CN106597273B - 一种真空开关电弧综合实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种真空开关电弧综合实验装置。该装置包括真空开关电弧产生模块、行走拍摄模块和温度‑磁场控制模块；真空开关电弧产生模块放置在地面上；行走拍摄模块放置在真空开关电弧产生模块的外围；4个温度‑磁场控制模块放置真空开关电弧产生模块的四周；所述真空开关电弧产生模块包括真空罩、圆台底座和电源线；所述真空开关电弧产生模块还包括静触头、动触头、电磁线圈、连接杆、支撑杆、连接块、横杆、导轨和挡板。本发明使动触头与静触头之间的接触和分离完全实现了自动化，不再需要实验人员的操作。不仅降低了在电弧的产生过程中人为因素的影响，而且有效地保护了实验人员的人身安全。

Description

一种真空开关电弧综合实验装置
技术领域
本发明属于真空电弧领域，尤其是一种真空开关电弧综合实验装置。
背景技术
随着化石能源的逐步消耗，世界能源危机日益突显出来。在电能传输这一能源输送的关键环节，对如何减少开关器件中能源损耗的研究意义重大。当前，在高压直流输电的实际运行中，应用最多的断路器类型为填充SF6气体作为灭弧介质的断路器，但是由于SF6气体对温室效应影响非常大并且放电时分解产生有毒气体有一定的腐蚀性，所以为了建立环境友好型社会，SF6断路器未来将逐渐被淘汰。真空断路器是近几十年开始发展的开关器件，具有易于维修、体积小重量轻、可靠性高、开断容量大、无污染、能频繁操作等优点，拥有非常好的发展前景。然而，对于真空断路器中电弧的数学模型、外部磁场和触头开距等因素对电弧的影响等目前还没有准确的结论，需要进行反复的实验来对其进行研究，对真空开关实验装置的需求很大。
目前尚未有专利对真空开关综合实验装置进行设计。现有装置多是实验人员根据自己实验的需要而简单搭建的实验平台。实验平台通常由一个真空断路器和一个拍摄装置(如相机等)组成。这种实验平台主要存在以下问题：1.装置搭建不完善，对高压实验中的安全因素考虑不足，实验人员有受到人身伤害的危险；2.对电弧的观察和拍摄不全面，只集中在某一固定的角度进行观察和拍摄，难以准确的反应电弧的特性；3.由于现有装置均是基于实验人员某方面的研究需求搭建的，只能对磁场、温度等某一因素进行实验。当需要实验其他因素时，又需要搭建另一实验平台，在成本上很不经济。
发明内容
本发明的目的为针对现有技术的不足，提供一种真空开关电弧综合实验装置，该实验装置通过真空罩、真空开关电弧产生模块、行走拍摄模块和温度-磁场控制模块的结构的设计，填补了当前真空电弧实验装置的空白。本发明不仅能综合地对磁场和温度对真空电弧的影响关系进行研究，而且有效地实现了强电、强热的隔离，保障了实验人员的人身安全。
本发明技术方案为：
一种真空开关电弧综合实验装置，该装置包括真空开关电弧产生模块、行走拍摄模块和温度-磁场控制模块；真空开关电弧产生模块放置在地面上；行走拍摄模块放置在真空开关电弧产生模块的外围；4个温度-磁场控制模块放置真空开关电弧产生模块的四周；
所述真空开关电弧产生模块包括真空罩、圆台底座和电源线；真空罩安放在圆台底座上；圆台底座放置在地面上；电源线接入真空罩内部，与两个静触头分别相连；
所述真空开关电弧产生模块还包括静触头、动触头、电磁线圈、连接杆、支撑杆、连接块、横杆、导轨和挡板；
其中，挡板竖直地固定在圆台底座上，其上部设置有水平的导轨，导轨内嵌有横杆的一端，横杆的另一端固定有连接块；连接块前端与一垂直放置的支撑杆上端部的侧面相连；支撑杆上端部的另一侧面与动触头相连；支撑杆的底端与水平的连接杆的一端相连，连接杆的另一端探入电磁线圈内，电磁线圈固定在圆台底座上；2个静触头分别固定在挡板上，位于动触头一侧，并在动触头的行程线路上匹配；
所述行走拍摄模块包括立柱、环形支架、第一轨道、第二轨道、行走组件；其中，4个立柱竖直的固定在地面上，环形支架水平地安放在4个立柱上；在环形支架上设置有内、外两条轨道，分别为第一轨道和第二轨道；第一轨道和第二轨道的中间位置设置有一条间隙，行走组件安放在第一轨道和第二轨道上；
所述行走组件包括连接体、电机、转轴、转轮、伸缩杆、摄像头和闪光灯；其中，连接体的左右两端各对称地固定有一个电机；每个电机的另一端通过转轴与转轮相连；伸缩杆的一端固定在连接体下部，另一端与一方形外壳相连，该方形外壳中安放有摄像头、闪光灯和控制器；
所述温度-磁场控制模块包括温度-磁场产生组件和风扇；4个温度-磁场产生组件分别放置在行走拍摄模块外围的四个方向，风扇放置在温度-磁场产生组件的后方。
所述温度-磁场产生组件包括底座、栏架和电阻丝；其中，底座固定在地面上，栏架和电阻丝分别固定在底座。
所述的控制器为单片机或DSP，控制器分别与电磁线圈、电机、伸缩杆、摄像头、闪光灯、电阻丝、风扇相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的真空开关电弧产生模块设计了真空罩及其内部的各个器件，使动触头与静触头之间的接触和分离完全实现了自动化，不再需要实验人员的操作。不仅降低了在电弧的产生过程中人为因素的影响，而且有效地保护了实验人员的人身安全。
2、现有装置均采用静止的拍摄装置对电弧进行拍摄，若在拍摄时发现角度不佳，则需要终止实验并由实验人员手动调节拍摄装置的位置，使用很不方便。本发明中行走拍摄模块的机械结构设计合理，使本发明不再像现有装置那样，摄像头只能固定在某一位置。而是可以对电弧进行多角度全方位的拍摄，使实验过程中采集到的信息更为全面，实验效果更好。
3、本发明设计了温度-磁场控制模块，克服了现有装置仅能对磁场或温度等某一因素对电弧的影响规律进行试验的缺点，在没有大幅增加设备数量的情况下，实现了磁场-温度控制的综合，既增加了实验装置运行的效率，又没有在成本上有大幅的增长。
附图说明
图1是本发明真空开关电弧综合实验装置的整体结构连接图；
图2是本发明真空开关电弧综合实验装置的真空开关电弧产生模块1结构连接图；
图3是本发明真空开关电弧综合实验装置的真空开关电弧产生模块1真空罩1-1内部的结构连接图；
图4是本发明真空开关电弧综合实验装置的行走拍摄模块2结构连接图；
图5是本发明真空开关电弧综合实验装置的行走组件2-5内部结构连接图；
图6是本发明真空开关电弧综合实验装置的温度-磁场控制模块3结构连接图；
图7是本发明真空开关电弧综合实验装置的温度-磁场产生组件3-1内部结构连接图；
图8是本发明真空开关电弧综合实验装置的风扇3-2内部结构连接图；
图中，1.真空开关电弧产生模块、2.行走拍摄模块、3.温度-磁场控制模块、1-1.真空罩、1-2.圆台底座、1-3.电源线、1-4.静触头、1-5.动触头、1-6.电磁线圈、1-7.连接杆、1-8.支撑杆、1-9.连接块、1-10.横杆、1-11.导轨、1-12.挡板、2-1.立柱、2-2.环形支架、2-3.第一轨道、2-4.第二轨道、2-5.行走组件、2-5-1.连接体、2-5-2.电机、2-5-3.转轴、2-5-4.转轮、2-5-5.伸缩杆、2-5-6.摄像头、2-5-7.闪光灯、3-1.温度-磁场产生组件、3-1-1.底座、3-1-2.栏架、3-1-3.电阻丝、3-2.风扇、3-2-1.圆形基座、3-2-2.支撑柱、3-2-3.风扇电机、3-2-4.扇叶。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明做进一步详述：
如图1所示，本发明的真空开关电弧综合实验装置，包括真空开关电弧产生模块1、行走拍摄模块2和4个温度-磁场控制模块3；真空开关电弧产生模块1放置在地面上；行走拍摄模块2放置在真空开关电弧产生模块1的外围；4个温度-磁场控制模块3放置真空开关电弧产生模块1的四周；(为了显示出本发明装置中其他部分的具体连接结构，故在图1中只展示了2个温度-磁场控制模块3。)
如图2所示，所述真空开关电弧产生模块1包括真空罩1-1、圆台底座1-2、电源线1-3；真空罩1-1安放在圆台底座1-2上(真空罩下部的直径同圆台上表面的直径。)；圆台底座1-2放置在地面上，起支撑作用；电源线1-3盘绕在圆台底座1-2侧面，并有两端深入真空罩1-1内部，与两个静触头1-4分别相连，并为其供电。
如图3所示，所述真空开关电弧产生模块1还包括静触头1-4、动触头1-5、电磁线圈1-6、连接杆1-7、支撑杆1-8、连接块1-9、横杆1-10、导轨1-11和挡板1-12；上述器件均放置在真空罩1-1内部；
其中，挡板1-12竖直地固定在圆台底座1-2上，其上部设置有水平的导轨1-11，导轨1-11内嵌有横杆1-10的一端，横杆1-10的另一端固定有连接块1-9；连接块1-9前端与一垂直放置的支撑杆1-8上端部的侧面相连；支撑杆1-8上端部的另一侧面与动触头1-5相连；支撑杆1-8的底端与水平的连接杆1-7的一端相连，连接杆1-7的另一端探入电磁线圈1-6的内部(未运行时探入1-2厘米)，电磁线圈1-6固定在真空罩1-1的底部的圆台底座上；2个静触头1-4分别与电源线1-3相连，即一个连接正极，一个连接负极；2个静触头1-4分别固定在挡板1-12上，位于动触头1-5一侧，并在动触头1-5的行程线路上匹配(即若动触头1-5水平地向前运动一段距离后，会同时与2个静触头发生贴合接触。)，在动触头1-5动作过程中，能准确地与其接触或分离。动触头1-5的作用是通过自身与2个静触头1-4相互接触再分离的过程来产生电弧。电磁线圈1-6的作用是可以控制通过电磁线圈1-6的电流来使电磁线圈1-6吸引或者排斥连接杆1-7(即利用电磁线圈对连接杆吸引或排斥来控制连接杆伸入线圈内部的长度，进而控制整个组件的运动。)，从而使连接杆1-7做相应的运动，最终控制动触头1-5与2个静触头1-4接触或分离。导轨1-11的作用是限制整个组件的运动方向，使动触头1-5等部件只能进行水平方向的运动，防止由于部件运动错位导致的实验失败或装置损坏。(所述的动触头、静触头均为目前常见的触头材质，本实施例采用的为铜。)
如图4所示，所述行走拍摄模块2包括立柱2-1、环形支架2-2、第一轨道2-3、第二轨道2-4、行走组件2-5；其中，4个立柱2-1竖直的固定在地面上，上端与环形支架2-2相连，为其提供支撑。环形支架2-2水平地安放在4个立柱2-1上。在环形支架2-2上设置有内、外两条轨道，分别为第一轨道2-3和第二轨道2-4。环形支架2-2在第一轨道2-3和第二轨道2-4的中间位置设置有一条缝隙，以使得行走组件2-5中下部的伸缩杆2-5-5可以通过。行走组件2-5安放在第一轨道2-3和第二轨道2-4上，其可以延第一轨道2-3和第二轨道2-4进行环形的行走运动。
如图5所示，所述行走组件2-5包括连接体2-5-1、电机2-5-2、转轴2-5-3、转轮2-5-4、伸缩杆2-5-5、摄像头2-5-6和闪光灯2-5-7；其中，连接体2-5-1为圆柱体，其下部与伸缩杆2-5-5固定相连，且连接体2-5-1的左右两端各对称地固定有一个电机2-5-2；每个电机2-5-2的一端与连接体2-5-1相连，另一端通过转轴2-5-3与转轮2-5-4相连，并带动其旋转；伸缩杆2-5-5的一端固定在连接体2-5-1的下部，另一端与一方形外壳相连，该方形外壳中安放有摄像头2-5-6和闪光灯2-5-7。摄像头2-5-6的作用是对真空电弧进行拍摄，为后续对真空电弧的研究提供依据。伸缩杆2-5-5的作用是通过调节自身的长度来改变摄像头2-5-6的拍摄角度，从而可以多角度、全方位地对于真空电弧进行拍摄。闪光灯2-5-7的作用是在环境光线较弱时，为摄像头2-5-6提供拍照所需的感光度。
如图6所示，所述温度-磁场控制模块3包括温度-磁场产生组件3-1和风扇3-2。4个温度-磁场产生组件3-1分别放置在行走拍摄模块2外围的四个方向，风扇3-2放置在温度-磁场产生组件3-1的后方。温度-磁场产生组件3-1的作用是通过给电阻丝3-1-3通电来使其产生热量和磁场。风扇3-2的作用是吹动空气，当温度-磁场产生组件3-1产生热量时增加加热的效果，当温度-磁场产生组件3-1不产生热量时起到降温的作用，实现对温度的控制。
如图7所示，所述温度-磁场产生组件3-1包括底座3-1-1、栏架3-1-2和电阻丝3-1-3；其中，底座3-1-1固定在地面上，栏架3-1-2和电阻丝3-1-3分别固定在底座3-1-1上。栏架3-1-2固定在底座3-1-1上。电阻丝3-1-3竖直地立在底座3-1-1上，电阻丝3-1-3的数量可根据实验的实际需要来进行相应的设置。底座3-1-1的作用是为栏架3-1-2和电阻丝3-1-3提供支撑。栏架3-1-2为电阻丝3-1-3提供一定程度上的防护，同时防止实验中实验人员误接触到发热的电阻丝造成烫伤。电阻丝3-1-3的作用是通过控制通入电阻丝3-1-3电流的大小来控制其发出热量和磁场的大小。
如图8所示，所述风扇3-2包括圆形基座3-2-1、支撑柱3-2-2、风扇电机3-2-3、扇叶3-2-4。圆形基座3-2-1固定在地面上，为风扇3-2中的各个组件提供支撑。支撑柱3-2-2竖直地立在圆形基座3-2-1上，其上端与风扇电机3-2-3固定相连，为风扇电机3-2-3提供支撑。风扇电机3-2-3固定在支撑柱3-2-2上，与扇叶3-2-4相连，为扇叶3-2-4的旋转提供动力。扇叶3-2-4与风扇电机3-2-3相连，通过自身的旋转产生风力，对整个装置起到加热或降温的作用。
本装置中在行走组件2-5的方形外壳内安装有一个控制器，控制器为单片机或DSP，具有遥控功能。该控制器通过无线连接方式分别与电磁线圈1-6、电机2-5-2、伸缩杆2-5-5、摄像头2-5-6、闪光灯2-5-7、电阻丝3-1-3、风扇电机3-2-3相连。
本发明真空开关电弧综合实验装置工作流程为：先控制通入电磁线圈1-6的电流的大小和方向，使其对连接杆1-7产生吸引力，使动触头1-5与2个静触头1-4保持接触。随后，控制实验装置开始工作，在2个静触头1-4中通入电流，改变通入电磁线圈1-6的电流的大小和方向，使动触头1-5与2个静触头1-4分离，从而产生电弧。若只需要研究磁场对电弧的影响，则在电阻丝3-1-3通入少量的电流使其产生磁场和极少量的热量。若需要同时研究磁场和温度对电弧的影响时，则在电阻丝3-1-3通入大量的电流使其产生磁场和大量的热量，同时控制风扇3-2开始转动，增加加热的效果。在产生电弧时，行走组件2-5开始沿第一轨道2-3和第二轨道2-4进行环形的行走运动，同时伸缩杆2-5-5可以做伸长和缩短的运动，使得摄像头2-5-6通过透明的真空罩能全方位地对电弧进行拍摄，观察电弧产生和熄灭的每个细节。行走组件2-5有两种工作模式：一是按照预先的设定进行行走和拍摄；二是实验人员通过遥控器来对控制器发出指令，来控制行走组件2-5的行走路线和方位，来对电弧进行针对性的拍摄。在一次实验过后，切断通入电阻丝3-1-3的电流，并使风扇3-2多转动一些时间，来使整个装置降到室温状态。
本发明真空开关电弧综合实验装置，所用的元器件和零部件均是本技术领域的技术人员所熟知的，可以通过商购获得或自己容易制作的，所有元器件的材质、之间的连接方式、零部件的安装、操控方式以及电源线路的接线方式也是本技术领域的技术人员所熟知的。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本申请权利要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种真空开关电弧综合实验装置，其特征为该装置包括真空开关电弧产生模块、行走拍摄模块和温度-磁场控制模块；真空开关电弧产生模块放置在地面上；行走拍摄模块放置在真空开关电弧产生模块的外围；4个温度-磁场控制模块放置真空开关电弧产生模块的四周；
所述真空开关电弧产生模块包括真空罩、圆台底座和电源线；真空罩安放在圆台底座上；圆台底座放置在地面上；电源线接入真空罩内部，与两个静触头分别相连；
所述真空开关电弧产生模块还包括静触头、动触头、电磁线圈、连接杆、支撑杆、连接块、横杆、导轨和挡板；
其中，挡板竖直地固定在圆台底座上，其上部设置有水平的导轨，导轨内嵌有横杆的一端，横杆的另一端固定有连接块；连接块前端与一垂直放置的支撑杆上端部的侧面相连；支撑杆上端部的另一侧面与动触头相连；支撑杆的底端与水平的连接杆的一端相连，连接杆的另一端探入电磁线圈内，电磁线圈固定在圆台底座上；2个静触头分别固定在挡板上，位于动触头一侧，并在动触头的行程线路上匹配；
所述行走拍摄模块包括立柱、环形支架、第一轨道、第二轨道、行走组件；其中，4个立柱竖直的固定在地面上，环形支架水平地安放在4个立柱上；在环形支架上设置有内、外两条轨道，分别为第一轨道和第二轨道；第一轨道和第二轨道的中间位置设置有一条间隙，行走组件安放在第一轨道和第二轨道上；
所述行走组件包括连接体、电机、转轴、转轮、伸缩杆、摄像头和闪光灯；其中，连接体的左右两端各对称地固定有一个电机；每个电机的另一端通过转轴与转轮相连；伸缩杆的一端固定在连接体下部，另一端与一方形外壳相连，该方形外壳中安放有摄像头、闪光灯和控制器；
所述温度-磁场控制模块包括温度-磁场产生组件和风扇；4个温度-磁场产生组件分别放置在行走拍摄模块外围的四个方向，风扇放置在温度-磁场产生组件的后方。
2.如权利要求1所述的真空开关电弧综合实验装置，其特征为所述温度-磁场产生组件包括底座、栏架和电阻丝；其中，底座固定在地面上，栏架和电阻丝分别固定在底座。
3.如权利要求1所述的真空开关电弧综合实验装置，其特征为所述的控制器为单片机或DSP，控制器分别与电磁线圈、电机、伸缩杆、摄像头、闪光灯、电阻丝、风扇相连。
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