CN110109009A - 一种用于混合气体开断性能研究的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于混合气体开断性能研究的试验装置及方法，包括底架、槽钢、主壳体、动端侧向壳体、静端侧向壳体、动端组件、静端组件和充电装置，所述底架顶部通过槽钢安装有主壳体，所述主壳体顶部一端焊接有动端侧向壳体，另一端焊接有静端侧向壳体，动端侧向壳体与动端组件固定安装，静端侧向壳体与静端组件固定安装，所述主壳体底侧中部焊接有采集壳体，采集壳体与带孔盖板固定安装，带孔盖板的孔内安装有密封过渡件。本发明相对于断路器在进行试验过程中极大地减少了用气量，相比现有的试验装置用气量减少了50％，从而降低了试验成本。本发明采用卧式结构，降低了整个试验装置的重心，有利于提高试验装置整体的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于高压开关设备技术领域，特别涉及一种用于混合气体开断性能研究的试验装置及方法。
背景技术
随着电力技术的发展，SF6电气设备得到了广泛的应用，SF6具有很强的电负性，有优异的灭弧性能和绝缘强度，热传导性能好，同时SF6是一种温室效应值很高的气体，对环境影响很大。因此寻求SF6替代气体已是必然的趋势。
目前，对于SF6替代气体的开断性能研究主要包括其绝缘性能和灭弧性能，而针对灭弧性能的试验研究多数是将已成型的断路器接入试验站专用的试验回路中进行。通常情况下试验站试验任务较重，试验收费也比较高，而SF6替代气体开断性能的研究一般需要很长的周期，试验通常需要反复进行，对于试验研究来说非常不利。除此之外，采用已成型的断路器进行试验会制约其他试验项目的拓展，不利于多个试验项目同时开展。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于混合气体开断性能研究的试验装置及方法，其实现了SF6替代气体开断性能的试验研究，简化了试验回路，大大减少了用气量，节约了试验成本。
为了实现上述目的，本发明提出一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，该装置包括底架、槽钢、主壳体、动端侧向壳体、静端侧向壳体、动端组件、静端组件和充电装置，所述底架顶部通过槽钢安装有主壳体，所述主壳体顶部一端焊接有动端侧向壳体，另一端焊接有静端侧向壳体，动端侧向壳体与动端组件固定安装，静端侧向壳体与静端组件固定安装，所述主壳体底侧中部焊接有采集壳体，采集壳体与带孔盖板固定安装，带孔盖板的孔内安装有密封过渡件，所述充电装置输出端与充电开关电连接，所述充电开关第一触点分别与充电电容一端和电抗一端电连接，电抗另一端与合闸开关一端电连接，合闸开关另一端与动端高压导电杆电连接，充电开关第二触点分别与充电电容的另一端、静端高压导电杆和地电连接，所述动端高压导电杆和静端高压导电杆分别与电弧电压传感器一端电连接，电弧电压传感器另一端与示波器电连接，所述电弧电流传感器安装于试验回路中，电弧电流传感器与电弧电流积分器一端电连接，电弧电流传感器另一端与示波器电连接，示波器与位于转轴上的行程传感器电连接，所述合闸开关和操动机构与触发源电连接。
所述动端组件包括动端过渡法兰，动端过渡法兰一端与动端侧向壳体端部固定安装，动端过渡法兰另一端与动端盆式绝缘子固定安装，动端盆式绝缘子凸面安装有动端高压导电杆，动端盆式绝缘子凹面安装有动端接头，动端接头的凹槽内安装有动端转接导体，动端转接导体与动端支撑固定安装，所述主壳体一端端部安装有拐臂盒，拐臂盒上安装有自闭式阀门，拐臂盒法兰端内侧与动端连接法兰一端相连，动端连接法兰另一端与动端支撑绝缘子一端相连，动端支撑绝缘子另一端与动端支撑一端相连，所述动端支撑内壁里端螺接有活塞，动端支撑内壁同轴滑动安装有气缸，气缸与动端支撑之间通过表带触指电连接，气缸一端内壁与阀座固定安装，气缸另一端内壁与大喷口固定安装，所述拐臂盒通孔处通过轴承与转轴转动安装，转轴的端面上设置有行程传感器，转轴外圆上同时安装有内拐臂和外拐臂，内拐臂位于拐臂盒内腔，外拐臂位于拐臂盒外侧，外拐臂小孔处通过销轴与操动拉杆一端相连，操动拉杆另一端与操动机构相连，操动机构固定安装在底架的支撑柱上，内拐臂小孔处通过销轴与绝缘拉杆一端相连，绝缘拉杆另一端依次贯穿拐臂盒、动端连接法兰和动端支撑绝缘子通过销轴与动触头拉杆一端相连，动触头拉杆另一端贯穿活塞与阀座固定安装，所述动触头通过动触头座与阀座固定安装。
所述静端组件包括静端过渡法兰，静端过渡法兰一端与静端侧向壳体端部固定安装，静端过渡法兰另一端与静端盆式绝缘子固定安装，静端盆式绝缘子凸面安装有静端高压导电杆，静端盆式绝缘子凹面安装有静端接头，静端接头的凹槽内安装有静端转接导体，静端转接导体与静端支撑固定安装，所述主壳体另一端端部安装有右端盖，右端盖内壁与静端连接法兰一端相连，静端连接法兰另一端静端支撑绝缘子一端相连，静端支撑绝缘子另一端与静端支撑一端相连，静端支撑另一端与静触头一端相连，静触头另一端延伸至大喷口内。
所述主壳体、动端侧向壳体、静端侧向壳体和采集壳体为一体成型结构。
所述绝缘拉杆的直线运动速度为2.5-3.2m/s。
所述触发源由电源、PLC、两个电压转换器和两个继电器组成，PLC分别与两个电压转换器电连接，两个电压转换器分别与继电器电连接，两个继电器分别与电源电连接，其中一个继电器与合闸开关电连接，另一个继电器与操动机构电连接。
一种用于混合气体开断性能研究的试验方法，采用一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，包括以下步骤：
步骤1，检查试验装置的动端盆式绝缘子和动端侧向壳体连接处、静端盆式绝缘子和静端侧向壳体连接处、采集壳体和带孔盖板连接处、主壳体和右端盖连接处、主壳体与拐臂盒的连接处、以及转轴与拐臂盒连接处的气密性，将真空泵、气泵通过连接管道和三通与自闭式阀门相连，通过真空泵对试验装置进行抽真空后，进行静置处理，通过观察真空泵与自闭式阀门连接管路上的气压表来检测气密性，若无漏气现象，则进入步骤2；若有漏气现象，通过气泵向试验装置内充入氮气，在所有的连接处涂抹肥皂液确定漏点位置，通过更换连接处的密封圈或增大螺丝拧紧力，再次通过真空泵对试验装置进行抽真空后，进行静置处理，通过观察真空泵与自闭式阀门连接管路上的气压表来检测气密性，直至无漏气现象，通过自闭式阀门向主壳体内充入气体；
步骤2，触发源的验证，正式试验前，通过充电装置对充电电容施加电压，通过触发源PLC上的定时器设定不同的时间间隔，触发源根据不同的时间间隔发出电压方波信号，电压方波信号作为合闸开关及操动机构的触发信号，合闸开关得到触发信号完成合闸动作，试验回路产生短路电流，在预定的时间间隔后，试验装置中的操动机构收到触发信号执行分闸操作，完成电弧开断，通过电弧电压传感器和电弧电流传感器采集电弧电压信号和电弧电流信号，并通过示波器显示出电弧电压和电弧电流的波形图，通过对比采集试验数据与理论计算数据判断试验回路是否正常，当采集试验数据和理论计算数据波形一致时，即可判断试验回路正常；当发现试验信号缺失或者试验波形与理论计算数据相差较大，即可判断出试验回路不正常，此时需要检查试验回路中的充电电容、电抗的投切值以及电弧电压传感器、电弧电流传感器与示波器的连接；
步骤3，调节试验回路中的投切参数，试验回路中的充电电容由若干小电容并联组成，电抗由若干小电抗串联组成，并且小电容和小电抗通过小型刀闸控制，通过调节试验回路中小刀闸的合闸和分闸状态，调整试验回路的投切参数，试验装置初始为合闸状态，调整合闸开关至分闸状态；关闭充电开关对充电电容进行充电至预设的电压值；
主回路的电容值和电感值按照下列公式计算：
其中：f为频率，U为电压，I为电流，联立公式(1)和公式(2)，即可得到充电电容C和电抗L；
步骤4，打开充电开关，启动示波器测量程序；触发源发出触发信号，合闸开关执行合闸动作，此时整个试验回路处于短路状态，试验回路产生电流第一个波的有效值，经过预设时间间隔后，电流衰减至设定值，此时试验装置收到触发源给出的分闸指令，执行分闸操作，操动机构带动操动连杆向下移动，此时外拐臂带动转轴和内拐臂转动，进而实现绝缘拉杆带动气缸和动触头向动端移动，活塞与气缸之间的气体逐渐被压缩，产生高气压，当动触头和静触头分离时，在动触头和静触头之间产生电弧，气缸内的高压气体通过大喷口对电弧有一定的气吹作用，随着分闸动作的继续，动触头和静触头之间的距离逐渐增大，电弧被逐渐拉长，此时气吹作用变得越来越剧烈，最终电弧在电路电流过零点熄灭，完成一个灭弧过程；
步骤5，通过电弧电压传感器可测得试验装置燃弧过程中的电弧电压u的波形，通过电弧电流传感器可测得燃弧过程中的电弧电流i的波形，电弧电压传感器和电弧电流传感器将测得数据传输给示波器，确认示波器采集的数据与仿真数据一致后保存，断开充电开关对充电电容进行放电处理，试验结束；
步骤6，对示波器采集到的电弧电流i和电弧电压u的波形通过MATLAB软件进行数据处理，具体处理过程如下：
Mayr动态电弧模型为：将其变形为：
令ui|t＝B1，ui|t+Δt＝B2，
设在Δt期间，其中Δt趋近于零，则θ和N恒定，则在时间t时，Mayr动态电弧模型可写成：
在时间为t+Δt时，Mayr动态电弧模型可写成：
联立公式(3)和公式(4)可得：
令ΔB＝B2-B1＝Δ(ui)和将其代入上式中可得：
其中：i为电弧电流，u为电弧电压，g＝i/u，其中g为电弧电导，θ为电弧时间常数，N为电弧散发功率，t为时间，A1、A2、B1、B2均为中间变量，据此即可判断出该气体的灭弧性能。
所述主壳体内充入的气体根据不同的试验项目可设置为SF6/N2、SF6/CF4等混合气体。
所述时间间隔＝合闸开关合闸时间+电流产生时间-合闸开关分闸时间，步骤2和步骤4所述的时间间隔均为20-150ms；步骤1所述静置处理时间为1-3h；步骤2对所述充电电容施加200-400V的电压，所述试验回路产生的短路电流为1.1-2.2kA；步骤4所述电流衰减的预设值为9-11kA。
本发明的有益效果为：
1、本发明用于混合气体开断性能研究的试验装置采用卧式结构，降低了整个试验装置的重心，有利于提高试验装置整体的稳定性。
2、本发明实验装置中的采集壳体上的带孔盖板可以根据不同的实验需要安装玻璃视窗，同时通过采集壳体的通路可以在不打开试验装置的情况下，对试验装置内部的气缸、动触头、静触头和大喷口进行定期检查，方便快捷。
3、本发明试验装置为开断电弧过程中的高温气体预设有扩散通道，高温气体大部分会沿着动触头拉杆内腔和静端支撑内腔流动冷却，这样避免了高温气体对盆式绝缘子、动静端支撑绝缘子的侵蚀，增加了试验装置的使用寿命。
4、本发明试验回路的触发源采用PLC以及高精度的固态继电器输出时序控制信号，试验操作分散性在1ms以内，保证了试验的准确性。
5、本发明提出的试验装置相对于断路器在进行试验过程中极大地减少了用气量，相比现有的试验装置用气量减少了50％，从而降低了试验成本。
6、本发明提出的试验装置中零部件多为标准件，常见且易加工，拆装方便，便于后期维护。
7、本发明试验装置解决了采用已成型的断路器做试验在一定程渡上制约试验项目拓展的问题，本发明试验装置可对多个试验项目(如电弧温度测量、气压测量等)同时开展，以适应不同科研项目的需要。
附图说明
图1为本发明试验装置结构示意图；
图2为本发明试验装置灭弧室结构示意图；
图3为本发明试验原理图；
图4为本发明试验控制流程图；
1-动端高压导电杆，2-动端盆式绝缘子，3-动端过渡法兰，4-动端接头，5-动端转接导体，6-静端高压导电杆，7-静端盆式绝缘子，8-静端过渡法兰，9-静端接头，10-静端转接导体，11-动端侧向壳体，12-静端侧向壳体，13-动端支撑，14-静端支撑，15-动端支撑绝缘子，16-自闭式阀门，17-拐臂盒，18-静端支撑绝缘子，19-右端盖，20-主壳体，21-槽钢，22-内拐臂，23-外拐臂，24-绝缘拉杆，25-转轴，26-操动拉杆，27-操动机构，28-底架，29-动触头拉杆，30-活塞，31-阀座，32-气缸，33-表带触指，34-动触头，35-动触头座，36-大喷口，37-静触头，38-采集壳体，39-带孔盖板，40-密封过渡件，41-充电装置，42-触发源，43-电弧电压传感器，44-示波器，45-电弧电流积分器，46-动端连接法兰，47-静端连接法兰，48-行程传感器，S-充电开关，C-充电电容，L-电抗，HK-合闸开关，RC-电弧电流传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1-图4所示，一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，该装置包括底架28、槽钢21、主壳体20、动端侧向壳体11、静端侧向壳体12、动端组件、静端组件和充电装置41，所述底架28顶部通过槽钢21安装有主壳体20，所述主壳体20顶部一端焊接有动端侧向壳体11，另一端焊接有静端侧向壳体12，动端侧向壳体11与动端组件固定安装，静端侧向壳体12与静端组件固定安装，所述主壳体20底侧中部焊接有采集壳体38，采集壳体38与带孔盖板39固定安装，带孔盖板39的孔内安装有密封过渡件40，所述充电装置41输出端与充电开关S电连接，所述充电开关S第一触点分别与充电电容C一端和电抗L一端电连接，电抗L另一端与合闸开关HK一端电连接，合闸开关HK另一端与动端高压导电杆1电连接，充电开关S第二触点分别与充电电容C的另一端、静端高压导电杆6和地电连接，所述动端高压导电杆1和静端高压导电杆6分别与电弧电压传感器43一端电连接，电弧电压传感器43另一端与示波器44电连接，所述电弧电流传感器RC安装于试验回路中，电弧电流传感器RC与电弧电流积分器45一端电连接，电弧电流传感器RC另一端与示波器44电连接，示波器44与位于转轴25上的行程传感器48电连接，所述合闸开关HK和操动机构27与触发源42电连接，所述主壳体20、动端侧向壳体11、静端侧向壳体12和采集壳体38为圆管或者方管。
所述动端组件包括动端过渡法兰3，动端过渡法兰3一端与动端侧向壳体11端部固定安装，动端过渡法兰3另一端通过螺栓与动端盆式绝缘子2固定安装，动端盆式绝缘子2凸面螺纹连接有动端高压导电杆1，动端盆式绝缘子2凹面通过螺纹连接有动端接头4，动端接头4的凹槽内螺接有动端转接导体5，动端转接导体5与动端支撑13侧壁固定安装，所述主壳体20一端端部通过螺栓连接有拐臂盒17，拐臂盒17上设置有自闭式阀门16，拐臂盒17法兰端内侧通过螺栓与动端连接法兰46一端相连，动端连接法兰46另一端通过螺栓与动端支撑绝缘子15一端相连，动端支撑绝缘子15另一端与动端支撑13一端相连，所述动端支撑13内壁螺接有活塞30，动端支撑13内壁同轴滑动安装有气缸32，气缸32靠近动端支撑13的开口侧，气缸32与动端支撑13之间通过表带触指33电连接，气缸32里端内壁与阀座31最大直径处螺纹连接，所述拐臂盒17通孔处通过轴承与转轴25转动安装，转轴25的端面上设置有行程传感器48，转轴25外圆上同时安装有内拐臂22和外拐臂23，内拐臂22位于拐臂盒17内腔，外拐臂23位于拐臂盒17外侧，外拐臂23小孔处通过销轴与操动拉杆26一端相连，操动拉杆26另一端与操动机构27相连，操动机构27为市购件，可以根据实验的需要在市场上采购，操动机构27固定安装在底架28的支撑柱上，内拐臂22小孔处通过销轴与绝缘拉杆24一端相连，绝缘拉杆24另一端依次贯穿拐臂盒17、动端连接法兰46和动端支撑绝缘子15通过销轴与动触头拉杆29一端相连，动触头拉杆29另一端贯穿活塞30与阀座31螺纹连接，所述动触头34通过动触头座35与阀座31固定安装压紧阀座31，所述气缸32外端内壁与大喷口36螺纹连接。
所述静端组件包括静端过渡法兰8，静端过渡法兰8一端通过螺栓与静端侧向壳体12端部固定安装，静端过渡法兰8另一端通过螺栓与静端盆式绝缘子7固定安装，静端盆式绝缘子7凸面螺接有静端高压导电杆6，静端盆式绝缘子7凹面螺接有静端接头9，静端接头9的凹槽内螺接有静端转接导体10，静端转接导体10与静端支撑14侧壁固定安装，所述主壳体20另一端端部安装有右端盖19，右端盖19内壁通过螺栓与静端连接法兰47一端相连，静端连接法兰47另一端通过螺栓与静端支撑绝缘子18一端相连，静端支撑绝缘子18另一端通过螺栓与静端支撑14一端相连，静端支撑14另一端与静触头37一端螺纹连接，静触头37另一端延伸至大喷口36内。
所述主壳体20、动端侧向壳体11、静端侧向壳体12和采集壳体38为一体成型结构。由于本试验装置对气密性要求高，而一体成型结构不存在接缝，气密性好。
所述绝缘拉杆24的直线运动速度为2.5-3.2m/s。绝缘拉杆24的直线运动速度低于2.5m/s，试验装置开断能力不足，造成试验过程中动静触头37烧蚀严重；绝缘拉杆24的直线运动速度高于3.2m/s，对断路器内部结构强度会有较高的要求，同时操动机构27出力也需要增加，造成实验装置成本增加。
所述触发源42由电源、PLC、两个电压转换器和两个继电器组成，PLC分别与两个电压转换器电连接，并且PLC与电压转换器集成在一起，型号为欧姆龙PLC CP1L-M30DR-D，两个电压转换器分别与继电器电连接，两个继电器分别与电源电连接，其中一个继电器与合闸开关HK电连接，另一个继电器与操动机构27电连接。
一种用于混合气体开断性能研究的试验方法，采用一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，包括以下步骤：
本实施例中，所述主壳体20、动端侧向壳体11、静端侧向壳体12和采集壳体38均采用铸铁制成，其中主壳体20长度为1500mm，外径为285mm，内部总的气体容量为80L；气缸32内径为120mm，外径为130mm；动触头34、静触头37以及大喷口36采用40.5kV/40kA自能式断路器的标准件，所述动触头34最小内径为20mm，所述静触头37外径为20.3mm，且两者采用插入式过盈配合对接方式，所述动触头34机械特性设计参数：行程为80mm，开距60mm，超程20mm。
步骤1，检查试验装置的动端盆式绝缘子2和动端侧向壳体11连接处、静端盆式绝缘子7和静端侧向壳体12连接处、采集壳体38和带孔盖板39连接处、主壳体20和右端盖19连接处、主壳体20与拐臂盒17的连接处、以及转轴25与拐臂盒17连接处的气密性，将真空泵、气泵通过连接管道和三通与自闭式阀门16相连，通过真空泵对试验装置进行抽真空至-0.1MPa，静置1小时，通过观察真空泵与自闭式阀门16连接管路上的气压表来检测气密性，若无漏气现象，过自闭式阀门16向主壳体20内充入气体至0.6Mpa后，进入步骤2；若有漏气现象，通过气泵向试验装置内充入0.2MPa的氮气，在所有的连接处涂抹肥皂液确定漏点位置，通过更换连接处的密封圈或增大螺丝拧紧力，再次通过真空泵对试验装置进行抽真空至-0.1MPa，静止1小时，通过观察真空泵与自闭式阀门16连接管路上的气压表来检测气密性，直至无漏气现象，通过自闭式阀门16向主壳体20内充入气体至0.6Mpa，进入步骤2；
步骤2，触发源42的验证，正式试验前，通过充电装置41对充电电容C施加200V的电压，通过触发源42的PLC上的定时器设定不同的间隔时间，触发源42根据不同的时间间隔发出电压方波信号，电压方波信号作为合闸开关HK及操动机构27的触发信号，合闸开关HK得到触发信号完成合闸动作，试验回路产生1.1kA的短路电流，在预定的时间间隔90ms后，试验装置中的操动机构27收到触发信号执行分闸操作，完成电弧开断，通过电弧电压传感器43和电弧电流传感器RC采集电弧电压信号和电弧电流信号，并通过示波器44显示出电弧电压和电弧电流的波形图，通过对比采集试验数据与理论计算数据判断试验回路是否正常，当采集试验数据和理论计算数据波形一致时，即可判断试验回路正常；当发现试验信号缺失或者试验波形与理论计算数据相差较大，即可判断出试验回路不正常，此时需要检查试验回路中的充电电容C、电抗L的投切值以及电弧电压传感器43、电弧电流传感器RC与示波器44的连接；
步骤3，调节试验回路中的投切参数，试验回路中的充电电容C由若干小电容并联组成，电抗L由若干小电抗串联组成，并且小电容和小电抗通过小型刀闸控制，通过调节试验回路中小刀闸的合闸和分闸状态，调整试验回路的投切参数，试验装置初始为合闸状态，调整合闸开关HK至分闸状态；关闭充电开关S对充电电容C进行充电至预设的电压值1.6kV；
试验回路的电容值和电感值按照下列公式计算：
其中：频率f＝50Hz，电压U＝1.6kV，电流I＝10kA，联立公式(1)和公式(2)，即可得到电容C＝72000μF，电抗L＝125μH；
步骤4，打开充电开关S，启动示波器44测量程序；触发源42发出触发信号，合闸开关HK执行合闸动作，此时整个试验回路处于短路状态，通过电弧电流传感器RC测得试验回路电流第一个波的有效值为24kA，经过预设时间间隔90ms后，电流衰减至10kA，此时试验装置收到触发源42给出的分闸指令，执行分闸操作，操动机构27带动操动连杆26向下移动，此时外拐臂23带动转轴25和内拐臂22转动，进而实现绝缘拉杆24带动气缸32和动触头34向动端移动，活塞30与气缸32之间的气体逐渐被压缩，产生高气压，当动触头34和静触头37分离时，在动触头34和静触头37之间产生电弧，气缸32内的高压气体通过喷口36对电弧有一定的气吹作用，随着分闸动作的继续，动触头34和静触头37之间的距离逐渐增大，电弧被逐渐拉长，此时气吹作用变得越来越剧烈，最终电弧在电路电流过零点熄灭，完成一个灭弧过程；
步骤5，通过电弧电压传感器43可测得试验装置燃弧过程中的电弧电压u的波形，通过电弧电流传感器RC可测得燃弧过程中的电弧电流i的波形，电弧电压传感器43和电弧电流传感器RC将测得数据传输给示波器44，确认示波器44采集的数据与仿真数据一致后保存，断开充电开关S对主电容C进行放电处理，试验结束；
步骤6，对示波器44采集到的电弧电流i和电弧电压u的波形通过MATLAB软件进行数据处理，具体处理过程如下：
Mayr动态电弧模型为：将其变形为：
令ui|t＝B1，ui|t+Δt＝B2，
设在Δt期间，其中Δt趋近于零，则θ和N恒定，则在时间t时，Mayr动态电弧模型可写成：
在时间为t+Δt时，Mayr动态电弧模型可写成：
联立公式(3)和公式(4)可得：
令ΔB＝B2-B1＝Δ(ui)和将其代入公式(5)和公式(6)中可得：
其中：i为电弧电流，u为电弧电压，g＝i/u，其中g为电弧电导，θ为电弧时间常数，N为电弧散发功率，t为时间，A1、A2、B1、B2均为中间变量，据此即可判断出该气体的灭弧性能。在同样的试验条件下进行SF6和SF6替代气体的试验，对比电弧时间常数和电弧散发功率，电弧时间常数越小，电弧散发功率越大，表明气体的灭弧性能就越好。
所述主壳体20内充入的气体根据不同的试验项目可设置为SF6/N2、SF6/CF4等混合气体。
Claims (9)
1.一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，其特征在于，包括底架、槽钢、主壳体、动端侧向壳体、静端侧向壳体、动端组件、静端组件和充电装置，所述底架顶部通过槽钢安装有主壳体，所述主壳体顶部一端焊接有动端侧向壳体，另一端焊接有静端侧向壳体，动端侧向壳体与动端组件固定安装，静端侧向壳体与静端组件固定安装，所述主壳体底侧中部焊接有采集壳体，采集壳体与带孔盖板固定安装，带孔盖板的孔内安装有密封过渡件，所述充电装置输出端与充电开关电连接，所述充电开关第一触点分别与充电电容一端和电抗一端电连接，电抗另一端与合闸开关一端电连接，合闸开关另一端与动端高压导电杆电连接，充电开关第二触点分别与充电电容的另一端、静端高压导电杆和地电连接，所述动端高压导电杆和静端高压导电杆分别与电弧电压传感器一端电连接，电弧电压传感器另一端与示波器电连接，所述电弧电流传感器安装于试验回路中，电弧电流传感器与电弧电流积分器一端电连接，电弧电流传感器另一端与示波器电连接，示波器与位于转轴上的行程传感器电连接，所述合闸开关和操动机构与触发源电连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，其特征在于：所述动端组件包括动端过渡法兰，动端过渡法兰一端与动端侧向壳体端部固定安装，动端过渡法兰另一端与动端盆式绝缘子固定安装，动端盆式绝缘子凸面安装有动端高压导电杆，动端盆式绝缘子凹面安装有动端接头，动端接头的凹槽内安装有动端转接导体，动端转接导体与动端支撑固定安装，所述主壳体一端端部安装有拐臂盒，拐臂盒上安装有自闭式阀门，拐臂盒法兰端内侧与动端连接法兰一端相连，动端连接法兰另一端与动端支撑绝缘子一端相连，动端支撑绝缘子另一端与动端支撑一端相连，所述动端支撑内壁里端螺接有活塞，动端支撑内壁同轴滑动安装有气缸，气缸与动端支撑之间通过表带触指电连接，气缸一端内壁与阀座固定安装，气缸另一端内壁与大喷口固定安装，所述拐臂盒通孔处通过轴承与转轴转动安装，转轴的端面上设置有行程传感器，转轴外圆上同时安装有内拐臂和外拐臂，内拐臂位于拐臂盒内腔，外拐臂位于拐臂盒外侧，外拐臂小孔处通过销轴与操动拉杆一端相连，操动拉杆另一端与操动机构相连，操动机构固定安装在底架的支撑柱上，内拐臂小孔处通过销轴与绝缘拉杆一端相连，绝缘拉杆另一端依次贯穿拐臂盒、动端连接法兰和动端支撑绝缘子通过销轴与动触头拉杆一端相连，动触头拉杆另一端贯穿活塞与阀座固定安装，所述动触头通过动触头座与阀座固定安装。
3.根据权利要求1所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，其特征在于：所述静端组件包括静端过渡法兰，静端过渡法兰一端与静端侧向壳体端部固定安装，静端过渡法兰另一端与静端盆式绝缘子固定安装，静端盆式绝缘子凸面安装有静端高压导电杆，静端盆式绝缘子凹面安装有静端接头，静端接头的凹槽内安装有静端转接导体，静端转接导体与静端支撑固定安装，所述主壳体另一端端部安装有右端盖，右端盖内壁与静端连接法兰一端相连，静端连接法兰另一端静端支撑绝缘子一端相连，静端支撑绝缘子另一端与静端支撑一端相连，静端支撑另一端与静触头一端相连，静触头另一端延伸至大喷口内。
4.根据权利要求1所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，其特征在于：所述主壳体、动端侧向壳体、静端侧向壳体和采集壳体为一体成型结构。
5.根据权利要求2所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，其特征在于：所述绝缘拉杆的直线运动速度为2.5-3.2m/s。
6.根据权利要求1所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，其特征在于：所述触发源由电源、PLC、两个电压转换器和两个继电器组成，PLC分别与两个电压转换器电连接，两个电压转换器分别与继电器电连接，两个继电器分别与电源电连接，其中一个继电器与合闸开关电连接，另一个继电器与操动机构电连接。
7.一种用于混合气体开断性能研究的试验方法，采用权利要求1所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，检查试验装置的动端盆式绝缘子和动端侧向壳体连接处、静端盆式绝缘子和静端侧向壳体连接处、采集壳体和带孔盖板连接处、主壳体和右端盖连接处、主壳体与拐臂盒的连接处、以及转轴与拐臂盒连接处的气密性，将真空泵、气泵通过连接管道和三通与自闭式阀门相连，通过真空泵对试验装置进行抽真空后，进行静置处理，通过观察真空泵与自闭式阀门连接管路上的气压表来检测气密性，若无漏气现象，则进入步骤2；若有漏气现象，通过气泵向试验装置内充入氮气，在所有的连接处涂抹肥皂液确定漏点位置，通过更换连接处的密封圈或增大螺丝拧紧力，再次通过真空泵对试验装置进行抽真空后，进行静置处理，通过观察真空泵与自闭式阀门连接管路上的气压表来检测气密性，直至无漏气现象，通过自闭式阀门向主壳体内充入气体；
步骤2，触发源的验证，正式试验前，通过充电装置对充电电容施加电压，通过触发源PLC上的定时器设定不同的时间间隔，触发源根据不同的时间间隔发出电压方波信号，电压方波信号作为合闸开关及操动机构的触发信号，合闸开关得到触发信号完成合闸动作，试验回路产生短路电流，在预定的时间间隔后，试验装置中的操动机构收到触发信号执行分闸操作，完成电弧开断，通过电弧电压传感器和电弧电流传感器采集电弧电压信号和电弧电流信号，并通过示波器显示出电弧电压和电弧电流的波形图，通过对比采集试验数据与理论计算数据判断试验回路是否正常，当采集试验数据和理论计算数据波形一致时，即可判断试验回路正常；当发现试验信号缺失或者试验波形与理论计算数据相差较大，即可判断出试验回路不正常，此时需要检查试验回路中的充电电容、电抗的投切值以及电弧电压传感器、电弧电流传感器与示波器的连接；
步骤3，调节试验回路中的投切参数，试验回路中的充电电容由若干小电容并联组成，电抗由若干小电抗串联组成，并且小电容和小电抗通过小型刀闸控制，通过调节试验回路中小刀闸的合闸和分闸状态，调整试验回路的投切参数，试验装置初始为合闸状态，调整合闸开关至分闸状态；关闭充电开关对充电电容进行充电至预设的电压值；
主回路的电容值和电感值按照下列公式计算：
其中：f为频率，U为电压，I为电流，联立公式(1)和公式(2)，即可得到充电电容C和电抗L；
步骤4，打开充电开关，启动示波器测量程序；触发源发出触发信号，合闸开关执行合闸动作，此时整个试验回路处于短路状态，试验回路产生电流第一个波的有效值，经过预的时间间隔后，电流衰减至预设值，此时试验装置收到触发源给出的分闸指令，执行分闸操作，操动机构带动操动连杆向下移动，此时外拐臂带动转轴和内拐臂转动，进而实现绝缘拉杆带动气缸和动触头向动端移动，活塞与气缸之间的气体逐渐被压缩，产生高气压，当动触头和静触头分离时，在动触头和静触头之间产生电弧，气缸内的高压气体通过大喷口对电弧有一定的气吹作用，随着分闸动作的继续，动触头和静触头之间的距离逐渐增大，电弧被逐渐拉长，此时气吹作用变得越来越剧烈，最终电弧在电路电流过零点熄灭，完成一个灭弧过程；
步骤5，通过电弧电压传感器可测得试验装置燃弧过程中的电弧电压u的波形，通过电弧电流传感器可测得燃弧过程中的电弧电流i的波形，电弧电压传感器和电弧电流传感器将测得数据传输给示波器，确认示波器采集的数据与仿真数据一致后保存，断开充电开关对充电电容进行放电处理，试验结束；
步骤6，对示波器采集到的电弧电流i和电弧电压u的波形通过MATLAB软件进行数据处理，具体处理过程如下：
Mayr动态电弧模型为：将其变形为：
令ui|t＝B1，ui|t+Δt＝B2，
设在Δt期间，其中Δt趋近于零，则θ和N恒定，则在时间t时，Mayr动态电弧模型可写成：
在时间为t+Δt时，Mayr动态电弧模型可写成：
联立公式(3)和公式(4)可得：
令ΔB＝B2-B1＝Δ(ui)和将其代入公式(5)和公式(6)中可得：
其中：i为电弧电流，u为电弧电压，g＝i/u，其中g为电弧电导，θ为电弧时间常数，N为电弧散发功率，t为时间，A1、A2、B1、B2均为中间变量，据此即可判断出该气体的灭弧性能。
8.根据权利要求7所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验方法，其特征在于：步骤1所述主壳体内充入的气体根据不同的试验项目可设置为SF6/N2、SF6/CF4等混合气体。
9.根据权利要求7所述的一种用于混合气体开断性能研究的试验方法，其特征在于：所述时间间隔＝合闸开关合闸时间+电流产生时间-合闸开关分闸时间，步骤2和步骤4所述的时间间隔均为20-150ms；步骤1所述静置处理时间为1-3h；步骤2对所述充电电容施加200-400V的电压，所述试验回路产生的短路电流为1.1-2.2kA；步骤4所述电流衰减的预设值为9-11kA。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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