一种高温电弧气压测量装置

本发明属于断路器开断电弧和光学，具体涉及一种高温电弧气压测量装置。

背景技术：

1、当今中国国民经济和综合国力不断增强，对于我国对高压和超高压输变电工程的规划建设，要求传输电能的电力系统网络要更加可靠。同时对电力设备稳定安全运行的要求也不断提高，开发输变电系统及相关电力装备具有重要意义。在输电建设工程中，断路器、变压器、接地开关等电器设备有着保护以及调配输电线路的作用。断路器作为电力系统中最重要和最复杂的电力设备，对其开断和灭弧能力有着严格的要求。

2、当断路器在开断过程中，在短路器触头上会引燃电弧，电弧作为高温等离子体，其温度非常高，上限可以高达到20×103k，其下限也有6×103k，电弧燃烧时，中心位置的温度最高，达到了12000k，边缘的温度因为接触周围的空气等物质，热能消耗、交换较快，温度仅为500k。因为电弧的温度关系，在其周围会产生温度梯度，从而引起气体的流动，使得电弧周围的气压发生变化，进而影响断路器的工作状态，因此气压作为反应电弧状态的重要参数，所以急需一种测量电弧周围区域的测量装置，对电弧周围的气压进行测量。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高温电弧气压测量装置，能够解决现有高压开关设备在开断时会产生电弧，电弧周围产生气压，影响设备正常工作的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种高温电弧气压测量装置，包括高压电源、两个电极、光纤连接器、激光发射器、分束器、光纤耦合器、信号调节器、隔膜位移结构和密闭腔体；

3、隔膜位移结构设置在密闭腔体内腔，光纤连接器的一端设置在密闭腔体内腔，且与隔膜位移结构相连接，光纤连接器的另一端设置在密闭腔体的外侧，光纤连接器位于密闭腔体外侧的一端包括第一连接端和第二连接端，其中，分束器产生第一光束和第二光束，第一连接端通过第一光纤与第一光束相连接，光纤耦合器的一端分别通过第三光纤连接第二光束和通过第二光纤连接第二连接端，光纤耦合器的另一端与信号调节器相连接，激光发射器与分束器相连接，两个电极设置在密闭腔体内腔，且两个电极相对设置，两个电极的相远离的一端均与位于密闭腔体外侧的高压电源电性连接。

4、可选的，隔膜位移结构包括保护外壳、反射镜、隔膜和微型气管；

5、保护外壳与密闭腔体的内腔底部相连接，隔膜设置在保护外壳的一侧，反射镜设置在隔膜上，第一光束依次经过光纤连接器和反射镜，经过反射后第一光束经过第二连接端与光纤耦合器相连接，微型气管的一端连接保护外壳，微型气管的另一端穿过密闭腔体外侧且连接大气。

6、可选的，隔膜位移结构还包括支架，支架的一端与密闭腔体的内腔底部相连接，支架的另一端连接保护壳体。

7、可选的，光纤连接器与密闭腔体之间通过紧固件相连接。

8、可选的，隔膜位移结构可通过激光测量隔膜进行位移。

9、可选的，隔膜位移结构通过激光测量隔膜进行位移为：

10、激光发射器发出激光后经分束器分为第一光束和第二光束，第一光束通过第一光纤传输至光纤连接器后，传输至隔膜位移结构后经反射通过第二光纤传输至光纤耦合器，第二光束直接通过第三光纤传输至光纤耦合器。

11、可选的，设定第一光纤的长度为d1，第二光纤的长度为d2，第三光纤的长度为d3，第一光纤与反射镜之间距离为d4，在隔膜无压力不发生位移时，预设d1+d2+2d4＝d3，当隔膜有压力进行位移时，即计算得到光程差，公式如下：

12、

13、其中，i为干涉光强，i1为测量光光强，i2为参考光光强，为参考光相位，为测量光相位。

14、可选的，第一光束和第二光束的相位差公式如下：

15、

16、其中，l为测量光与参考光之间的光程差，也就是两倍的待测距离d，v为光的频率，c为光的速度，为参考光与测量光相位差，为参考光相位，为测量光相位；

17、当激光频率v实现无跳模的线性扫描时，信号调节器所测得的干涉光光强i为固定频率的周期信号，其频率表达式如下：

18、

19、其中，为频率扫描范围，为频率扫描时间，l为测量光与参考光之间的光程差，f为干涉光信号的频率。

20、可选的，求得干涉光信号的频率f的变化后即可得到测量光束与参考光束光程差变化，从而求得测距离d为：

21、

22、其中，f为干涉光信号的频率，c为光的速度，为频率扫描范围，为频率扫描时间。

23、可选的，隔膜中膜片的中心扰度计算公式如下：

24、

25、其中，w为膜片中心扰度，a为膜片有效半径，t为膜片厚度，e为膜片弹性模量，μ为膜片泊松比，p为压力。

26、有益效果

27、本发明的实施例中所提供的一种高温电弧气压测量装置，通过在密闭腔体中设置电极以及隔膜位移结构，在外部设置激光发射器、分束器、以及光纤耦合器，激光发射器发出的光纤通过分束器分为第一光束和第二光束，第一光束通过入射光纤和反射镜后通过反射光纤传出，与第二光束经光纤耦合器后发生干涉，压力改变膜片位置也会发生改变，同时改变反射镜位置，使得干涉条纹发生改变，信号调节器利用一定的计算公式通过对干涉条纹的分析得出膜片位移，从而得到压力的大小。进而解决了现有高压开关设备在开断时会产生电弧，电弧周围产生气压，影响设备正常工作的问题。

28、优点：

29、1、实验装置可应用于多种电压形态，交流电压、直流电压、冲击电压等。

30、2、本发明采用光纤进行数据传输，将数据处理装置放置在实验腔体外部，减少了对于空间的占用，同时避免了内部复杂的电磁环境对于数据采集的影响。

31、3、内部探头支架采用聚四氟结构没具有良好的绝缘性能，可以减少对燃弧实验本身造成的影。

32、4、实验装置的支架可以移动，可以根据需要测量不同区域的气压。

33、5、保护外壳通过微型气管与大气连通，保证在腔体内部温度变化的条件下保护外壳内部的气压恒定为大气压。

技术特征：

1.一种高温电弧气压测量装置，其特征在于，包括高压电源(1)、两个电极(2)、光纤连接器(3)、激光发射器(5)、分束器(6)、光纤耦合器(8)、信号调节器(7)、隔膜位移结构和密闭腔体(12)；

2.根据权利要求1所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，隔膜位移结构包括保护外壳(9)、反射镜(10)、隔膜(11)和微型气管(14)；

3.根据权利要求2所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，隔膜位移结构还包括支架(13)，支架(13)的一端与密闭腔体(12)的内腔底部相连接，支架(13)的另一端连接保护壳体(9)。

4.根据权利要求1所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，光纤连接器(3)与密闭腔体(12)之间通过紧固件(4)相连接。

5.根据权利要求2所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，隔膜位移结构可通过激光测量隔膜进行位移。

6.根据权利要求5所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，隔膜位移结构通过激光测量隔膜进行位移为：

7.根据权利要求6所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，设定第一光纤的长度为d1，第二光纤的长度为d2，第三光纤的长度为d3，第一光纤与反射镜(10)之间距离为d4，在隔膜(11)无压力不发生位移时，预设d1+d2+2d4＝d3，当隔膜(11)有压力进行位移时，即计算得到光程差，公式如下：

8.根据权利要求7所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，第一光束和第二光束的相位差公式如下：

9.根据权利要求8所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，求得干涉光信号的频率f的变化后即可得到测量光束与参考光束光程差变化，联立干涉光信号的频率f公式可求得测距离d为：

10.根据权利要求6所述的高温电弧气压测量装置，其特征在于，隔膜(11)中的膜片的中心扰度计算公式如下：

技术总结
本发明提供了一种高温电弧气压测量装置，包括高压电源、两个电极、光纤连接器、激光发射器、分束器、光纤耦合器、信号调节器、隔膜位移结构和密闭腔体，隔膜位移结构设置在密闭腔体内腔，光纤连接器的一端设置在密闭腔体内腔，且与隔膜位移结构相连接，光纤连接器的另一端设置在密闭腔体的外侧，光纤连接器位于密闭腔体外侧的一端包括第一连接端和第二连接端，其中，分束器产生第一光束和第二光束，第一连接端通过第一光纤与第一光束相连接，能够解决现有高压开关设备在开断时会产生电弧，电弧周围产生气压，影响设备正常工作的问题。

技术研发人员：李晓龙,郭东宇,邢栋,庚振新,林莘,王雯
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12