CN115815748A - 一种常压固定弧长电弧加热器和转移弧起弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种常压固定弧长电弧加热器和转移弧起弧方法。本发明的常压固定弧长电弧加热器包括电弧加热器本体和起弧控制装置，电弧加热器本体包括依次设置的阳极、旋气室、彼此绝缘的多个绝缘压缩段和阴极，在阳极和绝缘压缩段朝向旋气室的一侧设有用于在电源接通时起弧的起弧部，起弧控制装置包括电源、断路器和控制模块，电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，断路器通过电缆与绝缘压缩段连接，控制模块通过电缆与断路器连接以对断路器进行控制。本发明解决了现有固定弧长加热器由于长极间距从而在常压下难以起弧的问题，可应用于航空航天领域气动热防护地面模拟试验中在常压下固定弧长电弧加热器的起弧。

Description

一种常压固定弧长电弧加热器和转移弧起弧方法

技术领域

本发明涉及电弧加热器技术领域，尤其是涉及一种常压固定弧长电弧加热器和转移弧起弧方法。

背景技术

随着我国高超声速飞行器型号的迭代更新，热防护材料的尺寸和形式越来越复杂，对于加热器设备的能力和尺寸等方面都有了更高的需求，常压电弧加热器的应用也愈加广泛。同时，随着电弧设备尺寸的加长，电极极间距大幅增加，常压固定弧长加热器起弧也有了更高的挑战。

目前，现有电弧加热器的运行方式是使一定流量的压缩气体通过进气孔高速旋转进入加热器，通过直流电源将进入加热器的气体电离形成蕴含高温高压的等离子电弧。根据电弧的状态可分为固定弧长和自由弧长，自由弧长电弧加热器的电极极间距较短，使用钢丝短接爆燃起弧相对容易。随着大功率大尺寸电弧加热器设备的建成和应用，固定弧长电弧加热器电极极间距大幅增加(极间距离例如加长到2.0米以上)，此时单纯使用钢丝短接爆燃起弧方式起弧已不适用，使得常压固定弧长电弧加热器起弧技术需要不断的更新，因此亟待一种成熟有效的实现常压下固定弧长电弧加热器的起弧技术解决方案。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种常压固定弧长电弧加热器和转移弧起弧方法，旨在解决现有固定弧长加热器由于长极间距从而在常压下难以起弧的问题。

本发明提供一种常压固定弧长电弧加热器，包括电弧加热器本体和起弧控制装置，电弧加热器本体包括依次设置的阳极、旋气室、彼此绝缘的多个绝缘压缩段和阴极，在阳极和绝缘压缩段朝向旋气室的一侧设有用于在电源接通时起弧的起弧部，起弧控制装置包括电源、断路器和控制模块，电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，断路器通过电缆与绝缘压缩段连接，控制模块通过电缆与断路器连接以对断路器进行控制。

在本发明中，电弧加热器本体包括依次设置的阳极、阴极、旋气室和多个彼此绝缘的绝缘压缩段，各部件的结构和连接方式可以采用本领域的常规方式，例如可以是一种直流长直管型固定弧长电弧加热器。可以理解，电弧加热器本体的多个绝缘压缩段包括靠近旋气室的第一绝缘压缩段和依次设置的其余多个绝缘压缩段。此外，起弧部主要用于在电源接通时起弧，例如可以通过在阳极和绝缘压缩段与旋气室最近处压接细钢丝形成金属性短路点，接通电源时细钢丝燃爆起弧，此时阴极弧根落于靠近旋气室的绝缘压缩段。

在本发明中，起弧控制装置包括电源、断路器和控制模块，主要用于在燃爆起弧后通过控制模块控制断路器分闸以将弧根转移至阴极，完成完整起弧动作。对断路器的设置数量和设置方式不作严格限制；具体地，在第一绝缘压缩段连接有断路器；此外，在其余多个绝缘压缩段每间隔一个或多个绝缘压缩段连接有断路器，从而降低初始弧的击穿电压要求，提高起弧成功率。断路器与绝缘压缩段可以并联或串联；断路器可以按时序从左至右依次断开，也可以同时断开。对断路器的断开时间不作严格限制，可依具体要求确定。

本发明对所采用的断路器的类型不作严格限制，例如可以采用直流快速断路器、直流高速断路器、真空断路器等；断路器的额定电压介于500V～3000V之间，额定电流介于1000A～6000A之间，开断电流能力不低于40KA，分闸响应速度介于5ms～100ms，从而适应不同状态下的拉弧。

本发明还提供一种常压固定弧长电弧加热器转移弧起弧方法，采用上述常压固定弧长电弧加热器进行，常压固定弧长电弧加热器在起弧后通过控制模块对断路器进行控制以将弧根转移至阴极。

具体地，本发明的常压固定弧长电弧加热器转移弧起弧方法，包括如下步骤：

S1：起弧前，通过控制模块控制断路器闭合；

S2：准备起弧时，接通电源，通过起弧部爆燃产生等离子体，在阳极与第一绝缘压缩段之间形成电弧，弧根落于第一绝缘压缩段内壁面；

S3：待电弧加热器本体内腔充满一定浓度的等离子体气体，通过控制模块控制断路器断开，使弧根逐级转移至阴极内壁面。

在上述方法中，控制模块可以控制断路器依次断开或同时断开；此外，可以在起弧阶段向电弧加热器本体通入占主工作气体比重1％～10％的氩气，以降低弧根转移过程中的弧电压，扩大上述方法的应用范围，并保护断路器。

本发明的常压固定弧长电弧加热器通过设置起弧控制装置，从而对多个绝缘压缩段进行分段，通过控制模块对断路器进行控制，能够使阴极弧根从第一绝缘压缩段内壁面逐级转移至阴极内壁面以完成起弧过程，解决了现有固定弧长电弧加热器在长极间距下(如极间距离加长到2.0米以上)起弧的难题，提高了该类电弧加热器的起弧效率，同时也拓展了电弧加热器的起弧方式及应用范围。本发明的应用能够使固定弧长电弧加热器在常压环境正常起弧，既节省了真空设备投入，又节省了抽放真空时间，降低了试验成本和时间成本。本发明的常压固定弧长电弧加热器安装方便，起弧过程简洁明了，可重复多次使用，可应用于航空航天领域气动热防护地面模拟试验中在常压下固定弧长电弧加热器的起弧。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施方式的常压固定弧长电弧加热器的结构示意图；

图2为本发明另一实施方式的常压固定弧长电弧加热器的结构示意图。

附图标记说明：

1：电源；2：断路器；3：电缆；4：电弧加热器本体；5：控制模块；6：阳极；7：旋气室；8：绝缘压缩段；9：阴极。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1、图2所示，本实施例的常压固定弧长电弧加热器包括电弧加热器本体4和起弧控制装置，电弧加热器本体4包括依次设置的阳极6、旋气室7、彼此绝缘的多个绝缘压缩段8和阴极9，在阳极6和绝缘压缩段8朝向旋气室7的一侧设有用于在电源1(直流电源)接通时起弧的起弧部，起弧控制装置包括电源1、断路器2和控制模块5，电源1的正极和负极分别与阳极6和阴极9连接，断路器2通过电缆3与绝缘压缩段8连接，控制模块5通过电缆3与断路器2连接以对断路器2进行控制。

电弧加热器本体4是一种直流长直管型固定弧长电弧加热器，电弧加热器本体4的多个绝缘压缩段8包括靠近旋气室7的第一绝缘压缩段和依次设置的其余多个绝缘压缩段。可以通过在阳极6和绝缘压缩段8与旋气室7最近处压接细钢丝(即起弧部)形成金属性短路点，接通电源1时细钢丝燃爆起弧，此时阴极9弧根落于靠近旋气室7的绝缘压缩段8。

起弧控制装置主要用于在起弧部燃爆起弧后通过控制模块5控制断路器2分闸以将弧根转移至阴极9从而完成完整起弧动作。具体地，在第一绝缘压缩段连接有断路器2，在其余多个绝缘压缩段每间隔一个或多个绝缘压缩段连接有断路器2，上述方式能够降低初始弧的击穿电压要求，提高起弧成功率。

如图1所示，在一实施方式中，断路器2可以与绝缘压缩段8串联；如图2所示，在另一实施方式中，断路器2可以与绝缘压缩段8并联。此外，与第一绝缘压缩段连接的断路器2可以采用2个以上断路器2串联，以降低断路器2内灭弧板结构的击穿电压，从而提高装置的使用寿命。在转移弧起弧过程中，断路器2可以按时序从左至右依次断开，也可以同时断开；对断路器2的断开时间不作严格限制，可依具体要求确定。

断路器2可以采用直流快速断路器、直流高速断路器、真空断路器等；断路器2的额定电压介于500V～3000V之间，额定电流介于1000A～6000A之间，开断电流能力不低于40KA，分闸响应速度介于5ms～100ms，以适应不同状态下的拉弧。

特别是，本实施例的电弧加热器本体4极间距离加长到2.0米以上，功率提升到25MW以上。对于该类极间距离加长、功率提高的电弧加热器，在常压下起弧阶段的主要难点在于极间距过长，电弧在阴极弧根发生转移的距离太长，在高速旋转的气流的作用下容易息弧。前期研究主要通过适当提高电流，加大电源的输出能力的方式来解决该问题，该解决方式对于功率在8MW、极间距离为1.2米的电弧加热器能够顺利实现弧根转移，然而无法解决极间距离加长到2.0米以上，功率提升到25MW以上的电弧加热器的起弧目的。

本实施例通过增设断路器2，对电位较高的位置进行断路器2的串联或并联设置，采用逐级转移弧根的方式使阴极弧根转移至阴极，从而能够顺利完成上述极间距离加长到2.0米以上，功率提升到25MW以上的电弧加热器的起弧。断路器2的设置将电位降均分至所有串联的断路器2的多个断口，降低了单个断路器2两端的电位差。通过断路器2辅助起弧，降低了对电源输出性能的要求，在电源容量足够的前提下，无需改造优化电源，即可实现长极间距在常压下的起弧。

采用上述常压固定弧长电弧加热器进行转移弧起弧，可以在起弧后通过控制模块5对断路器2进行控制以将弧根转移至阴极9；具体地，利用上述常压固定弧长电弧加热器进行转移弧起弧的方法，包括如下步骤：

S1：起弧前，通过控制模块5控制断路器2闭合；

S2：准备起弧时，接通电源1，通过起弧部(细钢丝)爆燃产生等离子体，在阳极6与第一绝缘压缩段之间形成电弧，弧根落于第一绝缘压缩段内壁面；

S3：待电弧加热器本体4内腔充满一定浓度的等离子体气体，通过控制模块5控制断路器2断开，使弧根逐级转移至阴极9内壁面。

在上述方法中，控制模块5可以控制断路器2依次断开或同时断开；此外，可以在起弧阶段向电弧加热器本体4通入占主工作气体比重1％～10％的氩气，以降低弧根转移过程中的弧电压，扩大上述方法的应用范围，并保护断路器2。由于电弧加热器功率的提高，需要注入电弧加热器的气体流量增多，在一些特殊状态下可能会发生息弧现象；在使用断路器辅助起弧过程中，通过加入一定量的氩气，降低了电弧柱的维持电压，放缓了电弧电压快速上升的趋势，从而使电弧电压与电源电压输出性能相匹配，大大提高了弧根转移的成功率。

本实施例的常压固定弧长电弧加热器通过设置起弧控制装置，从而对多个绝缘压缩段8进行分段，通过控制模块5对断路器2进行控制，能够使阴极9弧根从第一绝缘压缩段8内壁面逐级转移至阴极9内壁面以完成起弧过程，解决了现有固定弧长电弧加热器在长极间距下起弧的难题，提高了该类电弧加热器的起弧效率，同时也拓展了电弧加热器的起弧方式及应用范围。

本实施例的常压固定弧长电弧加热器能够使固定弧长电弧加热器在常压环境正常起弧，既节省了真空设备投入，又节省了抽放真空时间，降低了试验成本和时间成本；同时，该常压固定弧长电弧加热器安装方便，起弧过程简洁明了，可重复多次使用，可应用于航空航天领域气动热防护地面模拟试验中在常压下固定弧长电弧加热器的起弧。

实施例2

如图2所示，本实施例的常压固定弧长电弧加热器包括电源1(直流电源)、断路器2、电缆3、电弧加热器本体4和控制模块5，其中电弧加热器本体4由阳极6、旋气室7、五个绝缘压缩段8和阴极9组成，五个绝缘压缩段8从旋气室7开始计数分别计作第一至第五绝缘压缩段。将第一、第三、第五绝缘压缩段使用电缆3与断路器2并联连接，其中将两个断路器2串联后与第一绝缘压缩段并联。阳极6与电源1正极连接，阴极9与电源1负极连接并接地，控制模块5并入系统控制。

起弧前将所有断路器2合闸，第一、第三、第五绝缘压缩段及旋气室7与阴极9通过断路器2短接与电源1负极连通，为等电位部件，电位为零。在旋气室7腔内，阳极6和第一绝缘压缩段压接钢丝短接。

准备起弧时，接通电源1，钢丝因通过大电流爆燃产生等离子体，阳极6和第一绝缘压缩段之间形成电弧，阴极弧根落于第一绝缘压缩段内壁面。

待该电弧稳定燃烧后，电弧加热器本体4内腔内部充满一定浓度的等离子体气体。此时，通过系统控制中心对控制模块8发出断路器2分段信号，断路器2依次断开，断路器2断开时间不受限制，可依具体要求确定，阴极弧根从第一绝缘压缩段内壁面逐级转移至阴极9内壁面，完成起弧过程。

断路器2可以为直流快速断路器、直流高速断路器或真空断路器，其额定电压介于500V～3000V之间，额定电流介于1000A～6000A之间，开断电流能力不低于40KA，分闸响应速度介于5ms～100ms，适应不同状态下的拉弧。

此外，在电弧加热器本体4起弧阶段通入占主工作气体比1％～10％的氩气，以降低弧根转移过程中的弧电压，扩大上述方法的应用范围，并保护断路器2。

本实施例的常压固定弧长电弧加热器和转移弧起弧方法在起弧前将断路器2合闸，在旋气室7处常压下通过短路燃爆起弧后，控制模块5控制断路器2分闸从而将弧根转移至阴极9，进而完成完成常压下固定弧长加热器的起弧过程，该方式解决了现有固定弧长加热器由于长极间距从而在常压下难以起弧的问题，可应用于航空航天领域气动热防护地面模拟试验中在常压下固定弧长电弧加热器的起弧。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种常压固定弧长电弧加热器，其特征在于，包括电弧加热器本体和起弧控制装置，电弧加热器本体包括依次设置的阳极、旋气室、彼此绝缘的多个绝缘压缩段和阴极，在阳极和绝缘压缩段朝向旋气室的一侧设有用于在电源接通时起弧的起弧部，起弧控制装置包括电源、断路器和控制模块，电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，断路器通过电缆与绝缘压缩段连接，控制模块通过电缆与断路器连接以对断路器进行控制。

2.根据权利要求1所述的常压固定弧长电弧加热器，其特征在于，多个绝缘压缩段包括靠近旋气室的第一绝缘压缩段和依次设置的其余多个绝缘压缩段，在第一绝缘压缩段连接有断路器。

3.根据权利要求2所述的常压固定弧长电弧加热器，其特征在于，在其余多个绝缘压缩段每间隔一个或多个绝缘压缩段连接有断路器。

4.根据权利要求1所述的常压固定弧长电弧加热器，其特征在于，断路器与绝缘压缩段并联或串联。

5.根据权利要求1所述的常压固定弧长电弧加热器，其特征在于，断路器为直流快速断路器、直流高速断路器或真空断路器；断路器的额定电压介于500V～3000V之间，额定电流介于1000A～6000A之间，开断电流能力不低于40KA，分闸响应速度介于5ms～100ms。

6.根据权利要求1所述的常压固定弧长电弧加热器，其特征在于，电弧加热器本体为直流长直管型固定弧长电弧加热器。

7.一种常压固定弧长电弧加热器转移弧起弧方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的常压固定弧长电弧加热器进行，常压固定弧长电弧加热器在起弧后通过控制模块对断路器进行控制以将弧根转移至阴极。

8.根据权利要求7所述的常压固定弧长电弧加热器转移弧起弧方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：起弧前，通过控制模块控制断路器闭合；

S2：准备起弧时，接通电源，通过起弧部爆燃产生等离子体，在阳极与第一绝缘压缩段之间形成电弧，弧根落于第一绝缘压缩段内壁面；

S3：待电弧加热器本体内腔充满一定浓度的等离子体气体，通过控制模块控制断路器断开，使弧根逐级转移至阴极内壁面。

9.根据权利要求8所述的常压固定弧长电弧加热器转移弧起弧方法，其特征在于，控制模块控制断路器依次断开或同时断开。

10.根据权利要求8所述的常压固定弧长电弧加热器转移弧起弧方法，其特征在于，在起弧阶段向电弧加热器本体通入占主工作气体比重1％～10％的氩气。

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