一种基于恒流源的可控直流电弧发生装置的制作方法

本发明属于电学检测技术领域，具体涉及一种基于恒流源的可控直流电弧发生装置。

背景技术：

灭弧喷口作为断路器灭弧装置中控制电弧，创造高速气吹条件的核心部件，它在开断短路电流中起着极为重要的作用。它不仅应具有优良的电气性能、机械性能和耐化学腐蚀性能，而且随着断路器朝高电压、大容量和小型化方向发展，断路器断口数减少，电弧能量增大，更应充分考虑喷口的耐电弧烧蚀能力。开断电流越大，电弧燃烧越强烈，电弧熄灭的时间越长。电弧燃烧产生的热量和气体电离对高压开关设备实现其功能和服役寿命有极大的危害。高压开关用灭弧式喷口在高压开关上的功能方面，要求喷口开断的电流越来越大。随着我国特高压电网的建设，国家电网规模和输送电能越来越多。我国电网的电量输送能力和容纳能力达到一个很大的规模，客观上要求喷口开断电流日趋提高，对喷口材料的耐烧蚀性能、开断寿命提出更高的要求。

开断电流的提高迫使本行业研究机构研究耐烧蚀性能更高的聚四氟乙烯材料，或者对现有的聚四氟乙烯(PTFE)采用表面改性、填充改性、共混改性的方法提高聚四氟乙烯材料的综合性能，其中填充改性将成为喷口材料改性的一个重要趋势。通过添加高性能填料，在聚四氟乙烯内部性能新的微观结构，赋予其更高的性能。因此评判喷口材料的耐烧蚀性能以及研发喷口材料耐烧蚀试验装置已成为当务之急。

在断路器燃弧过程中，喷口同时承受到强光和高温的共同作用，为了判断光和热分别对喷口的烧蚀作用，传统的方法是采用两种试验模拟光和热对喷口的烧蚀：

①压大电流弧光(18kV/550kA)，试验后试样不发热，认为试样主要承受电弧光的作用；

②小电流弧光(2kV/10mA)，试验后试样发热，认为试样主要承受电弧热的作用。

断路器内喷口材料烧蚀受开断电压、开断电流、灭弧室内气吹等的综合作用，灭弧室内电弧对喷口材料的热效应主要包括辐射散热、对流散热与传导散热，其中以热辐射为主，热辐射与气流冲刷是造成喷口材料烧蚀的最主要因素。传统的喷口材料耐烧蚀试验方法不能同时模拟电弧光效应与热效应的综合结果，而且采用高压大电流弧光试验操作复杂，对试验装置要求高，因此设计出一套可以同时表征电弧热效应和光效应的试验装置来评判喷口材料的 性能有着极为重要的意义。

技术实现要素：

为解决喷口材料耐烧蚀试验装置的问题，本发明提供一种基于恒流源的可控直流电弧发生装置，产生的可控直流电弧可以模拟断路器喷口材料的耐烧蚀性能，检测不同种材料的质量，操作简单，经济实用。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于恒流源的可控直流电弧发生装置，所述装置包括数据采集模块、点火模块、保护模块、控制模块、试验台和电源模块；所述保护模块与点火模块连接，所述点火模块和保护模块分别与试验台连接，所述试验台通过数据采集模块连接控制模块，所述控制模块通过电源模块连接保护模块。

所述控制模块控制电源模块产生可控电源；

所述电源模块采用恒流源，所述恒流源产生电压在0～1500V、电流在0～100A范围内的可控电源，用于维持可控直流电弧稳定燃烧。

所述数据采集模块采集试验数据并传输给控制模块，所述试验数据包括试验电流和试验电压。

所述点火模块包括高压发生器和引弧线圈；

所述高压发生器由变压器与电容振荡构成，其产生瞬间的高频过高压，引弧线圈将该高频过电压引入试验台中的静电极，击穿间隙，产生直流电弧。

所述试验台包括高压引线、低压引线、卡盘、伺服电机、动电极、静电极和气泵；所述卡盘包括内卡盘和外卡盘；

所述高压引线和低压引线分别连接静电极和动电极，所述内卡盘夹持动电极和静电极，外卡盘夹持喷口材料，所述伺服电机控制动电极移动，使动电极保持燃弧距离，所述动电极和静电极均采用钨碳合金，所述静电极为中空管状，其连接气泵吹入压力可调的气流。

所述控制模块包括PLC和计算机；

所述PLC采用松下FPX0-L40R可编程控制器。

所述PLC控制恒流源的接入，并对点火模块和过电压保护模块进行控制，使点火模块产生瞬间高频过电压，击穿间隙进而产生可控直流电弧，并使过压保护模块启动过电压保护功能。

所述计算机设定试验参数，所述试验参数包括电弧电流、电弧电压、燃弧距离、燃弧时 间和气流压力；

所述计算机同时接收所述数据采集模块采集的试验数据，并根据实验数据绘制电弧电压曲线。

所述保护模块包括过电压保护模块和启动保护模块；

所述过电压保护模块由高频电容与电感串并联构成，避免点火模块产生的高频电压对恒流源造成冲击；

所述启动保护模块用于避免由误操作对所述装置造成的危害。

所述装置用于检测断路器喷口材料的耐烧蚀性能，断路器喷口材料采用PTFE，且其为外径20mm、内径10mm、高20mm的圆筒。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供基于恒流源的可控直流电弧发生装置，可以产生预设的电弧电压、电流、燃弧距离、燃弧时间的电弧，较传统的喷口试验方法，同时表征电弧的热效应和光效应对喷口材料的影响；

(2)模拟断路器内辐射散热和气吹灭弧对喷口材料烧蚀的作用，进一步分析喷口材料的耐烧蚀性能；

(3)以喷口材料经电弧烧蚀一次损失的质量作为评判喷口材料耐烧蚀性能的指标。

附图说明

图1是本发明实施例中基于恒流源的可控直流电弧发生装置结构框图；

图2是本发明实施例中控制模块流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种基于恒流源的可控直流电弧发生装置，所述装置包括数据采集模块、点火模块、保护模块、控制模块、试验台和电源模块；所述保护模块与点火模块连接，所述点火模块和保护模块分别与试验台连接，所述试验台通过数据采集模块连接控制模块，所述控制模块通过电源模块连接保护模块。

所述控制模块控制电源模块产生可控电源；

所述电源模块采用恒流源，所述恒流源产生电压在0～1500V、电流在0～100A范围内的可控电源，用于维持可控直流电弧稳定燃烧。

所述数据采集模块采集试验数据并传输给控制模块，所述试验数据包括试验电流和试验电压。

所述点火模块包括高压发生器和引弧线圈；

所述高压发生器由变压器与电容振荡构成，其产生瞬间的高频过高压，引弧线圈将该高频过电压引入试验台中的静电极，击穿间隙，产生直流电弧。

所述试验台包括高压引线、低压引线、卡盘、伺服电机、动电极、静电极和气泵；所述卡盘包括内卡盘和外卡盘；

所述高压引线和低压引线分别连接静电极和动电极，所述内卡盘夹持动电极和静电极，外卡盘夹持喷口材料，所述伺服电机控制动电极移动，使动电极保持燃弧距离，所述动电极和静电极均采用钨碳合金，所述静电极为中空管状，其连接气泵吹入压力可调的气流，模拟直流电弧燃烧断路器喷口材料过程中的气流冲刷的影响。

图2为控制模块流程图，所述控制模块包括PLC和计算机；

所述PLC采用松下FPX0-L40R可编程控制器。

所述PLC具备了大容量、可扩展性、高安全性，实现了小型PLC的超高速运算处理，用于控制恒流源的接入，并对点火模块和过电压保护模块进行控制，使点火模块产生瞬间高频过电压，击穿间隙进而产生可控直流电弧，并使过压保护模块启动过电压保护功能。

所述计算机设定试验参数，所述试验参数包括电弧电流、电弧电压、燃弧距离、燃弧时间和气流压力；

所述计算机同时接收所述数据采集模块采集的试验数据，并根据实验数据绘制电弧电压曲线。

所述保护模块包括过电压保护模块和启动保护模块；

所述过电压保护模块由高频电容与电感串并联构成，避免点火模块产生的高频电压对恒流源造成冲击；

所述启动保护模块用于避免由误操作对所述装置造成的危害。

所述装置用于检测断路器喷口材料的耐烧蚀性能，断路器喷口材料受烧蚀主要受到电弧光效应、热效应和喷口内气流冲刷，其中热效应主要以辐射散热为主，断路器喷口材料采用PTFE，且其为外径20mm、内径10mm、高20mm的圆筒。

断路器喷口材料主要采用PTFE制成，在辐射能的作用下，PTFE分子将被激发和活化。当吸收的能量足够大时，PTFE分子链上的C—C键断裂，分子解离，放出低分子物，PTFE被蒸发。当辐射能穿透PTFE表面进入内部后，可引起内部的分子链断裂，发生分解，产生气泡和炭化。这个过程中PTFE直接以蒸发的形式被烧蚀。因此，燃弧过程中PTFE的烧蚀 是电弧能量的传导和辐射共同作用的结果。

断路器灭弧过程：在动触头和静触头分离期间，利用灭弧室喷口中高速流动的气流对直流电弧进行吹喷、冷却直至熄灭直流电弧。喷口喉部直径的大小和具体外形结构直接影响着喷口中气流场的物理特性，从而影响到喷口的开断能力。在开断高压大电流电弧的过程中，喷口喉部材料会受到电弧的烧蚀，导致喷口喉部材料受高温、高辐射的作用而气化分解，表面呈现蜂窝状，再加上高速气流的吹喷作用，会使喷口喉部直径变大；喷口喉部直径的变大反过来又影响气流的湍流状态，使气流的速度变小和吹气时间变短，从而影响断路器的灭弧性能。这样的反复作用，断路器的开断性能和使用寿命就会大幅下降。因此断路器灭弧装置的关键就是合理选择喷口材料，使其具有耐电弧烧蚀性能，正确设计喷口形状和尺寸以及处理好与触头、压气室等的配合关系。在断路器中，因为电弧作用，会产生很高的温度(20000K)，喷口和电极触头会烧蚀气化，而产生氟化氢等低氟化合物，会对喷口和触头产生极强的化学腐蚀作用，所以研究断路器的喷口材料的耐烧蚀性能评判指标及研发喷口材料的耐烧蚀试验装置有着深远的意义。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。