CN106290041B - 一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法，包括以下步骤：称量耐烧蚀试验前喷口材料的质量；夹持电极和喷口材料；设置试验参数；启动直流电弧发生装置，点燃可控直流电弧，使其灼烧喷口材料；耐烧蚀试验结束，取出喷口材料，称量耐烧蚀试验后喷口材料的质量；比较耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量。本发明相比高压大电流弧光与小电流弧光试验，同时表现出电弧的热效应与光效应对喷口材料的烧蚀作用；试验参数可设定，具备重复性，消除了试验的偶然性影响；依据喷口材料经受一次电弧烧蚀，前后损失的质量作为评判其耐烧蚀性能的指标；试验数据全面，操作简单，成本低，可信度高。

Description

一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法

技术领域

本发明属于电学检测技术领域，具体涉及一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法。

背景技术

断路器作为电力系统中的重要电力设备正在朝着高电压、大容量方向迅速发展。在提高断路器电压和容量的同时，为了提高电力系统和电力设备的运行可靠性，提供更加稳定的、高质量的电力，需要断路器具有更可靠、更长的电寿命，而触头和喷口材料的烧蚀是影响电寿命的主要因素。喷口是高压断路器灭弧装置中控制电弧、创造高速气吹条件的核心部件。当断路器在开断短路电流时，电弧在喷口内炽燃，与喷口发生能量交换，引起喷口表面烧蚀和内部分解，喷口材料的性能直接影响着高压断路器的开断能力和使用寿命。

当电弧作用于喷口时，电弧能量直接作用于喷口上，使聚四氟乙烯(PTFE)的温度升高。随着其吸收能量的增加，将发生由玻璃化到高弹态再到粘流态的转变。当吸收的能量达到一定值后，PTFE大分子链上的一些键将发生断裂，分解成小分子的生成物，使分子量减小，放出低分子气体产物。这个过程就意味着PTFE通过熔解、热解和蒸发的方式被烧蚀。一般认为，PTFE的热解温度约为1000K，喷口材料的磨损是开断电弧的热效应和喷口内气流机械冲刷作用的总和结果，而以电弧热效应为主要因素。电弧的热效应可分为三种情况：

(1)喷口表面存在冷气流时，电弧的辐射能量作用在PTFE材料的内表面上，引起表面分解；

(2)当电弧周围存在的热气体使喷口发生热堵塞，热气体的温度极高，喷口内表面在其作用下会产生熔化或气化；

(3)当发生弧柱堵塞，高温弧柱的温度可达10000～20000K，弧柱等离子体直接作用于喷口内表面，使喷口材料大量地汽化和分解，其烧蚀严重。

另外，在上述电弧烧蚀的情况下，再与气流对喷口内表面冲刷作用结合，使喷口逐渐磨损，直接影响断路器的熄弧能力和电寿命。

在断路器燃弧过程中，喷口同时承受到强光和高温的共同作用，为了判断光和热分别对喷口的烧蚀作用，传统的方法是采用两种试验模拟光和热对喷口的烧蚀：

①压大电流弧光(18kV/550kA)，试验后试样不发热，认为试样主要承受电弧光的作用；

②小电流弧光(2kV/10mA)，试验后试样发热，认为试样主要承受电弧热的作用。

但是两种方法的试验条件不同，无法同时做到光强与热的作用，而且高压大电流弧光试验操作复杂，对设备损坏严重，因此本发明设计出一种新型喷口材料耐烧蚀试验方法，可以同时考虑光强与热效应，并且可以根据具体需求，调整试验过程中电弧的电压，电流，燃弧时间等参数，试验条件可重复，可以更深入地检测喷口材料的耐烧蚀性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法，通过比较耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量来评判喷口材料耐烧蚀性能。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法，所述试验方法具体包括以下步骤：

步骤1：称量耐烧蚀试验前喷口材料的质量；

步骤2：夹持电极和喷口材料；

步骤3：设置试验参数；

步骤4：启动直流电弧发生装置，点燃可控直流电弧，使其灼烧喷口材料；

步骤5：耐烧蚀试验结束，取出喷口材料，称量耐烧蚀试验后喷口材料的质量；

步骤6：比较耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量。

所述步骤1中，喷口材料采用PTFE，且其为外径20mm、内径10mm、高20mm的圆筒。

所述步骤2中，电极包括动电极和静电极；

所述动电极和静电极均采用钨碳合金，所述静电极为中空管状，其连接气泵吹入压力可调的气流；

试验台上设有内卡盘和外卡盘，所述内卡盘用于夹持动电极和静电极，外卡盘用于夹持喷口材料。

所述步骤3中，试验参数包括电弧电压、电弧电流、燃弧距离、燃弧时间和气流压力。

所述步骤4中，

启动直流电弧发生装置开始耐烧蚀试验，将动电极移动至设置的燃弧距离，点燃可控直流电弧，使其灼烧喷口材料。

所述步骤5中，耐烧蚀试验结束，分离动电极和静电极，松开外卡盘，用镊子取出喷口材料，待喷口材料温度降低后擦除灰烬，称量耐烧蚀试验后喷口材料的质量。

所述步骤6中，耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量与试验电流和燃弧时间相关。

以耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量作为喷口材料耐烧蚀性能的评判标准，即耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量越少，表明喷口材料耐烧蚀性能越好。

所述步骤6之后，用酒精棉将动电极和静电极上的灰烬擦除干净，将试验参数复位清零。

所述直流电弧发生装置包括数据采集模块、点火模块、保护模块、控制模块、试验台和恒流源；

所述恒流源产生电压在0～1500V、电流在0～100A范围内的可控电源，用于维持可控直流电弧稳定燃烧；

所述数据采集模块采集试验数据并传输给控制模块，所述试验数据包括试验电流和试验电压；

所述点火模块包括高压发生器和引弧线圈；所述高压发生器由变压器与电容振荡构成，其产生瞬间的高频过高压，引弧线圈将该高频过电压引入试验台中的静电极，击穿间隙，产生可控直流电弧；

所述试验台包括高压引线、低压引线、内卡盘、外卡盘、伺服电机、动电极、静电极和气泵；所述高压引线和低压引线分别连接静电极和动电极，所述伺服电机控制动电极移动，使动电极保持燃弧距离；

所述控制模块包括PLC和计算机；所述PLC采用松下FPX0-L40R可编程控制器，所述PLC控制恒流源的接入，并对点火模块和过电压保护模块进行控制，使点火模块产生瞬间高频过电压，击穿间隙进而产生可控直流电弧，并使过压保护模块启动过电压保护功能；所述计算机设定试验参数，其同时接收所述数据采集模块采集的试验数据，并根据实验数据绘制电弧电压曲线；

所述保护模块包括过电压保护模块和启动保护模块；所述过电压保护模块由高频电容与电感串并联构成，避免点火模块产生的高频电压对恒流源造成冲击；所述启动保护模块用于避免由误操作对直流电弧发生装置造成的危害。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)相比高压大电流弧光与小电流弧光试验，同时表现出电弧的热效应与光效应对喷口材料的烧蚀作用；

(2)试验参数可设定，具备重复性，消除了试验的偶然性影响；

(3)依据喷口材料经受一次电弧烧蚀，前后损失的质量作为评判其耐烧蚀性能的指标；

(4)试验数据全面，操作简单，成本低，可信度高。

附图说明

图1是本发明实施例中断路器喷口材料耐烧蚀试验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法，所述试验方法具体包括以下步骤：

步骤1：称量耐烧蚀试验前喷口材料的质量；

步骤2：夹持电极和喷口材料；

步骤3：设置试验参数；

步骤4：启动直流电弧发生装置，点燃可控直流电弧，使其灼烧喷口材料；

步骤5：耐烧蚀试验结束，取出喷口材料，称量耐烧蚀试验后喷口材料的质量；

步骤6：比较耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量。

所述步骤1中，喷口材料采用PTFE，且其为外径20mm、内径10mm、高20mm的圆筒。

所述步骤2中，电极包括动电极和静电极；

所述动电极和静电极均采用钨碳合金，所述静电极为中空管状，其连接气泵吹入压力可调的气流；

试验台上设有内卡盘和外卡盘，所述内卡盘用于夹持动电极和静电极，外卡盘用于夹持喷口材料。

所述步骤3中，试验参数包括电弧电压、电弧电流、燃弧距离、燃弧时间和气流压力。

所述步骤4中，

启动直流电弧发生装置开始耐烧蚀试验，将动电极移动至设置的燃弧距离，点燃可控直流电弧，使其灼烧喷口材料。

所述步骤5中，耐烧蚀试验结束，分离动电极和静电极，松开外卡盘，用镊子取出喷口材料，待喷口材料温度降低后擦除灰烬，称量耐烧蚀试验后喷口材料的质量。

所述步骤6中，耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量与试验电流和燃弧时间相关。

以耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量作为喷口材料耐烧蚀性能的评判标准，即耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量越少，表明喷口材料耐烧蚀性能越好。

所述步骤6之后，用酒精棉将动电极和静电极上的灰烬擦除干净，将试验参数复位清零。

所述直流电弧发生装置包括数据采集模块、点火模块、保护模块、控制模块、试验台和恒流源；

所述恒流源产生电压在0～1500V、电流在0～100A范围内的可控电源，用于维持可控直流电弧稳定燃烧；

所述数据采集模块采集试验数据并传输给控制模块，所述试验数据包括试验电流和试验电压；

所述点火模块包括高压发生器和引弧线圈；所述高压发生器由变压器与电容振荡构成，其产生瞬间的高频过高压，引弧线圈将该高频过电压引入试验台中的静电极，击穿间隙，产生可控直流电弧；

所述试验台包括高压引线、低压引线、内卡盘、外卡盘、伺服电机、动电极、静电极和气泵；所述高压引线和低压引线分别连接静电极和动电极，所述伺服电机控制动电极移动，使动电极保持燃弧距离；

所述控制模块包括PLC和计算机；所述PLC采用松下FPX0-L40R可编程控制器，所述PLC控制恒流源的接入，并对点火模块和过电压保护模块进行控制，使点火模块产生瞬间高频过电压，击穿间隙进而产生可控直流电弧，并使过压保护模块启动过电压保护功能；所述计算机设定试验参数，其同时接收所述数据采集模块采集的试验数据，并根据实验数据绘制电弧电压曲线；

所述保护模块包括过电压保护模块和启动保护模块；所述过电压保护模块由高频电容与电感串并联构成，避免点火模块产生的高频电压对恒流源造成冲击；所述启动保护模块用于避免由误操作对直流电弧发生装置造成的危害。

本发明产生稳定燃烧的可控直流电弧的原理如下：

机械式开关设备是用触头来分断电路电流的,只要电路中电压大于10～20V。电流大于80～100mA，动、静触头在分断时就会在触头间产生电弧,此时电路中的电流继续流通,直到电弧熄灭触头间隙成为绝缘介质后,电路才被分断。发生在开关设备中的电弧称为开关电弧。产生电弧的根本原因是触头本身及触头周围介质中含有大量可被游离的自由电子。触头分断电路电流时必然会产生电弧,当电弧被熄灭后电路才算被开断。电弧燃烧时，弧焰中心的温度约为5000～7000K，由弧中心沿半径向外弧温度逐渐下降。弧温与弧焰组成密切的关系，这取决于弧焰中气体的电离点位与浓度。当有几个元素同时存在于弧焰中时，主要受电离电位最低的那个元素的浓度所控制。当在电弧中引入大量低电离电位元素时，弧柱内电子浓度增大，电阻减小，输入到电弧的能量减小。这是因为在给定的电弧电流下，能量消耗正比于电阻。随着输入能量减小，导致弧温下降。弧温随电弧电流改变不明显，这是因为电流增大，弧柱变宽，单位弧柱体积的能量消耗保持相对稳定。直流电弧放电的功率正比于分析间隙的弧柱长度及电流强度。

假设一直流电路中电压为U、电阻为R、电感为L。当开关闭合，电路达到稳定时，电路电流应为其中i表示电流瞬时值，I表示电流稳态值；当打开开关时产生直流电弧，此时电弧电压为当电弧长度很小时，电弧电压很低，电弧可以稳定地燃烧，可认为所以当u_o≠U-Ri时，电弧因不能稳定燃烧而熄灭。可得到直流电弧稳定燃烧的条件是电源电压大于维持稳态电弧电压及其电阻压降，即u_o＜U-Ri。

由此可见，电源电压U越高，电路电阻R越小，电弧越不容易熄灭。因此针对本发明采用的电打火方式，产生的瞬间的上万伏的电压使得电弧燃烧起来，之后当外加的电压大于维持电弧稳态燃烧的电压时，电弧就能稳定燃烧起来，当把电压降低到电弧不能稳定燃烧时，电弧随之熄灭。本发明就是利用这样的原理来实现电弧的燃烧与熄灭的。

通常断路器的喷口材料为聚四氟乙烯(PTFE)，属于结晶性高分子化合物。其分子结构为[CF₂—CF₂]_n，密度为2140～2200kg/m³，导热系数为0.29W/(m·K)，比热容1.47kJ/(kg·K)，有优异的电气绝缘性能，但当它吸收能量及温度上升后，会发生转变、松弛和分解等现象。在断路器中，喷口材料聚四氟乙烯(PTFE)属于结晶性高分子化合物，有着优异的电气绝缘性能。一般认为，PTFE的热解温度约为1000K；其蒸气的成分主要是CF₂，还有一些CF和F₂，在热平衡状态下的温度约为3400K。PTFE蒸气进入喷口后，仍然继续吸收电弧的能量，继续分解。因此，PTFE蒸气进入到喷口中，不仅增加了喷口内气流的质量，而且还改变了气流的动量及气体与电弧能量的交换。烧蚀所产生的PTFE蒸气进入喷口内，将会明显地影响喷口电弧特性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种断路器喷口材料耐烧蚀试验方法，其特征在于：所述试验方法具体包括以下步骤：

步骤1：称量耐烧蚀试验前喷口材料的质量；

步骤2：夹持电极和喷口材料；

步骤3：设置试验参数；

步骤4：启动直流电弧发生装置，点燃可控直流电弧，使其灼烧喷口材料；

步骤5：耐烧蚀试验结束，取出喷口材料，称量耐烧蚀试验后喷口材料的质量；

步骤6：比较耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量；

所述步骤1中，喷口材料采用PTFE，且其为外径20mm、内径10mm、高20mm的圆筒；

所述步骤2中，电极包括动电极和静电极；

所述动电极和静电极均采用钨碳合金，所述静电极为中空管状，其连接气泵吹入压力可调的气流；

试验台上设有内卡盘和外卡盘，所述内卡盘用于夹持动电极和静电极，外卡盘用于夹持喷口材料；

所述步骤3中，试验参数包括电弧电压、电弧电流、燃弧距离、燃弧时间和气流压力；

所述步骤4中，启动直流电弧发生装置开始耐烧蚀试验，将动电极移动至设置的燃弧距离，点燃可控直流电弧，使其灼烧喷口材料；

所述步骤5中，耐烧蚀试验结束，分离动电极和静电极，松开外卡盘，用镊子取出喷口材料，待喷口材料温度降低后擦除灰烬，称量耐烧蚀试验后喷口材料的质量；

所述步骤6中，耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量与试验电流和燃弧时间相关；

以耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量作为喷口材料耐烧蚀性能的评判标准，即耐烧蚀试验前后喷口材料损失的质量越少，表明喷口材料耐烧蚀性能越好；

所述步骤6之后，用酒精棉将动电极和静电极上的灰烬擦除干净，将试验参数复位清零；

所述直流电弧发生装置包括数据采集模块、点火模块、保护模块、控制模块、试验台和恒流源；

所述恒流源产生电压在0~1500V、电流在0~100A范围内的可控电源，用于维持可控直流电弧稳定燃烧；

所述数据采集模块采集试验数据并传输给控制模块，所述试验数据包括试验电流和试验电压；

所述点火模块包括高压发生器和引弧线圈；所述高压发生器由变压器与电容振荡构成，其产生瞬间的高频过高压，引弧线圈将该高频过电压引入试验台中的静电极，击穿间隙，产生可控直流电弧；

所述试验台包括高压引线、低压引线、内卡盘、外卡盘、伺服电机、动电极、静电极和气泵；所述高压引线和静电极连接，低压引线和动电极连接，所述伺服电机控制动电极移动，使动电极保持燃弧距离；

所述控制模块包括PLC和计算机；所述PLC采用松下FPX0-L40R可编程控制器，所述PLC控制恒流源的接入，并对点火模块和过电压保护模块进行控制，使点火模块产生瞬间高频过电压，击穿间隙进而产生可控直流电弧，并使过电压保护模块启动过电压保护功能；所述计算机设定试验参数，其同时接收所述数据采集模块采集的试验数据，并根据实验数据绘制电弧电压曲线；

所述保护模块包括过电压保护模块和启动保护模块；所述过电压保护模块由高频电容与电感串并联构成，避免点火模块产生的高频电压对恒流源造成冲击；所述启动保护模块用于避免由误操作对直流电弧发生装置造成的危害。