本發(fā)明屬于電學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于恒流源的可控直流電弧發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

滅弧噴口作為斷路器滅弧裝置中控制電弧，創(chuàng)造高速氣吹條件的核心部件，它在開斷短路電流中起著極為重要的作用。它不僅應(yīng)具有優(yōu)良的電氣性能、機(jī)械性能和耐化學(xué)腐蝕性能，而且隨著斷路器朝高電壓、大容量和小型化方向發(fā)展，斷路器斷口數(shù)減少，電弧能量增大，更應(yīng)充分考慮噴口的耐電弧燒蝕能力。開斷電流越大，電弧燃燒越強(qiáng)烈，電弧熄滅的時間越長。電弧燃燒產(chǎn)生的熱量和氣體電離對高壓開關(guān)設(shè)備實現(xiàn)其功能和服役壽命有極大的危害。高壓開關(guān)用滅弧式噴口在高壓開關(guān)上的功能方面，要求噴口開斷的電流越來越大。隨著我國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，國家電網(wǎng)規(guī)模和輸送電能越來越多。我國電網(wǎng)的電量輸送能力和容納能力達(dá)到一個很大的規(guī)模，客觀上要求噴口開斷電流日趨提高，對噴口材料的耐燒蝕性能、開斷壽命提出更高的要求。

開斷電流的提高迫使本行業(yè)研究機(jī)構(gòu)研究耐燒蝕性能更高的聚四氟乙烯材料，或者對現(xiàn)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綜合性能，其中填充改性將成為噴口材料改性的一個重要趨勢。通過添加高性能填料，在聚四氟乙烯內(nèi)部性能新的微觀結(jié)構(gòu)，賦予其更高的性能。因此評判噴口材料的耐燒蝕性能以及研發(fā)噴口材料耐燒蝕試驗裝置已成為當(dāng)務(wù)之急。

在斷路器燃弧過程中，噴口同時承受到強(qiáng)光和高溫的共同作用，為了判斷光和熱分別對噴口的燒蝕作用，傳統(tǒng)的方法是采用兩種試驗?zāi)M光和熱對噴口的燒蝕：

①壓大電流弧光(18kV/550kA)，試驗后試樣不發(fā)熱，認(rèn)為試樣主要承受電弧光的作用；

②小電流弧光(2kV/10mA)，試驗后試樣發(fā)熱，認(rèn)為試樣主要承受電弧熱的作用。

斷路器內(nèi)噴口材料燒蝕受開斷電壓、開斷電流、滅弧室內(nèi)氣吹等的綜合作用，滅弧室內(nèi)電弧對噴口材料的熱效應(yīng)主要包括輻射散熱、對流散熱與傳導(dǎo)散熱，其中以熱輻射為主，熱輻射與氣流沖刷是造成噴口材料燒蝕的最主要因素。傳統(tǒng)的噴口材料耐燒蝕試驗方法不能同時模擬電弧光效應(yīng)與熱效應(yīng)的綜合結(jié)果，而且采用高壓大電流弧光試驗操作復(fù)雜，對試驗裝置要求高，因此設(shè)計出一套可以同時表征電弧熱效應(yīng)和光效應(yīng)的試驗裝置來評判噴口材料的 性能有著極為重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決噴口材料耐燒蝕試驗裝置的問題，本發(fā)明提供一種基于恒流源的可控直流電弧發(fā)生裝置，產(chǎn)生的可控直流電弧可以模擬斷路器噴口材料的耐燒蝕性能，檢測不同種材料的質(zhì)量，操作簡單，經(jīng)濟(jì)實用。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種基于恒流源的可控直流電弧發(fā)生裝置，所述裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、點火模塊、保護(hù)模塊、控制模塊、試驗臺和電源模塊；所述保護(hù)模塊與點火模塊連接，所述點火模塊和保護(hù)模塊分別與試驗臺連接，所述試驗臺通過數(shù)據(jù)采集模塊連接控制模塊，所述控制模塊通過電源模塊連接保護(hù)模塊。

所述控制模塊控制電源模塊產(chǎn)生可控電源；

所述電源模塊采用恒流源，所述恒流源產(chǎn)生電壓在0～1500V、電流在0～100A范圍內(nèi)的可控電源，用于維持可控直流電弧穩(wěn)定燃燒。

所述數(shù)據(jù)采集模塊采集試驗數(shù)據(jù)并傳輸給控制模塊，所述試驗數(shù)據(jù)包括試驗電流和試驗電壓。

所述點火模塊包括高壓發(fā)生器和引弧線圈；

所述高壓發(fā)生器由變壓器與電容振蕩構(gòu)成，其產(chǎn)生瞬間的高頻過高壓，引弧線圈將該高頻過電壓引入試驗臺中的靜電極，擊穿間隙，產(chǎn)生直流電弧。

所述試驗臺包括高壓引線、低壓引線、卡盤、伺服電機(jī)、動電極、靜電極和氣泵；所述卡盤包括內(nèi)卡盤和外卡盤；

所述高壓引線和低壓引線分別連接靜電極和動電極，所述內(nèi)卡盤夾持動電極和靜電極，外卡盤夾持噴口材料，所述伺服電機(jī)控制動電極移動，使動電極保持燃弧距離，所述動電極和靜電極均采用鎢碳合金，所述靜電極為中空管狀，其連接氣泵吹入壓力可調(diào)的氣流。

所述控制模塊包括PLC和計算機(jī)；

所述PLC采用松下FPX0-L40R可編程控制器。

所述PLC控制恒流源的接入，并對點火模塊和過電壓保護(hù)模塊進(jìn)行控制，使點火模塊產(chǎn)生瞬間高頻過電壓，擊穿間隙進(jìn)而產(chǎn)生可控直流電弧，并使過壓保護(hù)模塊啟動過電壓保護(hù)功能。

所述計算機(jī)設(shè)定試驗參數(shù)，所述試驗參數(shù)包括電弧電流、電弧電壓、燃弧距離、燃弧時 間和氣流壓力；

所述計算機(jī)同時接收所述數(shù)據(jù)采集模塊采集的試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制電弧電壓曲線。

所述保護(hù)模塊包括過電壓保護(hù)模塊和啟動保護(hù)模塊；

所述過電壓保護(hù)模塊由高頻電容與電感串并聯(lián)構(gòu)成，避免點火模塊產(chǎn)生的高頻電壓對恒流源造成沖擊；

所述啟動保護(hù)模塊用于避免由誤操作對所述裝置造成的危害。

所述裝置用于檢測斷路器噴口材料的耐燒蝕性能，斷路器噴口材料采用PTFE，且其為外徑20mm、內(nèi)徑10mm、高20mm的圓筒。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明提供基于恒流源的可控直流電弧發(fā)生裝置，可以產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電弧電壓、電流、燃弧距離、燃弧時間的電弧，較傳統(tǒng)的噴口試驗方法，同時表征電弧的熱效應(yīng)和光效應(yīng)對噴口材料的影響；

(2)模擬斷路器內(nèi)輻射散熱和氣吹滅弧對噴口材料燒蝕的作用，進(jìn)一步分析噴口材料的耐燒蝕性能；

(3)以噴口材料經(jīng)電弧燒蝕一次損失的質(zhì)量作為評判噴口材料耐燒蝕性能的指標(biāo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中基于恒流源的可控直流電弧發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明實施例中控制模塊流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1，本發(fā)明提供一種基于恒流源的可控直流電弧發(fā)生裝置，所述裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、點火模塊、保護(hù)模塊、控制模塊、試驗臺和電源模塊；所述保護(hù)模塊與點火模塊連接，所述點火模塊和保護(hù)模塊分別與試驗臺連接，所述試驗臺通過數(shù)據(jù)采集模塊連接控制模塊，所述控制模塊通過電源模塊連接保護(hù)模塊。

所述控制模塊控制電源模塊產(chǎn)生可控電源；

所述電源模塊采用恒流源，所述恒流源產(chǎn)生電壓在0～1500V、電流在0～100A范圍內(nèi)的可控電源，用于維持可控直流電弧穩(wěn)定燃燒。

所述數(shù)據(jù)采集模塊采集試驗數(shù)據(jù)并傳輸給控制模塊，所述試驗數(shù)據(jù)包括試驗電流和試驗電壓。

所述點火模塊包括高壓發(fā)生器和引弧線圈；

所述高壓發(fā)生器由變壓器與電容振蕩構(gòu)成，其產(chǎn)生瞬間的高頻過高壓，引弧線圈將該高頻過電壓引入試驗臺中的靜電極，擊穿間隙，產(chǎn)生直流電弧。

所述試驗臺包括高壓引線、低壓引線、卡盤、伺服電機(jī)、動電極、靜電極和氣泵；所述卡盤包括內(nèi)卡盤和外卡盤；

所述高壓引線和低壓引線分別連接靜電極和動電極，所述內(nèi)卡盤夾持動電極和靜電極，外卡盤夾持噴口材料，所述伺服電機(jī)控制動電極移動，使動電極保持燃弧距離，所述動電極和靜電極均采用鎢碳合金，所述靜電極為中空管狀，其連接氣泵吹入壓力可調(diào)的氣流，模擬直流電弧燃燒斷路器噴口材料過程中的氣流沖刷的影響。

圖2為控制模塊流程圖，所述控制模塊包括PLC和計算機(jī)；

所述PLC采用松下FPX0-L40R可編程控制器。

所述PLC具備了大容量、可擴(kuò)展性、高安全性，實現(xiàn)了小型PLC的超高速運算處理，用于控制恒流源的接入，并對點火模塊和過電壓保護(hù)模塊進(jìn)行控制，使點火模塊產(chǎn)生瞬間高頻過電壓，擊穿間隙進(jìn)而產(chǎn)生可控直流電弧，并使過壓保護(hù)模塊啟動過電壓保護(hù)功能。

所述計算機(jī)設(shè)定試驗參數(shù)，所述試驗參數(shù)包括電弧電流、電弧電壓、燃弧距離、燃弧時間和氣流壓力；

所述計算機(jī)同時接收所述數(shù)據(jù)采集模塊采集的試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制電弧電壓曲線。

所述保護(hù)模塊包括過電壓保護(hù)模塊和啟動保護(hù)模塊；

所述過電壓保護(hù)模塊由高頻電容與電感串并聯(lián)構(gòu)成，避免點火模塊產(chǎn)生的高頻電壓對恒流源造成沖擊；

所述啟動保護(hù)模塊用于避免由誤操作對所述裝置造成的危害。

所述裝置用于檢測斷路器噴口材料的耐燒蝕性能，斷路器噴口材料受燒蝕主要受到電弧光效應(yīng)、熱效應(yīng)和噴口內(nèi)氣流沖刷，其中熱效應(yīng)主要以輻射散熱為主，斷路器噴口材料采用PTFE，且其為外徑20mm、內(nèi)徑10mm、高20mm的圓筒。

斷路器噴口材料主要采用PTFE制成，在輻射能的作用下，PTFE分子將被激發(fā)和活化。當(dāng)吸收的能量足夠大時，PTFE分子鏈上的C—C鍵斷裂，分子解離，放出低分子物，PTFE被蒸發(fā)。當(dāng)輻射能穿透PTFE表面進(jìn)入內(nèi)部后，可引起內(nèi)部的分子鏈斷裂，發(fā)生分解，產(chǎn)生氣泡和炭化。這個過程中PTFE直接以蒸發(fā)的形式被燒蝕。因此，燃弧過程中PTFE的燒蝕 是電弧能量的傳導(dǎo)和輻射共同作用的結(jié)果。

斷路器滅弧過程：在動觸頭和靜觸頭分離期間，利用滅弧室噴口中高速流動的氣流對直流電弧進(jìn)行吹噴、冷卻直至熄滅直流電弧。噴口喉部直徑的大小和具體外形結(jié)構(gòu)直接影響著噴口中氣流場的物理特性，從而影響到噴口的開斷能力。在開斷高壓大電流電弧的過程中，噴口喉部材料會受到電弧的燒蝕，導(dǎo)致噴口喉部材料受高溫、高輻射的作用而氣化分解，表面呈現(xiàn)蜂窩狀，再加上高速氣流的吹噴作用，會使噴口喉部直徑變大；噴口喉部直徑的變大反過來又影響氣流的湍流狀態(tài)，使氣流的速度變小和吹氣時間變短，從而影響斷路器的滅弧性能。這樣的反復(fù)作用，斷路器的開斷性能和使用壽命就會大幅下降。因此斷路器滅弧裝置的關(guān)鍵就是合理選擇噴口材料，使其具有耐電弧燒蝕性能，正確設(shè)計噴口形狀和尺寸以及處理好與觸頭、壓氣室等的配合關(guān)系。在斷路器中，因為電弧作用，會產(chǎn)生很高的溫度(20000K)，噴口和電極觸頭會燒蝕氣化，而產(chǎn)生氟化氫等低氟化合物，會對噴口和觸頭產(chǎn)生極強(qiáng)的化學(xué)腐蝕作用，所以研究斷路器的噴口材料的耐燒蝕性能評判指標(biāo)及研發(fā)噴口材料的耐燒蝕試驗裝置有著深遠(yuǎn)的意義。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實施例依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。