一种高压开关装置燃弧特性观测系统及方法

1.本发明涉及高压开关技术领域，尤其涉及一种高压开关装置燃弧特性观测系统及方法。


背景技术：

2.气体绝缘开关设备广泛应用于电力系统中，设备内的气体的绝缘能力与灭弧性能一直以来是人们研究的重点，sf6气体因其介电强度高、灭弧性能好等优点，仍然是开关设备气体绝缘介质的首选。由于sf6气体具有极强的温室效应和液化温度高等缺点，寻找sf6的替代气体已逐渐成为热潮，而研究绝缘气体的燃弧特性是研究内容中必不可少的一部分。
3.目前对于绝缘气体的研究更多的是测量电弧电压、电弧电流，而电弧的光学信息同样具有很大的研究价值，电弧图像能够直观的反映出电弧的形貌及运动特性，而光谱参数可以得到气体燃弧时形成放电通道的电子温度和电子密度，进一步分析等离子体通道的电导率等参数信息。对于现有的开关设备来讲，无法通过罐体外壳直接观测到电弧本身情况，想要观察电弧的燃弧特性十分困难，成为研究高压开关装置燃弧特性的一大难点。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高压开关装置燃弧特性观测系统及方法。通过自主设计的高压开关装置，在装置外侧开设有两个圆形玻璃观察窗通道，透过观察窗可以直观地了解装置内部的燃弧情况，解决了传统电力开关设备在电弧观测上的不足。通过观察窗既可以进行电弧图像的拍摄，又可以满足光谱谱线信息的采集。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
6.一方面，一种高压开关装置燃弧特性观测系统，包括实验罐体、密封导电杆、静端导电杆、动端导电杆、静触头、动触头、操动机构、实验回路、电弧电压电流采集设备、触头运动行程采集设备、信息接收设备；
7.所述实验罐体外侧开设有四个高度一致且相互垂直的通道，所述通道包括两个玻璃观察窗、一个充放气口通道及一个用来放置光纤光谱仪探头的通道。通道外侧焊接有法兰盘，均通过螺栓将法兰盘及对应的法兰盖板连接，在法兰盘与对应的法兰盖板之间均装有密封圈；实验罐体外与玻璃观察窗水平位置分别放置高速摄像机、光纤光谱仪；其中高速摄像机通过三角架固定，光纤光谱仪的触发器固定在玻璃观察窗的中心位置；
8.所述实验回路由高压电源、lc振荡系统与实验装置串联组成，其中所述lc振荡系统包括充电开关ms、电容器组c、电抗器组l、泄能开关sx、泄能电阻r
x
以及合闸开关hk，所述高压电源与充电开关ms、电容器组c、电抗器组l以及合闸开关hk串联，泄能开关sx和泄能电阻r
x
串联在一起同时并联在电容器组c两端；所述实验装置包括主罐体、密封导电杆、静端导电杆、以及动端导电杆，所述密封导电杆贯穿罐体顶端，罐体内部的密封导电杆与静端导电杆连接，动端导电杆贯穿罐体底端，静端导电杆与动端导电杆中心相对；所述静触头与动触头分别安装在罐体内部的静端导电杆及动端导电杆上，高压电源的高压端与罐体外面部
分的密封导电杆连接，高压电源的低压端与罐体外面的动端导电杆连接；
9.所述电弧电压电流采集设备包括高压差分探头、罗氏线圈，所述高压差分探头的的测量引线分别安装在主罐体外侧两端的密封导电杆及动端导电杆上；罗氏线圈串接在实验回路动触头端的低压侧。
10.所述触头运动行程采集设备为直线位移传感器，固定在所述操动机构的固定板上；
11.所述信息接收设备包括计算机、示波器；所述计算机通过千兆以太网数据线缆与高速摄像机连接，光谱仪触发器固定在观察窗中心位置，一端采集触发信号，另一端与电脑连接；罗氏线圈一端串接在实验回路低压侧，另一端与示波器连接。
12.一种高压开关装置燃弧特性观测方法，根据前述一种高压开关装置燃弧特性观测系统实现，包括以下步骤：
13.步骤1：实验前将高速摄像机与光纤光谱仪调整为待触发状态，其中光纤光谱仪采用光触发方式；
14.步骤2：当电弧产生后，经过光纤光谱仪的八通道光纤进入光谱仪；
15.步骤3：光纤光谱仪开始工作，光谱仪的分光器和ccd将光信号装换为电信号由上位机显示存储；高速摄像机在设备开断后进行手动触发，摄像机自动保存触发设定时间的视频；
16.步骤4：示波器采集电弧电压、电流以及触头行程信息，信息采集完成，则高压开关装置的燃弧特性观测完成。
17.本发明所产生的有益效果在于：
18.本发明提出一种高压开关装置燃弧特性观测系统及方法，具备以下有益效果：
19.1、与传统的高压开关相比，本发明可以直观的采集到反应室内电弧燃弧时的光学信息，通过拍摄到的电弧图片可以看到不同实验条件下的电弧形貌及变化趋势，电弧图像的辅助分析方法，为理解实验现象提供了参考，同时也为高压开关设备绝缘与灭弧气体电弧特性的研究提供了支撑；通过发射光谱法测量燃弧时的光谱信息，分析电弧等离子体的光谱信息，从而获得燃弧时刻的电子温度和电子密度等微观参量信息，使理论计算结果通过实验手段得到有效的验证。
20.2、本发明所开设的四个观察窗通道(其中有两个观察直径为90mm圆形玻璃观察窗，玻璃的材质为s1远紫外光学石英玻璃，厚度为15mm)，玻璃观察窗无气泡、纯度高，机械硬度大，具有极佳的透光率，观察电弧范围大、位置正、清晰度高，将电弧原貌最大限度的记录下来。
21.3、电弧燃弧时间为毫秒级，高速摄像机可以清晰完整地将整个燃弧过程记录下来，便于后期对电弧整个变化过程进行详细的观察和分析。
22.4、本装置为自主加工的罐体，与传统高压开关设备相比体积减小，大大的减小了占地面积与气体用量，实验周期也大为缩短，降低了经济成本，同时设备加工简易且拆卸便捷。
附图说明
23.图1为本发明高压开关装置结构示意图；
24.其中，1-高速摄像机玻璃观察窗，2-光纤光谱仪玻璃观察窗，3-静触头，4-动触头；
25.图2为本发明燃弧特性光学信息采集平台原理图；
26.图3为本发明实施例中光纤光谱仪采集得到的电弧燃弧时刻的曲线图。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
28.一方面，一种高压开关装置燃弧特性观测系统，如图1所示，包括实验罐体、密封导电杆、静端导电杆、动端导电杆、静触头、动触头、操动机构、实验回路、电弧电压电流采集设备、触头运动行程采集设备、信息接收设备；
29.所述实验罐体外侧开设有四个高度一致且相互垂直的通道，所述通道包括两个玻璃观察窗、一个充放气口通道及一个用来放置光纤光谱仪探头的通道。所述玻璃观察窗为直径为90mm的玻璃观察窗，为光学信息采集通道；通道外侧焊接有法兰盘，均通过螺栓将法兰盘及对应的法兰盖板连接，在法兰盘与对应的法兰盖板之间均装有密封圈；实验罐体外与玻璃观察窗水平位置分别放置高速摄像机、光纤光谱仪；其中高速摄像机通过三角架固定，光纤光谱仪的触发器固定在玻璃观察窗的中心位置，其中高速摄像机用来拍摄电弧图片，将高速摄像机固定在三角支架上，调整摄像机的位置与焦距，使摄像机镜头正对观察窗内的动静触头且图像显示清晰，光谱仪触发器采集光谱信息，光谱仪共八通道输入，更能精确的还原光谱信息，每个通道耦合了2048像素线阵ccd，波长测量范围200nm-1100nm，分辨率为10-3nm，最小积分时间1.1ms；
30.所述实验回路如图2所示，由高压电源、lc振荡系统与实验装置串联组成，其中所述lc振荡系统包括充电开关ms、电容器组c、电抗器组l、泄能开关sx、泄能电阻r
x
以及合闸开关hk，所述高压电源与充电开关ms、电容器组c、电抗器组l以及合闸开关hk串联，泄能开关sx和泄能电阻r
x
串联在一起同时并联在电容器组c两端；所述实验装置包括主罐体、密封导电杆、静端导电杆、以及动端导电杆，所述密封导电杆贯穿罐体顶端，罐体内部的密封导电杆与静端导电杆连接，动端导电杆贯穿罐体底端，静端导电杆与动端导电杆中心相对；所述静触头与动触头分别安装在罐体内部的静端导电杆及动端导电杆上，高压电源的高压端与罐体外面部分的密封导电杆连接，高压电源的低压端与罐体外面的动端导电杆连接；
31.所述电弧电压电流采集设备包括高压差分探头、罗氏线圈，所述高压差分探头的的测量引线分别安装在主罐体外侧两端的密封导电杆及动端导电杆上；罗氏线圈串接在实验回路动触头端的低压侧。
32.所述触头运动行程采集设备为直线位移传感器，固定在所述操动机构的固定板上；
33.所述信息接收设备包括计算机、示波器；所述计算机通过千兆以太网数据线缆与高速摄像机连接，光谱仪触发器固定在观察窗中心位置，一端采集触发信号，另一端与电脑连接；罗氏线圈一端串接在实验回路低压侧，另一端与示波器连接。
34.一种高压开关装置燃弧特性观测方法，根据前述一种高压开关装置燃弧特性观测系统实现，包括以下步骤：
35.步骤1：实验前将高速摄像机与光纤光谱仪调整为待触发状态，其中光纤光谱仪采
用光触发方式；
36.步骤2：当电弧产生后，经过光纤光谱仪的八通道光纤进入光谱仪；
37.步骤3：光纤光谱仪开始工作，光谱仪的分光器和ccd将光信号装换为电信号由上位机显示存储；高速摄像机在设备开断后进行手动触发，摄像机自动保存触发前4.46s内的视频；
38.步骤4：由于分断过程在几十毫秒内完成，所以人工触发可以将燃弧过程完整的记录下来；:示波器采集电弧电压、电流以及触头行程信息，信息采集完成，则高压开关装置的燃弧特性观测完成。
39.本实施例中光谱仪采集得到的光谱图如图3所示，横坐标为波长，范围为500-550nm，纵坐标为光强，当电子由高能级向低能级跃迁时多余的能量会以光子的形式释放，产生特定波长的光子，发出光子后产生一个光谱波峰，根据波峰对应的波长可以确定发出光子的元素及能级跃迁规律。由图可以看出铜的跃迁波长510.5nm、515.3nm、521.8nm、529.3nm处有很高的峰值，表示该波长处有较高的辐照强度。
40.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。