CN107271864B - 多功能电弧实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种多功能电弧实验装置。其在电弧实验过程中灭弧介质及触头可更换、传动机构连续可控、开断速度可调、电弧形状易于观测、数据易于分析，为电弧理论研究过程中计算结果及分析的校验提供了可靠有效且操作方便的小型化实验装置。包括灭弧室单元及电机传动单元；所述灭弧室单元包括触头系统；所述灭弧室单元与电机传动单元相连，该电机传动单元驱动触头系统实现分闸或合闸；所述灭弧室单元及电机传动单元均与一控制系统相连；所述灭弧室单元及电机传动单元均设置于一底座上、与底座可拆卸式连接。

Description

多功能电弧实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种多功能电弧实验装置。

背景技术

近年来直流配电系统发展迅速，直流开关作为电力设备中的关键器件成为研究热点，由于电弧计算需要多场藕合问题，因此求解难度大，对结果的验证比较困难。影响电弧燃烧的因素很多，比如灭弧介质、气体压力、开断速度及磁场等，因此要求实验可以满足多因素并且操作简便、连续可控、易于分析数据等特点。国内外相关机构对电弧实验装置都进行了开发，但是目前存在的实验装置体积笨重，实验操作繁琐，研究影响因素单一，不可连续控制、存取和分析实验数据。因此，设计一套功能齐全、实验高效、数据可靠、操作简易的多功能电弧实验装置是十分必要的。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种多功能电弧实验装置，其在电弧实验过程中灭弧介质及触头可更换、传动机构连续可控、开断速度可调、电弧形状易于观测、数据易于分析，为电弧理论研究过程中计算结果及分析的校验提供了可靠有效且操作方便的小型化实验装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括灭弧室单元及电机传动单元；所述灭弧室单元包括触头系统；其特征在于:所述灭弧室单元与电机传动单元相连，该电机传动单元驱动触头系统实现分闸或合闸；所述灭弧室单元及电机传动单元均与一控制系统相连；所述灭弧室单元及电机传动单元均设置于一底座上、与底座可拆卸式连接。

作为本发明的一种优选方案，所述灭弧室单元包括由前端盖、后端盖及位于前后端盖之间的石英玻璃外壁共同构成密闭可视的灭弧气腔；所述前端盖上设置有用于充入不同气体不同压强的充气口、用于排气和抽真空的出气口及静触头座；该静触头座与前端盖外侧的接线柱相连，所述接线柱与前端盖过盈配合；该静触头座与前端盖内壁可拆卸式连接；所述触头系统包括设置于灭弧气腔内的静触头及动触头；所述静触头与静触头座可拆卸式连接；所述动触头底部可拆卸式连接有一动触头轴，该动触头轴的另一端穿过后端盖，所述动触头轴与后端盖间以双向密封圈密封。

所述静触头位于一环形磁吹内，该环形磁吹、动触头、静触头三者中心共线；所述环形磁吹通过磁吹架连接于前端盖内壁，所述磁吹架底部与前端盖可拆卸式相连，所述环形磁吹沿磁吹架的位置上下可调，使得环形磁吹可沿中心线调整相对静触头、动触头的位置。

作为本发明的另一种优选方案，一固定杆依次穿过前端盖及后端盖，将石英玻璃外壁夹紧固定于前端盖、后端盖之间，所述固定杆伸出前端盖及后端盖的位置各设有一螺纹段，螺纹段适配有螺母，所述螺母压紧前端盖、后端盖，对前端盖、后端盖对中间的石英玻璃外壁加以固定，所述前端盖与石英玻璃外壁的端部之间及后端盖与石英玻璃外壁之间均设置有硅橡胶垫并以密封硅脂密封。

作为本发明的另一种优选方案，所述磁吹架包括两根螺纹杆，设置于静触头两侧，所述环形磁吹穿过所述螺纹杆，通过螺母将环形磁吹固定于螺纹杆上，调节螺母，磁吹于螺纹杆上的位置可调。

作为本发明的另一种优选方案， 所述电机传动单元包括：与后端盖外侧可拆卸式相连的直线轴承固定座，该直线轴承固定座上安装有直线轴承，所述直线轴承装配于所述动触头轴穿出后端盖的一端，该动触头轴伸出直线轴承后穿过一隔离座，与隔离座固定相连。

设置于电机安装座上的电机，该电机上加装有编码器；所述电机的电机轴与一摆臂的一端相连，该摆臂的另一端与一可压缩传动臂铰接；可压缩传动臂的另一端与所述动触头轴伸出隔离座的一端相连，所述隔离座与直线轴承间的动触头轴上套接有一动触头接线座，该动触头接线座的外径大于直线轴承内圈的直径，该动触头接线座不与隔离座或直线轴承相接触、相距隔离座或直线轴承有一定距离；所述动触头轴还与一用于检测动触头轴移动距离的位移传感器相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述隔离座采用绝缘材料制成。使灭弧室单元与电机传动单元相隔离；所述电机轴与摆臂可拆卸式相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述可压缩传动臂包括前安装头、导向杆及后安装头；所述前安装头的一端与所述摆臂铰接，该前安装头的另一端与一导向管的一端螺纹连接，一导向杆的一端位于导向管的内腔，通过导向杆上设置的凸沿限位于内腔内，该导向杆可于导向管内前后移动；所述导向杆的另一端伸出导向管一定长度后穿过一弹簧座与后安装头相连，所述后安装头与伸出隔离座的动触头轴相连，所述弹簧座与后安装头可拆卸式连接；所述弹簧座与导向管间安装有一弹簧，该弹簧套接于导向管及导向杆外。

作为本发明的另一种优选方案，所述导向管外壁上设置有一圈第二凸沿，所述弹簧的一端与第二凸沿相接触、限位于第二凸沿；所述弹簧的另一端安装于弹簧座内。

作为本发明的另一种优选方案，所述控制系统包括微控制器、电机控制电路、上位机、数据采集电路、信号调理电路及电弧数据测量电路；所述上位机分别与微控制器及数据采集电路相连，所述微控制器与电机控制电路相连，所述数据采集电路与信号调理电路相连，所述信号调理电路与电弧数据测量电路相连；所述电弧数据测量电路用于采集电弧；所述上位机上运行LabVIEW虚拟仪器平台，所述数据采集电路还与位移传感器相连。

进一步地，所述数据采集电路采用NI公司系列USB6356同步数据采集卡；所述电弧数据测量电路包括LEMLF310-S电流传感器及LEMLV25-400电压传感器。

更进一步地，所述信号调理电路包括电压调理单元及电流调理单元；所述电压调理单元与电压传感器相连，所述电流调理单元与电流传感器相连；所述电压调理单元采用AD620仪表放大器作为主芯片，所述信号调理电路采用双极性运算放大器OP07CS。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明多功能电弧实验装置实现了电弧实验过程中灭弧介质及触头可更换、传动机构连续可控、开断速度可调、电弧形状易于观测、数据连续采集、存储、传输、分析等问题，为电弧理论研究过程中计算结果及分析的校验提供了可靠有效且操作方便的小型化实验装置。可以满足电弧实验所需要的各种试验条件,试验效率高、结果精确。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明机械结构整体示意图。

图2是本发明电机传动单元结构示意图。

图3是本发明灭弧室单元结构示意图。

图4是本发明控制系统原理框图。

图5是本发明电压调理单元电路图。

图6是本发明电流调理单元电路图。

图7是本发明可压缩传动臂电路图。

图中，1为机械结构、2为电机传动单元、3为灭弧室单元、4为控制系统、5为位移传感器座、6为电机、7为电机安装座、8为摆臂、9为位移传感器、10为可压缩传动臂、11为位移传感器轴、12为隔离座、13为动触头接线座、14为直线轴承、15为直线轴承固定座、16为动触头轴、17为后端盖、18为双向密封圈、19为固定杆、20为动触头、21为磁吹、22为静触头、23为前端盖、24为充气口、25为出气口、26为接线柱、27为磁吹架、28为石英玻璃外壁、29为支撑脚、30为底座、31为前安装头、32为导向管、33为弹簧、34为导向杆、35为弹簧座、36为后安装头。

具体实施方式

如图1-7所示，本发明包括灭弧室单元及电机传动单元；所述灭弧室单元包括触头系统；所述灭弧室单元与电机传动单元相连，该电机传动单元驱动触头系统实现分闸或合闸；所述灭弧室单元及电机传动单元均与一控制系统相连。所述灭弧室单元及电机传动单元均设置于一底座上、与底座可拆卸式连接。所述电机传动单元通过支撑脚固定于底座上。

优选地，所述灭弧室单元包括由前端盖、后端盖及位于前后端盖之间的石英玻璃外壁共同构成密闭可视的灭弧气腔；所述前端盖上设置有用于充入不同气体不同压强的充气口、用于排气和抽真空的出气口及静触头座；该静触头座与前端盖外侧的接线柱相连，所述接线柱与前端盖过盈配合；该静触头座与前端盖内壁可拆卸式连接；所述触头系统包括设置于灭弧气腔内的静触头及动触头；所述静触头与静触头座可拆卸式连接（螺纹连接）；所述动触头底部可拆卸式连接有一动触头轴，（所述动触头与动触头轴螺纹相连；）该动触头轴的另一端穿过后端盖，动触头轴与后端盖间以双向密封圈密封；所述静触头为一环形磁吹所包围，该环形磁吹、动触头、静触头三者中心共线；所述环形磁吹通过磁吹架连接于前端盖内壁，所述磁吹架底部与前端盖可拆卸式相连，所述环形磁吹沿磁吹架的位置上下可调，使得环形磁吹可沿中心线调整相对静触头、动触头的位置。

优选地，一固定杆依次穿过前端盖及后端盖，将石英玻璃外壁夹紧固定于前端盖、后端盖之间，所述固定杆伸出前端盖及后端盖的位置各设有一螺纹段，螺纹段适配有螺母，所述螺母压紧前端盖、后端盖；对前端盖、后端盖对中间的石英玻璃外壁加以固定，所述前端盖与石英玻璃外壁的端部之间及后端盖与石英玻璃外壁之间均设置有硅橡胶垫并以密封硅脂密封。

优选地，所述磁吹架包括两根螺纹杆，设置于静触头两侧，所述环形磁吹穿过所述螺纹杆，通过螺母将环形磁吹固定于螺纹杆上，调节螺母，磁吹于螺纹杆上的位置可调。具体地，每一螺纹杆上可设两螺母，将环形磁吹锁紧定位于两螺母间。

优选地，所述电机传动单元包括：与后端盖外侧可拆卸式相连的直线轴承固定座，该直线轴承固定座上安装有直线轴承，所述直线轴承装配于所述动触头轴穿出后端盖的一端，该动触头轴伸出直线轴承后穿过一隔离座，与隔离座固定相连；还包括设置于电机安装座上的电机，该电机上加装有编码器；所述电机的电机轴与一摆臂的一端相连，该摆臂的另一端与一可压缩传动臂铰接；可压缩传动臂的另一端与所述动触头轴伸出隔离座的一端相连，所述隔离座与直线轴承间的动触头轴上套接有一动触头接线座，该动触头接线座的外径大于直线轴承内圈的直径，该动触头接线座不与隔离座或直线轴承相接触、相距隔离座或直线轴承有一定距离；所述动触头轴还与一用于检测动触头轴移动距离的位移传感器相连。所述位移传感器位于位移传感器座上，具体地，动触头轴与位移传感器轴相连。

摆臂通过螺丝夹紧于电机轴上，动触头轴通过直线轴承限制只能做轴向运动，摆臂末端通过铰链与传动臂一端连接，传动臂另一端通过铰链与动触头轴末端连接，组成一连杆机构。电机转动带动摆臂摆动带动传动臂运动带动动触头轴做直线运动，当动触头与静触头接触时动触头轴停止运动，电机继续转动压缩传动臂弹簧产生超程，通过电机正反转实现分闸与合闸，通过调节电机转角调节超程与开距，通过调节电机转速调节分闸速度与合闸速度。

优选地，所述隔离座采用绝缘材料制成。使灭弧室单元与电机传动单元相隔离；所述电机轴与摆臂可拆卸式相连。

优选地，所述可压缩传动臂包括前安装头、导向杆及后安装头；所述前安装头的一端与所述摆臂铰接，该前安装头的另一端与一导向管的一端螺纹连接，一导向杆的一端位于导向管的内腔，通过导向杆上设置的凸沿限位于内腔内，该导向杆可于导向管内前后移动；所述导向杆的另一端伸出导向管一定长度后穿过一弹簧座与后安装头相连，所述后安装头与伸出隔离座的动触头轴相连，所述弹簧座与后安装头可拆卸式连接；所述弹簧座与导向管间安装有一弹簧，该弹簧套接于导向管及导向杆外。具体地，所述凸沿的外径大于内腔的直径，使得导向杆限位于导向管内。

如图7所示，可压缩传动臂前安装头与导向管以螺纹连接，后安装头与导向杆以螺纹连接；前安装头与后安装头上均有用于安装可压缩传动臂的安装孔；导向杆安装在导向管内部，导向杆在导向管内部一端有凸沿，使导向杆不能被抽出；在导向杆与后安装头连接处套有弹簧座，在弹簧座与导向管间安装有圆柱弹簧；可压缩传动臂只能沿轴向被压缩，不能被拉伸或弯曲。

作为本发明的另一种优选方案，所述导向管外壁上设置有一圈第二凸沿，所述弹簧的一端与第二凸沿相接触、限位于第二凸沿； 所述弹簧的另一端安装于弹簧座内。

作为本发明的另一种优选方案，所述控制系统包括微控制器、电机控制电路、上位机、数据采集电路、信号调理电路及电弧数据测量电路；所述上位机分别与微控制器及数据采集电路相连，所述微控制器与电机控制电路相连，所述数据采集电路与信号调理电路相连，所述信号调理电路与电弧数据测量电路相连；所述电弧数据测量电路与接线端（静触头接线柱及动触头接线座相连）相连；所述上位机上运行LabVIEW虚拟仪器平台，所述数据采集电路还与位移传感器相连。

进一步地，所述数据采集电路采用NI公司系列USB6356同步数据采集卡。

所述电弧数据测量电路包括LEMLF310-S电流传感器及LEMLV25-400电压传感器。

更进一步地，所述信号调理电路包括电压调理单元及电流调理单元；所述电压调理单元与电压传感器相连，所述电流调理单元与电流传感器相连；所述电压调理单元采用AD620仪表放大器作为主芯片，所述信号调理电路采用双极性运算放大器OP07CS。

所述的控制系统部分包括编码电机控制电路、微处理器、LabVIEW虚拟仪器平台（上位机）、数据采集电路、信号调理电路、电弧数据测量电路组成，电弧数据测量电路将测得数据传送至信号调理电路，信号调理电路将调理过的数据传送至数据采集电路，数据采集电路将数据传送给LabVIEW虚拟仪器平台（上位机）进行数据存储、传输、分析等处理，通过调控微处理器发出指令控制编码电机转动，从而实现触头合分闸，通过对微处理器进行调控可以控制编码电机的转动速度和转动角度，从而通过摆臂与可压缩传动臂将编码电机的转动转换为动触头轴直线运动的速度和开距。实现自动控制并可在实验过程中连续采集、存储、传输、分析多功能电弧实验装置实验数据。其中，微控制器控制编码电机（加装编码器的电机）的实现为本领域技术人员可于公共渠道获得，在此不多加赘述。

所述信号调理电路和电弧数据测量电路：电弧数据采集电路通过LEMLF310-S电流传感器和LEMLV25-400电压传感器进行测量；如图5所示，信号调理电路的电压调理应用AD620仪表放大器，VIN2P端连接电压互感测量端，VIN2N接电源地，流过VIN2P和VIN2N的电流经过电阻R15转换为电压信号，当流入VIN2P和VIN2N电流过大时，D3、D4被击穿，保护调理电路。输入端使用BLM21AG102SN磁珠用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，同时具有吸收静电脉冲的能力。通过连接电容C14、C16构成频率为50kHZ低通滤波电路。Vset设置为2.5V，调节AD620的增益电阻RPot，经过AD620放大电路放大两倍后，可将偏置电压设置为5V。调理后的信号经过R27进入数据采集电路中，R27起限流作用。C22、C28、R23及C18、C24、R25起到对电源滤波和保护的作用。如图6所示，信号调理电路的电流调理使用低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器OP07CS，对电流互感器的电流信号进行处理，电路为反相差分输入，并具备低通滤波功能，可以减少高频信号的干扰。偏置电压Vset为2.5V，从同向端输入，经过运放电路放大，在电流为0使使输出端保持在5V，可使电压始终位于正半轴上，便于采集电路中采集卡的处理。R3、R4将互感器电流转化为电压信号，C2起到滤波的作用。当流入CTIN2电流过大时，D2被击穿，保护放大电路。通过连接电容C4构成频率为50kHZ低通滤波电路。C8、C12、R11及C13、C14、R12起到对电源滤波和保护的作用。R14为增益电阻，使电路放大倍数为2。

工作过程为：动触头轴通过直线轴承和直线轴承固定座保持直线运动。摆臂与可压缩传动臂将编码电机的转动传动给动触头轴直线运动，其中可压缩传动臂在闭合过程有一定的预压力起到缓冲作用，在断开时预压力起到快速断开作用。通过控制系统部分发出指令控制编码电机转动，从而实现触头合分闸，通过对微处理器进行调控可以控制编码电机的转动速度和转动角度，从而通过摆臂与可压缩传动臂将编码电机的转动转换为动触头轴直线运动的速度和开距。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.多功能电弧实验装置，包括灭弧室单元及电机传动单元；所述灭弧室单元包括触头系统；其特征在于，所述灭弧室单元与电机传动单元相连，该电机传动单元驱动触头系统实现分闸或合闸；所述灭弧室单元及电机传动单元均与一控制系统相连；所述灭弧室单元及电机传动单元均设置于一底座上、与底座可拆卸式连接；

所述灭弧室单元包括由前端盖、后端盖及位于前后端盖之间的石英玻璃外壁共同构成密闭可视的灭弧气腔；所述前端盖上设置有用于充入不同气体不同压强的充气口、用于排气和抽真空的出气口及静触头座；该静触头座与前端盖外侧的接线柱相连，所述接线柱与前端盖过盈配合；该静触头座与前端盖内壁可拆卸式连接；所述触头系统包括设置于灭弧气腔内的静触头及动触头；所述静触头与静触头座可拆卸式连接；所述动触头底部可拆卸式连接有一动触头轴，该动触头轴的另一端穿过后端盖，所述动触头轴与后端盖间以双向密封圈密封；

所述静触头位于一环形磁吹内，该环形磁吹、动触头、静触头三者中心共线；所述环形磁吹通过磁吹架连接于前端盖内壁，所述磁吹架底部与前端盖可拆卸式相连，所述环形磁吹沿磁吹架的位置上下可调，使得环形磁吹可沿中心线调整相对静触头、动触头的位置；

一固定杆依次穿过前端盖及后端盖，将石英玻璃外壁夹紧固定于前端盖、后端盖之间，所述固定杆伸出前端盖及后端盖的位置各设有一螺纹段，螺纹段适配有螺母，所述螺母压紧前端盖、后端盖，对前端盖、后端盖对中间的石英玻璃外壁加以固定，所述前端盖与石英玻璃外壁的端部之间及后端盖与石英玻璃外壁之间均设置有硅橡胶垫并以密封硅脂密封；

所述磁吹架包括两根螺纹杆，设置于静触头两侧，所述环形磁吹穿过所述螺纹杆，通过螺母将环形磁吹固定于螺纹杆上，调节螺母，磁吹于螺纹杆上的位置可调；

与后端盖外侧可拆卸式相连的直线轴承固定座，该直线轴承固定座上安装有直线轴承，所述直线轴承装配于所述动触头轴穿出后端盖的一端，该动触头轴伸出直线轴承后穿过一隔离座，与隔离座固定相连；

设置于电机安装座上的电机，该电机上加装有编码器；所述电机的电机轴与一摆臂的一端相连，该摆臂的另一端与一可压缩传动臂铰接；可压缩传动臂的另一端与所述动触头轴伸出隔离座的一端相连，所述隔离座与直线轴承间的动触头轴上套接有一动触头接线座，该动触头接线座的外径大于直线轴承内圈的直径，该动触头接线座不与隔离座或直线轴承相接触、相距隔离座或直线轴承有一定距离；所述动触头轴还与一用于检测动触头轴移动距离的位移传感器相连；

所述隔离座采用绝缘材料制成；使灭弧室单元与电机传动单元相隔离；所述电机轴与摆臂可拆卸式相连；

所述可压缩传动臂包括前安装头、导向杆及后安装头；所述前安装头的一端与所述摆臂铰接，该前安装头的另一端与一导向管的一端螺纹连接，一导向杆的一端位于导向管的内腔，通过导向杆上设置的凸沿限位于内腔内，该导向杆可于导向管内前后移动；所述导向杆的另一端伸出导向管一定长度后穿过一弹簧座与后安装头相连，所述后安装头与伸出隔离座的动触头轴相连，所述弹簧座与后安装头可拆卸式连接；所述弹簧座与导向管间安装有一弹簧，该弹簧套接于导向管及导向杆外；

所述导向管外壁上设置有一圈第二凸沿，所述弹簧的一端与第二凸沿相接触、限位于第二凸沿；所述弹簧的另一端安装于弹簧座内；

所述控制系统包括微控制器、电机控制电路、上位机、数据采集电路、信号调理电路及电弧数据测量电路；所述上位机分别与微控制器及数据采集电路相连，所述微控制器与电机控制电路相连，所述数据采集电路与信号调理电路相连，所述信号调理电路与电弧数据测量电路相连；所述电弧数据测量电路用于采集电弧；所述上位机上运行LabVIEW虚拟仪器平台，所述数据采集电路还与位移传感器相连；

所述数据采集电路采用NI公司系列USB6356同步数据采集卡；所述电弧数据测量电路包括LEMLF310-S电流传感器及LEMLV25-400电压传感器；所述信号调理电路包括电压调理单元及电流调理单元；所述电压调理单元与电压传感器相连，所述电流调理单元与电流传感器相连；所述电压调理单元采用AD620仪表放大器作为主芯片，所述信号调理电路采用双极性运算放大器OP07CS。

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