CN100575962C - 一种电弧弧根电流密度分布测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电弧弧根电流密度分布测试方法及装置，包括阳极和阴极，阴极包括设置在同一平面的第一阴极和第二阴极，两阴极之间有50-200μm的狭缝，两阴极分别连接有电流变送器，该电流变送器还与宽频带示波器相连接。在采用外部磁场B_ext或气流驱动下，电弧通过一条位于阴极之间的垂直电弧弧根运动方向V_x的狭缝。由示波器采集电流信号。用测电弧自磁场的方法或者高速摄影仪的方法对电弧弧根通过狭缝时的速度进行测试。建立电弧弧根通过狭缝时流过阴极的电流I₂与弧根圆域电流密度分布J(r)和弧根圆域中心与阴极边沿距离x的关系的数学模型，并对数学模型的积分方程进行分析并给出数值解决方法，由该数值算法对电流信号进行处理进而求出电弧弧根电流密度分布的曲线。

Description

一种电弧弧根电流密度分布测试方法及装置

技术领域

本发明属于电器电弧测试技术领域，具体涉及一种电弧弧根电流密度分布测试方法及装置。

背景技术

电弧现象是发生在各种交直流断路器、接触器、电弧加热和电弧焊接等装置中的基本现象，因而对电弧各项参数的研究的深入程度决定着此类装置的研究开发水平的高低。

大气气压下的电弧弧根是电弧与电极接触的区域，一般认为阴极弧根是由许多并存的微小、高亮度的斑点聚集在一起组成的，即电弧弧根是阴极斑点聚集的近似圆形的区域。根据高速摄影仪和SEM扫描电镜观察电极表面上的弧根烧蚀凹坑，结果表明电弧弧根呈圆形。电弧弧根电流密度是电弧的一项重要的参数，它决定电弧的热流密度、弧根区域的温度、以及电弧对电极的侵蚀率等参数。电弧弧根电流密度分布是指电弧弧根圆内电流承载区域电流分布情况，它决定着弧根区域能流密度分布、弧根区域的温度分布、以及电弧对电极的侵蚀率分布等分布参数，因此，弧根电流密度分布同样是电弧的一项重要参数。

近年来，随着计算机硬件技术的飞速发展和流体计算软件功能的日益强大，通过对电弧这一磁流体在电器开关环境下进行仿真以解释和预测它的种种特性的研究，并且把这研究所获得的成果应用到电器开关新产品开发中，既能节省昂贵的实验成本，又能加快产品开发周期。

在舰船载电力装备领域，随着船舶运输能力的增加，需要的直流电力系统容量进一步增大以满足其动力要求，因此需要进一步研究直流大电流开断技术，如中压直流断路器限流开断技术。但是，对中压直流断路器开断过程电弧仿真分析需要电弧弧根电流密度分布边界条件，而目前并没有方便实用的电弧弧根电流密度分别测试方法和装置。

电弧弧根电流密度的分布一直以来都是人们关注的焦点，同时也是电弧研究的难点之一。以往，对电弧弧根的电流密度分布边界条件是根据经验设置为轴对称的随径向距离衰减的指数分布，而不是根据实验测试结果而设置，而实验测试结果具有更高的可信度，因此通过实验测试电弧弧根电流密度分布能为为电弧仿真研究提供必要的可靠依据。对电弧弧根电流密度分布进行测试因而成为对电弧实验研究中一项重要的任务。

一般来说，测量弧根电流密度的方法有高速摄影拍摄电弧弧根瞬时形态的方法和SEM扫描电镜观察经电弧弧根烧蚀后电极表面微观形态的方法，这两种方法只能用来求解电弧弧根的平均电流密度。当用这两种方法分析弧根圆域内电流密度分布时，存在着较多难以解决的问题，因此寻找一种合理的且操作简单的测试电弧弧根电流密度分布方法具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作简单，成本低，测试步骤、数值处理简单，且具有较高的精度和可信度的电弧弧根电流密度分布测试方法及装置。

为达到上述目的，本发明的装置包括：包括阳极和阴极，该阴极包括设置在同一平面的第一阴极和第二阴极，两阴极之间有50-200μm的狭缝，两阴极分别连接有电流变送器，该电流变送器还与数据采集设备相连接。

本发明的狭缝内设置有绝缘聚酯漆；数据采集设备为宽频带示波器。

本发明的测试方法为：第一阴极与阳极之间触发电弧在外部横向磁场B_ext或气流的作用下，向第二阴极运动，流过第一阴极和第二阴极的电流信号分别通过电流变送传感器由宽频带的示波器采集得到，当触发电弧弧根圆域通过垂直于电弧弧根运动方向的两阴极的狭缝时，流过两阴极的电流I₁和I₂随着通过狭缝的状态发生变化，由此变化趋势获得电弧弧根通过狭缝的时间，根据电弧弧根通过狭缝的时间差结合使用高速摄影仪或者测量电弧自磁场的方法测得的电弧运动速度，得到电极弧根半径和直径，进而根据2R_s＝v_sΔt得到电流密度值；其中，v_s是电弧弧根在磁场或气吹作用下通过狭缝的速度；Δt是电弧弧根从到达第二阴极边沿到完全进入第二阴极区域时刻的时间；R_s是电弧弧根半径；根据电流密度值建立弧根通过狭缝时数学模型，通过第二阴极的电流I₂即就是电弧弧根圆域与第二阴极的重叠部分对电流密度的积分，建立 $I\left(x\right)=2\underset{x}{\overset{R_s}{\∫}}J\left(r\right)\·\arccos \left(\frac{x}{r}\right)\·\mathrm{rdr},$ 其中I(x)是电弧弧根圆域与第二阴极的重叠部分对电流密度的积分，x是弧根圆域中心与阴极边沿距离，J(r)是弧根圆域电流密度分布，r是弧根圆域与电流密度的径向距离，将测试电流密度分布转化为求解积分方程，由I₂的变化趋势得到电流密度分布曲线。

本发明试验装置制作简单，成本低，试验设备性能要求不高，试验步骤、数值处理简单，而且具有较高的精度和可信度。

附图说明

图1是本发明的驱动电弧弧根通过隔离阴极狭缝测试电流密度分布方法原理图；

图2是本发明的电弧弧根通过两阴极间狭缝示意和两电极电流变化趋势图；

图3是本发明的电极电流随x变化趋势与电流密度分布的关系图；

图4是本发明的测试弧根电流密度分布实施过程初始状态；

图5是本发明的测试弧根电流密度分布实施过程起弧状态；

图6是本发明的测试弧根电流密度分布实施过程的电弧弧根过狭缝时状态；

图7是本发明的测试弧根电流密度分布实施过程电弧跑过狭缝时的状态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括阳极1和阴极，该阴极包括设置在同一平面的第一阴极2和第二阴极3，两阴极之间有50-200um的狭缝6，为了避免两阴极的接触狭缝6内设置有绝缘聚酯漆。两阴极分别连接有电流变送器5，该电流变送器5还与宽频带示波器9相连接。在两阴极与阳极1之间有触发电弧4，该触发电弧4在外部横向磁场B_ext或气流8的作用下，向第二阴极3运动，流过第一阴极2和第二阴极3的电流信号分别通过电流变送传感器5由宽频带的示波器9采集得到。当触发电弧4弧根圆域通过垂直于电弧弧根运动方向的两阴极的狭缝6时，如图2所示，流过两电极的电流I₁和I₂随着通过狭缝6的状态发生变化，由此变化趋势获得电极弧根7通过狭缝的时间，以此时间差，结合使用高速摄影仪或者测量电弧自磁场的方法测得的电弧运动速度，可以求得电极弧根半径和直径，进而求得电流密度值。

2R_s＝v_sΔt    (1)

式(1)中，v_s是电弧弧根在磁场或气吹作用下通过狭缝的速度；Δt是电弧弧根7从到达第二阴极3边沿到完全进入第二阴极3区域时刻的时间；R_s是电弧弧根半径。

由式(1)可以求得电弧弧根有效电流区域直径，求得的结果只是电弧弧根平均电流密度。

在此基础上，建立弧根通过狭缝时数学模型，如图3所示，通过第二阴极3的电流I₂即就是电弧弧根7圆域与第二阴极3的重叠部分对电流密度的积分，建立该关系如式(2)所示，因此由I₂的变化趋势中可以得到电流密度分布曲线，即把测试电流密度分布问题转化为求解下面积分方程的问题：

$I\left(x\right)=2\underset{x}{\overset{R_s}{\∫}}J\left(r\right)\·\arccos \left(\frac{x}{r}\right)\·\mathrm{rdr}---\left(2\right)$

积分方程是具有弱奇异性的积分方程，满足积分方程解的存在和唯一性的必要条件。

根据具体测试项目，如电弧电流和电压幅值，以及被测装置的体积等因素，按照图4的方式，加以适当的调整，就可以组成以基于该原理的电弧弧根电流密度分布的测试平台。

参见图4、5、6、7所示，本发明在阳极1与第一阴极2之间还设置有与之相连的熔丝11，阳极1与两阴极分别与电源15相连，且在阳极1与电源相连接的电路上设置有电路开关12，阴极与电源15相连接的电路上设置有晶闸管装置16，该晶闸装置16通过控制器与观测电弧弧根运动速度的高速摄影仪10相连，且阳极1与两阴极分别设置有驱弧磁场线圈13内，该线圈13与线圈激磁电流整流装置14相连，在垂直于电弧运动方向上，以50um-200um的狭缝6将两阴极隔离，应当避免阴极两部分接触。两阴极的跑弧面应保持在同一平面上，较好的跑弧面表面质量有利于获得好的测试结果，因此在实验前要对电极跑弧面进行必要的表面处理，去除表面污秽和氧化层，或者在多次跑弧后由电弧对表面进行处理后，再作正式测试。在保持两阴极不接触的情况下，狭缝距离越小，对电弧弧根电流干扰愈小，测试结果也就越好。在第一阴极2与阳极1之间以熔丝11或者触头打开的方式触发电弧4，如图5所示，触发电弧4在外部横向磁场B_ext或气流的作用下，向狭缝6运动。当弧根跨越狭缝6时，如图6所示，流过第一阴极2和第二阴极3的电流信号发生变化，流过第一阴极2的电流迅速下降而第二阴极3的电流迅速上升。当电弧弧根7完全到达第二阴极3表面上时，如图7所示，第一阴极2的电流为零，第二阴极3的电流等于总的电弧电流。电流的变化趋势中蕴含着由上述模型指出的电流密度分布的信息。流过阴极的电流通过电流变送器5由频带较宽的示波器9或者其它记录装置采集得到。另外，在测试时应该保证第一阴极2和第二阴极3处于同一电位。

实验中，要求电源15电流输出信号输出尽可能平滑，少含或者不含高频干扰信号，这样有利于数据的处理和减小实验结果的误差，从而获得较准确的试验结果。由于电弧弧根7通过狭缝6的时间很短，因此为保证信息可以被完整获得，应该在实验平台搭建时避免减小测试系统的通频带；另外，为了提高对信号频域的分辨率，在测试时采用带宽较宽的示波器9获得快速变化的电流信号以完整获得电流信号所含的有用信息。

最后对采集得到的电流信号结合使用高速摄影仪10观测的电弧弧根7通过狭缝6时速度值，通过基于上述数学模型原理的数值算法进行相应的处理，可以得出电弧弧根在运动时的电流密度分布曲线。

Claims (4)

1、一种电弧弧根电流密度分布测试装置，包括阳极(1)和阴极，其特征在于：该阴极包括设置在同一平面的第一阴极(2)和第二阴极(3)，两阴极之间有50-200μm的狭缝(6)，两阴极分别连接有电流变送器(5)，该电流变送器(5)还与数据采集设备(9)相连接。

2、根据权利要求1所述的电弧弧根电流密度分布测试装置，其特征在于：所说的狭缝(6)内设置有绝缘聚酯漆。

3、根据权利要求1所述的电弧弧根电流密度分布测试装置，其特征在于：所说的数据采集设备为宽频带示波器(9)。

4、一种根据权利要求3所述的装置的测试方法，其特征在于：第一阴极(2)与阳极(1)之间触发电弧(4)在外部横向磁场B_ext或气流(8)的作用下，向第二阴极(3)运动，流过第一阴极(2)和第二阴极(3)的电流信号分别通过电流变送传感器(5)由宽频带的示波器(9)采集得到，当触发电弧(4)弧根圆域通过垂直于电弧弧根运动方向的两阴极的狭缝(6)时，流过两阴极的电流I₁和I₂随着通过狭缝(6)的状态发生变化，由此变化趋势获得电弧弧根(7)通过狭缝(6)的时间，根据电弧弧根(7)通过狭缝(6)的时间差结合使用高速摄影仪或者测量电弧自磁场的方法测得的电弧运动速度，得到电弧弧根半径和直径，进而根据2R_s＝v_sΔt得到电流密度值；其中，v_s是电弧弧根在磁场或气吹作用下通过狭缝的速度；Δt是电弧弧根(7)从到达第二阴极(3)边沿到完全进入第二阴极(3)区域时刻的时间；R_s是电弧弧根半径；根据电流密度值建立弧根通过狭缝(6)时数学模型，通过第二阴极(3)的电流I₂即就是电弧弧根(7)圆域与第二阴极(3)的重叠部分对电流密度的积分，建立 $I\left(x\right)=2\underset{x}{\overset{R_s}{\∫}}J\left(r\right)\·\arccos \left(\frac{x}{r}\right)\·\mathrm{rdr},$ 其中I(x)是电弧弧根(7)圆域与第二阴极(3)的重叠部分对电流密度的积分，x是弧根圆域中心与阴极边沿距离，J(r)是弧根圆域电流密度分布，r是弧根圆域与电流密度的径向距离，将测试电流密度分布转化为求解积分方程，由I₂的变化趋势得到电流密度分布曲线。

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