0031] 本发明还提供了一种基于上述的充气装置的充气方法，包括下述步骤：
[0032] Sl:根据气体开关Tl的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M = qm · Q；
[0033] S2:将所述碳消耗质量M除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所 述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数Dm;
[0034] 根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数Dm和石墨碳相 同；
[0035] S3:根据摩尔数Dm获得所需氧气的气体体积Vo1 = Dm X 22.4;并根据所需氧气的气 体体积VMP第一缓冲气室Al的容积Vm获得第一缓冲气室Al的第一压力值
[0036] 根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PQ2 = kP01;
[0037] S4:判断第一气压传感器Vl实时检测的第一缓冲气室Al的压力值是否大于1.5P01， 若是，则关闭第一可控压力阀SI并打开第二可控压力阀S2;若否，则关闭第二可控压力阀S2 并打开第一可控压力阀SI;
[0038]判断第二气压传感器V2实时检测的缓冲气室A2的压力值是否大于1.5PQ2，若是，则 关闭第三可控压力阀S3并打开第四可控压力阀S4;若否，则关闭第四可控压力阀S4并打开 第三可控压力阀S3;
[0039] S5:当第一缓冲气室Al的压力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力 值等于所述第二压力值时，打开第二可控压力阀S2和第四可控压力阀S4，并在所述混合气 室Xl中获得完成配比后所需的混合气体；
[0040] S6:根据实际工况获得开关工作的第三气压值，判断第三气压传感器V3实时检测 的气体开关Tl的压力值是否大于所述第三气压值，若是，则关闭第五可控压力阀S5并打开 第六可控压力阀S6,多余气体流入废气回收管道;若否，则关闭第六可控压力阀S6并打开第 五可控压力阀S5，混合气室Xl中完成配比的混合气体充入气体开关Tl中，并最终完成对气 体开关Tl的充气。
[0041] 更进一步地，所述惰性气体与氧气的配比关系k为：
[0042] 当单次转移电荷量低于100C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在4:1至3:1之 间；
[0043] 当单次转移电荷量在IOOC~180C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在3:1至 2:1之间；
[0044] 当单次转移电荷量在180C~300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在2:1至 1:1之间；
[0045] 当单次转移电荷量大于300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在1:1左右。
[0046] 本发明的技术效果是：
[0047] (1)不会使用高温电弧下不稳定的氮气为充气介质，而改用更为稳定的氦气和氩 气作为替代气体，以人工合成方式形成开关绝缘气体，进而避免含氮产物的生成，以及其对 开关结构件的腐蚀；
[0048] (2)可以根据开关工作状况(通过开关电流所对应的电荷转移量)控制绝缘气体中 的氧气含量，当开关通过较大转移能量时，氧气更为充沛有利于石墨碳在电弧燃烧时以碳 氧化物形式消耗，减少乃至防止固体碳颗粒物生成；
[0049] (3)通过计算机系统进行开关绝缘气体配比和充气，并给出了科学的原理算法，可 以方便实现各种开关应用环境下绝缘气体的自动配比、充气，提高效率。
【附图说明】
[0050] 图1是本发明装置的原理示意图，各种器件单元的说明见图中标注。
[0051 ]图2是本发明中在计算机中执行的混合气体配比算法的流程图。
【具体实施方式】
[0052]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0053] 本发明针对高功率大电流石墨电极气体开关，提出一种石墨电极气体开关的充气 气体配比方案和相应充气装置。
[0054] 本发明提出一种高功率石墨电极气体开关的充气气体配比方案和实现装置。
[0055]本发明的技术方案如下：
[0056] (1)不采用压缩空气直接作为气体开关的绝缘气体，而是利用人工配比的氧气和 氩气、氦气等惰性气体混合形成人工合成的绝缘气体。本发明可以选择氧气加氩气或者氧 气加氦气的混合气体形式。原生氧气、氩气、氦气都米用压缩气瓶供气，或者液化气罐供气。
[0057] (2)混合气体的配比可以人为控制，配比值的确定依据是气体开关每次放电的转 移电荷量和石墨电极的烧蚀速率。根据石墨电极的烧蚀速率和转移电荷量计算石墨电极消 耗量，石墨电极消耗量越大，氧气在混合气体中所占的比例越多（以摩尔数计，可转换为氧 气质量和体积）。具体一种石墨材料的烧蚀速率是相对稳定的，每次放电转移电荷量大小的 判定则是依据通过开关的电流波形绝对值对时间的积分。混合气体的配比值可由计算机 (比如可事先编好程序的单片机)计算和控制。
[0058] (3)混合气体的配比值实现依靠压力等比混合法，即原生气体先在各自的缓冲气 室中充气，缓冲气室的容量相同，但充气压力不同，压力比值等同于混合气体的配比值，例 如，若氧气和氦气配比为1:4，则氧气缓冲气室和氦气缓冲气室中的气压也应充到接近1:4 的值。缓冲气室中充气压力的实现由计算机进行控制。
[0059] 下面结合图对本发明作进一步说明。
[0060] 图1中，充气装置包括氧气气源，惰性气体气源，可控压力阀SI、S2、S3、S4、S5、S6， 气压传感器￥1、￥2、￥3，机电控制器11、1213，控制终端(：1，缓冲气室41)2，混合气室乂1。其 中气源、可控压力阀、气压传感器、缓冲气室、混合气室以及气体开关Tl之间通过气管构成 气路;机电控制器Ml、M2、M3通过电路分别控制可控压力阀SI、S2、S3、S4、S5、S6;气压传感器 ￥1、￥2、￥3，机电控制器[12、13和控制终端(：1之间通过光信号或电信号形成信号通路。高 压压缩气体可以是充于高压气罐或液压气罐中。缓冲气室Al和A2的容积是相同的，Al和A2 内部气压由气压传感器Vl和V2分别实时测得，并转换成电信号或光信号分别传送给机电控 制器Ml和M2。
[0061 ]机电控制器Ml和M2用于控制缓冲气室Al和A2内的气压，采用自反馈补偿模式，其 工作原理是：
[0062]机电控制器Ml和M2接收控制终端Cl传送下达的气压阈值，不断地将该阈值与接收 到的气压传感器Vl和V2的气压值进行比较，若气压传感器测得的缓冲气室内部气压低于下 达的气压阈值，则用于进气的可控压力阀Sl和S3保持开通，而用于出气的S2和S4保持关闭； 若气压传感器测得的缓冲气室内部气压达到或超过下达的气压阈值，则Sl和S3也关闭。 [0063] 进一步，S2和S4先后开通，在混合气室内将氧气和惰性气体混合，混合后的绝缘气 体即可用于气体开关Tl的使用。
[0064]如果开关和气室不在同一地点，混合气室内的混合气体可以重新压缩形成灌注形 成高压气瓶，供异地的气体开关使用，对此本发明不在赘述。
[0065]机电控制器M3用于控制气体开关Tl内的气压，其工作原理与前两个机电控制器相 同，即，M3接收计算器Cl传送下达的气压阈值，不断地将该阈值与接收到的气压传感器V3的 气压值进行比较，若V3测得的开关Tl内部气压低于下达的气压阈值，则用于进气的可控压 力阀S5开通，而用于出气的S6保持关闭；若V3测得的开关Tl内部气压达到或超过下达的气 压阈值，则S5关闭，由于S6也处于关闭状态，开关Tl内的绝缘气体气压保持稳定。
[0066] 图1中默认混合气室Xl内的气压高于气体开关Tl内气压，由此形成充气效果。
[0067] 计算机Cl是控制气体配比和充气气压的核心，其算法原理如图2所示，以下结合图 2进行步骤说明。
[0068] (1)图2中，通过气体开关Tl的电流绝对值对时间的积分，其中电流绝对值根据实 际工况获得，计算开关的转移电荷量，BP:
[0069] Q = /|i(t) |dt (1)
[0070] 这里Q是每次放电的转移电荷量，i (t)是每次放电电流对时间的函数，具体表现到 波形上是横轴为时间，纵轴为各个时刻电流的波形。电流波形可以利用示波器通过1次放电 实测，也可以在已知电路参数的情况下，通过计算机仿真计算获得。需要特别注意，式（1)中 是对电流绝对值进行积分。
[0071] (2)根据开关的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗量(质量单位，克或 者毫克），根据公开文献，在20库仑以上的单次转移电荷量情况下，石墨电极每库仑消耗的 碳质量是一定的，因此有：
[0072] M = qm · Q......(2)
[0073] 这里M是每次放电的石墨碳消耗质量，qm是每库仑消耗的碳质量，有些文献中也称 其为烧蚀速率，不同的石墨烧蚀速率也不相同，一般在I. 〇mg/C(毫克/库仑）~2. Omg/C之 间。注意，石墨碳的消耗量必须是以一对电极（阴极和阳极)而言的。
[0074] (3)将碳消耗质量M换算成摩尔数，方法是将M除以碳的原子量12,例如每次放电消 耗120mg石墨，则摩尔数是10 X ΙΟΛιοΙ。根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，则所需 氧气的摩尔数Dm和石墨碳相同，也同样是10 X l(T3mol，换算成氧气质量则乘以氧气的分子 量32即可，即320mg。
[0075] (4)计算摩尔数为Dm的氧气标准状况下的气体体积Vo1，有：
[0076]
[0077] 控制温度一定的情况下，进一步根据缓冲气室Al的容积Vm换算成相应的压力值 P01，利用气体状态方程有：
[0078]
[0079] 其中Po为标准压强。气压值~将作为图1中机电控制器Ml的设置依据，控制终端Cl 会把此气压值通过信号通路下发到机电控制器Ml中，以前述自反馈补偿模式充气。作为优 选，建议缓冲气室Al中的气压阈值设定要高于Po 1，可乘以一个大于1的系数，例如1.5,以确 保在各种管路占用部分氧气的情况下，气体开关Tl内氧气提供充分。
[0080] (5)根据实际配比方案，按照（1)-(4)中的方法，设置缓冲气室A2中的气压值，进而 实现气体开关Tl中混合气体的配比。不能以纯氧充入气体开关Tl，必须有惰性气体进行配 比。本发明根据试验结果，以氩气和氦气为例，建议以下惰性气体设置方案：
[0081] a)单次转移电荷量低于100C情形下，惰性气体的体积与氧气体积的比例在4:1至 3:1之间；
[0082] b)单次转移电荷量在100C~180C情形下，惰性气体的体积与氧气体积的比例在3: 1至2:1之间；
[0083] c)单次转移电荷量在180C~300C情形下，惰性气体的体积与氧气体积的比例在2: 1至1:1之间；
[0084] d)单次转移电荷量在大于300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在1:1左右， 若通过气体开关的电流峰值大于500kA，可进一步考虑降低惰性气体的混合体积，建议以试 验验证为依据。
[0085]例如对于单次转移100C电荷量，充入氩气和氧气体积比例为3:1。根据式(2)计算 消耗碳质量M，利用式(4)换算成缓冲气室Al的气压阈值，为1.5PQ1，所以有缓冲气室A2的气 压阈值为4.5P Q1。通过控制终端对气压传感器的检测和机电控制器的控制，机电控制器对可 控压力阀动作，最终实现混合气室Xl中氩气和氧气摩尔比例为3:1，并通入气体开关中。
[0086]使用本发明的石墨电极气体开关的充气气体配比方法和充气装置，可以根据实际 工况合理的调配气体开关中氧气和惰性气体的配比，在保证有足够的氧气使消耗的碳转化 为废气排出的同时，有效地防止含氮产物与开关附属的各种绝缘材料、密封材料发生化学 反应，形成化学腐蚀，对开关结构和绝缘强度造成破坏。同时该充气装置安装简单，使用方 便，适用于各种使用气体开关的系统。
[0087]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置，其特征在于，包括氧气气源、惰性气体 气源、第一可控压力阀S1、第二可控压力阀S2、第三可控压力阀S3、第四可控压力阀S4、第一 气压传感器VI、第二气压传感器V2、第一机电控制器Ml、第二机电控制器M2、控制终端C1，第 一缓冲气室A1、第二缓冲气室A2和混合气室XI; 所述第一可控压力阀S1的输入端通过气管连接氧气气源，所述第一缓冲气室A1的输入 端通过气管连接至所述第一可控压力阀S1的输出端，所述第二可控压力阀S2的输入端通过 气管连接至所述第一缓冲气室A1的第二输出端，所述混合气室XI的第一输入端通过气管连 接至所述第二可控压力阀S2的输出端； 所述第一气压传感器VI的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室A1的第一输出端， 所述第一机电控制器Ml的压力信号输入端连接至所述第一气压传感器VI的输出端，所述第 一机电控制器Ml的第一控制信号输出端连接至S1的控制端，所述第一机电控制器Ml的第二 控制信号输出端连接至S2的控制端，所述第一机电控制器Ml的压力信号输出端和控制信号 输入端均连接至所述控制终端C1的第一端； 所述第三可控压力阀S3的输入端通过气管连接惰性气体气源，所述第二缓冲气室A2的 输入端通过气管连接至所述第三可控压力阀S3的输出端，所述第四可控压力阀S4的输入端 通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第二输出端，所述混合气室XI的第二输入端通过气 管连接至所述第四可控压力阀S4的输出端； 所述第二气压传感器V2的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第一输出端， 所述第二机电控制器M2的压力信号输入端连接至所述第二气压传感器V2的输出端，所述第 二机电控制器M2的第一控制信号输出端连接至第三可控压力阀S3的控制端，所述第二机电 控制器M2的第二控制信号输出端连接至第四可控压力阀S4的控制端，所述第二机电控制器 M2的压力信号输出端和控制信号输入端均连接至所述控制终端C1的第二端。2. 如权利要求1所述的充气配比控制装置，其特征在于，所述第一缓冲气室A1和所述第 二缓冲气室A2的容积相等； 所述第一缓冲气室A1的压力值，所述第二缓冲气室A2的压力值PQ2 = kP01， 其中，P〇为缓冲气室压力值，VA1为标准状态下所需的氧气气体体积，VQ1为缓冲气室A1的容 积，k的取值范围为1~4。3. 如权利要求1或2所述的充气配比控制装置，其特征在于，所述控制终端C1包括： 第一计算模块，用于根据气体开关T1的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗 质量M=qm · Q; 第二计算模块，用于将所述碳消耗质量Μ除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔 数，并根据所述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数Dm;根据碳与氧气生成二氧化碳的 化学反应式，可知所需氧气的摩尔数Dm和石墨碳相同； 第三计算模块，用于根据摩尔数Dm获得所需氧气的气体体积VQ1 = Dm X 22.4;并根据所需 氧气的气体体积VQ1和缓冲气室A 1的容积VA1获得第一缓冲气室A 1的第一压力值;根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值Ρ 02 = kPoi; 判断模块，用于判断第一气压传感器VI实时检测的第一缓冲气室A1的压力值是否大于 1.5PQ1，若是，则输出第一控制信号，；若否，则输出第二控制信号;判断第二气压传感器V2实 时检测的第二缓冲气室A2的压力值是否大于1.5P Q2,若是，则输出第三控制信号;若否，则输 出第四控制信号；以及 控制模块，根据所述第一控制信号控制第一可控压力阀S1关闭且第二可控压力阀S2打 开;根据所述第二控制信号控制第二可控压力阀S2关闭且第一可控压力阀S1打开;根据所 述第三控制信号控制第三可控压力阀S3关闭且第四可控压力阀S4打开;根据所述第四控制 信号控制第四可控压力阀S4关闭且第三可控压力阀S3打开;并当所述第一缓冲气室A1的压 力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力值等于所述第二压力值时，控制第二 可控压力阀S2和第四可控压力阀S4均打开，从而在所述混合气室XI中获得完成配比后所需 的混合气体。4. 如权利要求1-3任一项所述的充气配比控制装置，其特征在于，所述惰性气体气源为 氦气或氩气。5. -种基于权利要求1所述的充气配比控制装置的充气配比控制方法，其特征在于，包 括下述步骤： S1:根据气体开关T1的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M=qm · Q; S2:将所述碳消耗质量Μ除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所述碳 消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数Dm; 根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数Dm和石墨碳相同； S3:根据摩尔数Dm获得所需氧气的气体体积VQ1 = DMX22.4;并根据所需氧气的气体体积 乂01和第一缓冲气室A1的容积VA1获得第一缓冲气室A1的第一压力值根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PQ2 = kP01; S4:判断第一气压传感器VI实时检测的第一缓冲气室A1的压力值是否大于1.5PQ1，若 是，则关闭第一可控压力阀S1并打开第二可控压力阀S2;若否，则关闭第二可控压力阀S2并 打开第一可控压力阀S1;判断第二气压传感器V2实时检测的缓冲气室A2的压力值是否大于 1.5P Q2,若是，则关闭第三可控压力阀S3并打开第四可控压力阀S4;若否，则关闭第四可控压 力阀S4并打开第三可控压力阀S3; S5:当第一缓冲气室A1的压力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力值等 于所述第二压力值时，打开第二可控压力阀S2和第四可控压力阀S4,并在所述混合气室XI 中获得完成配比后所需的混合气体。6. 如权利要求5所述的充气配比控制方法，其特征在于，所述惰性气体与氧气的配比关 系k为： 当单次转移电荷量低于100C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在4:1至3:1之间； 当单次转移电荷量在100C~180C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在3:1至2:1之 间； 当单次转移电荷量在180C~300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在2:1至1:1之 间； 当单次转移电荷量大于300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在1:1左右。7. -种基于权利要求1-4任一项所述的充气配比控制装置的充气装置，其特征在于，所 述充气装置包括充气配比控制装置、第五可控压力阀S5、第六可控压力阀S6、第三气压传感 器V3和第三机电控制器M3; 所述第五可控压力阀S5的输入端通过气管连接至所述充气配比控制装置中所述混合 气室XI的输出端，所述第五可控压力阀S5的输出端用于连接气体开关T1的输入端； 所述第六可控压力阀S6的输入端通过气管连接至所述气体开关T1的输出端，所述第六 可控压力阀S6的输出端用于连接废气排出管道； 所述第三气压传感器V3的输入端通过气管连接至所述气体开关T1的输出端，所述第三 机电控制器M3的压力信号输入端连接至所述第三气压传感器V3的输出端，所述第三机电控 制器M3的第一控制信号输出端连接至S5的控制端，所述第三机电控制器M3的第二控制信号 输出端连接至S6的控制端，所述第三机电控制器M3的压力信号输出端和控制信号输入端均 连接至所述充气配比控制装置中所述控制终端C1的第三端。8. 如权利要求6所述的充气装置，其特征在于，工作时，根据实际工况获得开关工作的 气压值，判断第三气压传感器V3实时检测的气体开关T1的压力值是否大于所述气压值，若 是，则关闭第五可控压力阀S5并打开第六可控压力阀S6;若否，则关闭第六可控压力阀S6并 打开第五可控压力阀S5，并完成对气体开关T1的充气。9. 一种基于权利要求4所述的充气装置的充气方法，其特征在于，包括下述步骤： S1:根据气体开关T1的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M=qm · Q; S2:将所述碳消耗质量Μ除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所述碳 消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数Dm; 根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数Dm和石墨碳相同； S3:根据摩尔数Dm获得所需氧气的气体体积VQ1 = DMX22.4;并根据所需氧气的气体体积 乂01和第一缓冲气室A1的容积VA1获得第一缓冲气室A1的第一压力值.根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PQ2 = kP01; S4:判断第一气压传感器VI实时检测的第一缓冲气室A1的压力值是否大于1.5PQ1，若 是，则关闭第一可控压力阀S1并打开第二可控压力阀S2;若否，则关闭第二可控压力阀S2并 打开第一可控压力阀S1; 判断第二气压传感器V2实时检测的缓冲气室A2的压力值是否大于1.5PQ2,若是，则关闭 第三可控压力阀S3并打开第四可控压力阀S4;若否，则关闭第四可控压力阀S4并打开第三 可控压力阀S3; S5:当第一缓冲气室A1的压力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力值等 于所述第二压力值时，打开第二可控压力阀S2和第四可控压力阀S4,并在所述混合气室XI 中获得完成配比后所需的混合气体； S6:根据实际工况获得开关工作的第三气压值，判断第三气压传感器V3实时检测的气 体开关T1的压力值是否大于所述第三气压值，若是，则关闭第五可控压力阀S5并打开第六 可控压力阀S6,多余气体流入废气回收管道;若否，则关闭第六可控压力阀S6并打开第五可 控压力阀S5,混合气室XI中完成配比的混合气体充入气体开关T1中，并最终完成对气体开 关T1的充气。10.如权利要求9所述的充气方法，其特征在于，所述惰性气体与氧气的配比关系k为： 当单次转移电荷量低于100C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在4:1至3:1之间； 当单次转移电荷量在100C~180C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在3:1至2:1之 间； 当单次转移电荷量在180C~300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在2:1至1:1之 间； 当单次转移电荷量大于300C时，惰性气体的体积与氧气体积的比例在1:1左右。
【文档编号】H01T1/20GK106058644SQ201610421740
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】李黎, 彭明洋, 程勇
【申请人】华中科技大学