專利名稱：一種電弧弧根電流密度分布測試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電器電弧測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電弧弧根電流密度分布測試方法及裝置。

背景技術(shù)：
電弧現(xiàn)象是發(fā)生在各種交直流斷路器、接觸器、電弧加熱和電弧焊接等裝置中的基本現(xiàn)象，因而對電弧各項(xiàng)參數(shù)的研究的深入程度決定著此類裝置的研究開發(fā)水平的高低。
大氣氣壓下的電弧弧根是電弧與電極接觸的區(qū)域，一般認(rèn)為陰極弧根是由許多并存的微小、高亮度的斑點(diǎn)聚集在一起組成的，即電弧弧根是陰極斑點(diǎn)聚集的近似圓形的區(qū)域。根據(jù)高速攝影儀和SEM掃描電鏡觀察電極表面上的弧根燒蝕凹坑，結(jié)果表明電弧弧根呈圓形。電弧弧根電流密度是電弧的一項(xiàng)重要的參數(shù)，它決定電弧的熱流密度、弧根區(qū)域的溫度、以及電弧對電極的侵蝕率等參數(shù)。電弧弧根電流密度分布是指電弧弧根圓內(nèi)電流承載區(qū)域電流分布情況，它決定著弧根區(qū)域能流密度分布、弧根區(qū)域的溫度分布、以及電弧對電極的侵蝕率分布等分布參數(shù)，因此，弧根電流密度分布同樣是電弧的一項(xiàng)重要參數(shù)。
近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和流體計(jì)算軟件功能的日益強(qiáng)大，通過對電弧這一磁流體在電器開關(guān)環(huán)境下進(jìn)行仿真以解釋和預(yù)測它的種種特性的研究，并且把這研究所獲得的成果應(yīng)用到電器開關(guān)新產(chǎn)品開發(fā)中，既能節(jié)省昂貴的實(shí)驗(yàn)成本，又能加快產(chǎn)品開發(fā)周期。
在艦船載電力裝備領(lǐng)域，隨著船舶運(yùn)輸能力的增加，需要的直流電力系統(tǒng)容量進(jìn)一步增大以滿足其動力要求，因此需要進(jìn)一步研究直流大電流開斷技術(shù)，如中壓直流斷路器限流開斷技術(shù)。但是，對中壓直流斷路器開斷過程電弧仿真分析需要電弧弧根電流密度分布邊界條件，而目前并沒有方便實(shí)用的電弧弧根電流密度分別測試方法和裝置。
電弧弧根電流密度的分布一直以來都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)也是電弧研究的難點(diǎn)之一。以往，對電弧弧根的電流密度分布邊界條件是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為軸對稱的隨徑向距離衰減的指數(shù)分布，而不是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果而設(shè)置，而實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果具有更高的可信度，因此通過實(shí)驗(yàn)測試電弧弧根電流密度分布能為為電弧仿真研究提供必要的可靠依據(jù)。對電弧弧根電流密度分布進(jìn)行測試因而成為對電弧實(shí)驗(yàn)研究中一項(xiàng)重要的任務(wù)。
一般來說，測量弧根電流密度的方法有高速攝影拍攝電弧弧根瞬時(shí)形態(tài)的方法和SEM掃描電鏡觀察經(jīng)電弧弧根燒蝕后電極表面微觀形態(tài)的方法，這兩種方法只能用來求解電弧弧根的平均電流密度。當(dāng)用這兩種方法分析弧根圓域內(nèi)電流密度分布時(shí)，存在著較多難以解決的問題，因此尋找一種合理的且操作簡單的測試電弧弧根電流密度分布方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制作簡單，成本低，測試步驟、數(shù)值處理簡單，且具有較高的精度和可信度的電弧弧根電流密度分布測試方法及裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的裝置包括包括陽極和陰極，該陰極包括設(shè)置在同一平面的第一陰極和第二陰極，兩陰極之間有50-200um的狹縫，兩陰極分別連接有電流變送器，該電流變送器還與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連接。
本發(fā)明的狹縫內(nèi)設(shè)置有絕緣聚酯漆；數(shù)據(jù)采集設(shè)備為寬頻帶示波器。
本發(fā)明的測試方法為第一陰極與陽極之間觸發(fā)電弧在外部橫向磁場Bext或氣流的作用下，向第二陰極運(yùn)動，流過第一陰極和第二陰極的電流信號分別通過電流變送傳感器由寬頻帶的示波器采集得到，當(dāng)觸發(fā)電弧弧根圓域通過垂直于電弧弧根運(yùn)動方向的兩陰極的狹縫時(shí)，流過兩電極的電流I1和I2隨著通過狹縫的狀態(tài)發(fā)生變化，由此變化趨勢獲得電極弧根通過狹縫的時(shí)間，以此時(shí)間差，結(jié)合使用高速攝影儀或者測量電弧自磁場的方法測得的電弧運(yùn)動速度，得到電極弧根半徑和直徑，進(jìn)而根據(jù)2Rs＝vsΔt得到電流密度值；其中，vs是電弧弧根在磁場或氣吹作用下通過狹縫的速度；Δt是電弧弧根從到達(dá)第二陰極邊沿到完全進(jìn)入第二陰極區(qū)域時(shí)刻的時(shí)間；Rs是電弧弧根半徑；根據(jù)電流密度值建立弧根通過狹縫時(shí)數(shù)學(xué)模型，通過第二陰極的電流I2即就是電弧弧根圓域與第二陰極的重疊部分對電流密度的積分，建立將測試電流密度分布轉(zhuǎn)化為求解積分方程，由I2的變化趨勢得到電流密度分布曲線。
本發(fā)明試驗(yàn)裝置制作簡單，成本低，試驗(yàn)設(shè)備性能要求不高，試驗(yàn)步驟、數(shù)值處理簡單，而且具有較高的精度和可信度。



圖1是本發(fā)明的驅(qū)動電弧弧根通過隔離陰極狹縫測試電流密度分布方法原理圖； 圖2是本發(fā)明的電弧弧根通過兩陰極間狹縫示意和兩電極電流變化趨勢圖； 圖3是本發(fā)明的電極電流隨x變化趨勢與電流密度分布的關(guān)系圖； 圖4是本發(fā)明的測試弧根電流密度分布實(shí)施過程初始狀態(tài)； 圖5是本發(fā)明的測試弧根電流密度分布實(shí)施過程起弧狀態(tài)； 圖6是本發(fā)明的測試弧根電流密度分布實(shí)施過程的電弧弧根過狹縫時(shí)狀態(tài)； 圖7是本發(fā)明的測試弧根電流密度分布實(shí)施過程電弧跑過狹縫時(shí)的狀態(tài)。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明包括陽極1和陰極，該陰極包括設(shè)置在同一平面的第一陰極2和第二陰極3，兩陰極之間有50-200um的狹縫6，為了避免兩陰極的接觸狹縫6內(nèi)設(shè)置有絕緣聚酯漆。兩陰極分別連接有電流變送器5，該電流變送器5還與寬頻帶示波器9相連接。在兩陰極與陽極1之間有觸發(fā)電弧4，該觸發(fā)電弧4在外部橫向磁場Bext或氣流8的作用下，向第二陰極3運(yùn)動，流過第一陰極2和第二陰極3的電流信號分別通過電流變送傳感器5由寬頻帶的示波器9采集得到。當(dāng)觸發(fā)電弧4弧根圓域通過垂直于電弧弧根運(yùn)動方向的兩陰極的狹縫6時(shí)，如圖2所示，流過兩電極的電流I1和I2隨著通過狹縫6的狀態(tài)發(fā)生變化，由此變化趨勢獲得電極弧根7通過狹縫的時(shí)間，以此時(shí)間差，結(jié)合使用高速攝影儀或者測量電弧自磁場的方法測得的電弧運(yùn)動速度，可以求得電極弧根半徑和直徑，進(jìn)而求得電流密度值。
2Rs＝vsΔt(1) 式(1)中，vs是電弧弧根在磁場或氣吹作用下通過狹縫的速度；Δt是電弧弧根7從到達(dá)第二陰極3邊沿到完全進(jìn)入第二陰極3區(qū)域時(shí)刻的時(shí)間；Rs是電弧弧根半徑。
由式(1)可以求得電弧弧根有效電流區(qū)域直徑，求得的結(jié)果只是電弧弧根平均電流密度。
在此基礎(chǔ)上，建立弧根通過狹縫時(shí)數(shù)學(xué)模型，如圖3所示，通過第二陰極3的電流I2即就是電弧弧根7圓域與第二陰極3的重疊部分對電流密度的積分，建立該關(guān)系如式(2)所示，因此由I2的變化趨勢中可以得到電流密度分布曲線，即把測試電流密度分布問題轉(zhuǎn)化為求解下面積分方程的問題 積分方程是具有弱奇異性的積分方程，滿足積分方程解的存在和唯一性的必要條件。
根據(jù)具體測試項(xiàng)目，如電弧電流和電壓幅值，以及被測裝置的體積等因素，按照圖4的方式，加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，就可以組成以基于該原理的電弧弧根電流密度分布的測試平臺。
參見圖4、5、6、7所示，本發(fā)明在陽極1與第一陰極2之間還設(shè)置有與之相連的熔絲11，陽極1與兩陰極分別與電源15相連，且在陽極1與電源相連接的電路上設(shè)置有電路開關(guān)12，陰極與電源15相連接的電路上設(shè)置有晶閘管裝置16，該晶閘裝置16通過控制器與觀測電弧弧根運(yùn)動速度的高速攝影儀10相連，且陽極1與兩陰極分別設(shè)置有驅(qū)弧磁場線圈13內(nèi)，該線圈13與線圈激磁電流整流裝置14相連，在垂直于電弧運(yùn)動方向上，以50um-200um的狹縫6將兩陰極隔離，應(yīng)當(dāng)避免陰極兩部分接觸。兩陰極的跑弧面應(yīng)保持在同一平面上，較好的跑弧面表面質(zhì)量有利于獲得好的測試結(jié)果，因此在實(shí)驗(yàn)前要對電極跑弧面進(jìn)行必要的表面處理，去除表面污穢和氧化層，或者在多次跑弧后由電弧對表面進(jìn)行處理后，再作正式測試。在保持兩陰極不接觸的情況下，狹縫距離越小，對電弧弧根電流干擾愈小，測試結(jié)果也就越好。在第一陰極2與陽極1之間以熔絲11或者觸頭打開的方式觸發(fā)電弧4，如圖5所示，觸發(fā)電弧4在外部橫向磁場Bext或氣流的作用下，向狹縫6運(yùn)動。當(dāng)弧根跨越狹縫6時(shí)，如圖6所示，流過第一陰極2和第二陰極3的電流信號發(fā)生變化，流過第一陰極2的電流迅速下降而第二陰極3的電流迅速上升。當(dāng)電弧弧根7完全到達(dá)第二陰極3表面上時(shí)，如圖7所示，第一陰極2的電流為零，第二陰極3的電流等于總的電弧電流。電流的變化趨勢中蘊(yùn)含著由上述模型指出的電流密度分布的信息。流過陰極的電流通過電流變送器5由頻帶較寬的示波器9或者其它記錄裝置采集得到。另外，在測試時(shí)應(yīng)該保證第一陰極2和第二陰極3處于同一電位。
實(shí)驗(yàn)中，要求電源15電流輸出信號輸出盡可能平滑，少含或者不含高頻干擾信號，這樣有利于數(shù)據(jù)的處理和減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，從而獲得較準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。由于電弧弧根7通過狹縫6的時(shí)間很短，因此為保證信息可以被完整獲得，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)平臺搭建時(shí)避免減小測試系統(tǒng)的通頻帶；另外，為了提高對信號頻域的分辨率，在測試時(shí)采用帶寬較寬的示波器9獲得快速變化的電流信號以完整獲得電流信號所含的有用信息。
最后對采集得到的電流信號結(jié)合使用高速攝影儀10觀測的電弧弧根7通過狹縫6時(shí)速度值，通過基于上述數(shù)學(xué)模型原理的數(shù)值算法進(jìn)行相應(yīng)的處理，可以得出電弧弧根在運(yùn)動時(shí)的電流密度分布曲線。
權(quán)利要求
1.一種電弧弧根電流密度分布測試裝置，包括陽極(1)和陰極，其特征在于該陰極包括設(shè)置在同一平面的第一陰極(2)和第二陰極(3)，兩陰極之間有50-200um的狹縫(6)，兩陰極分別連接有電流變送器(5)，該電流變送器(5)還與數(shù)據(jù)采集設(shè)備(9)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧弧根電流密度分布測試裝置，其特征在于所說的狹縫6內(nèi)設(shè)置有絕緣聚酯漆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧弧根電流密度分布測試裝置，其特征在于所說的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為寬頻帶示波器9。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置的測試方法，其特征在于第一陰極(2)與陽極(1)之間觸發(fā)電弧(4)在外部橫向磁場Bext或氣流(8)的作用下，向第二陰極(3)運(yùn)動，流過第一陰極(2)和第二陰極(3)的電流信號分別通過電流變送傳感器(5)由寬頻帶的示波器(9)采集得到，當(dāng)觸發(fā)電弧(4)弧根圓域通過垂直于電弧弧根運(yùn)動方向的兩陰極的狹縫(6)時(shí)，流過兩電極的電流I1和I2隨著通過狹縫(6)的狀態(tài)發(fā)生變化，由此變化趨勢獲得電極弧根(7)通過狹縫(6)的時(shí)間，以此時(shí)間差，結(jié)合使用高速攝影儀或者測量電弧自磁場的方法測得的電弧運(yùn)動速度，得到電極弧根半徑和直徑，進(jìn)而根據(jù)2 Rs＝vsΔt得到電流密度值；其中，vs是電弧弧根在磁場或氣吹作用下通過狹縫的速度；Δt是電弧弧根(7)從到達(dá)第二陰極(3)邊沿到完全進(jìn)入第二陰極(3)區(qū)域時(shí)刻的時(shí)間；Rs是電弧弧根半徑；根據(jù)電流密度值建立弧根通過狹縫(6)時(shí)數(shù)學(xué)模型，通過第二陰極(3)的電流I2即就是電弧弧根(7)圓域與第二陰極(3)的重疊部分對電流密度的積分，建立將測試電流密度分布轉(zhuǎn)化為求解積分方程，由I2的變化趨勢得到電流密度分布曲線。
全文摘要
一種電弧弧根電流密度分布測試方法及裝置，包括陽極和陰極，陰極包括設(shè)置在同一平面的第一陰極和第二陰極，兩陰極之間有50-200μm的狹縫，兩陰極分別連接有電流變送器，該電流變送器還與寬頻帶示波器相連接。在采用外部磁場Bext或氣流驅(qū)動下，電弧通過一條位于陰極之間的垂直電弧弧根運(yùn)動方向Vx的狹縫。由示波器采集電流信號。用測電弧自磁場的方法或者高速攝影儀的方法對電弧弧根通過狹縫時(shí)的速度進(jìn)行測試。建立電弧弧根通過狹縫時(shí)流過陰極的電流I2與弧根圓域電流密度分布J(r)和弧根圓域中心與陰極邊沿距離x的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型的積分方程進(jìn)行分析并給出數(shù)值解決方法，由該數(shù)值算法對電流信號進(jìn)行處理進(jìn)而求出電弧弧根電流密度分布的曲線。
文檔編號H01H33/26GK101126774SQ20071001861
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者榮命哲, 徐鐵軍, 王小華, 翊 吳, 強(qiáng) 馬, 飛 楊 申請人:西安交通大學(xué)