本發(fā)明屬于斷路器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

低壓斷路器開斷大電流的過程中，滅弧室殼體在很大氣壓的熱空氣沖擊作用下容易應(yīng)力過大引起殼體變形甚至是斷裂，引發(fā)安全事故。目前，現(xiàn)有工作主要針對(duì)空氣電弧建立了MHD模型，MHD模型復(fù)雜且很難用于工程實(shí)踐中；有針對(duì)氣壓測(cè)量的具體方法，但沒有具體針對(duì)電弧等離子體對(duì)殼沖擊效應(yīng)，當(dāng)滅弧室結(jié)構(gòu)改變或者短路電流發(fā)生變化殼體將受到不同的沖擊氣壓。

日本的M.Tsukima等人通過實(shí)驗(yàn)與仿真證明了氣吹作用與電磁對(duì)電弧的洛倫茲力一樣能夠有效地驅(qū)動(dòng)電弧運(yùn)動(dòng)，并首次提出了氣吹(auto-puffer)的概念。McBride針對(duì)微型斷路器模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了觸頭在低速打開過程中氣吹對(duì)提高小型斷路器開斷性能的積極作用。

在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)的陳德桂、劉洪武等人率先針對(duì)氣吹式塑殼斷路器開斷電路時(shí)電弧運(yùn)動(dòng)的不同影響因素(產(chǎn)氣材料、上下方氣體阻尼及柵片結(jié)構(gòu))展開研究，實(shí)驗(yàn)中為了更準(zhǔn)確地對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)圖景進(jìn)行觀測(cè)，自主研發(fā)了一套二維光纖觀測(cè)系統(tǒng)。研究表明，盡可能封閉滅弧室下方出氣口，采用短?hào)牌Y(jié)構(gòu)和POM與尼龍產(chǎn)氣材料均有利于提高斷路器的開斷性能。建立了一維非定?？蓧嚎s流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算滅弧室氣流參數(shù)(壓強(qiáng)、速度)沿電弧運(yùn)動(dòng)方向分布的一般規(guī)律得電弧產(chǎn)生的壓縮波和激波傳播到封閉端與出氣口端產(chǎn)生不同的反射，在滅弧室內(nèi)形成壓強(qiáng)梯度，由此產(chǎn)生了高速氣流對(duì)電弧的直接氣吹作用，實(shí)現(xiàn)了從理論上解釋氣流對(duì)電弧驅(qū)動(dòng)力的形成原因。

需要指出的是，低壓斷路器在開斷大電流時(shí)，電弧運(yùn)動(dòng)過程復(fù)雜，滅弧室內(nèi)整個(gè)氣流場(chǎng)壓強(qiáng)梯度多變，以前的工作沒有具體針對(duì)滅弧室殼體沖擊效應(yīng)，當(dāng)滅弧室結(jié)構(gòu)改變或者短路電流發(fā)生變化殼體將受到不同的沖擊氣壓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)系統(tǒng)及方法，在實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)滅弧室、不同短路電流大小，預(yù)測(cè)滅弧室氣壓。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括大電流電源電路、滅弧室殼體試品SP、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像機(jī)，所述大電流電源電路采用單頻LC振蕩回路為所述滅弧室殼體試品SP提供測(cè)試用電源，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與所述大電流電源電路和滅弧室殼體試品SP連接，同步采集電弧電壓和電流信息，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還連接有壓力傳感器，用于檢測(cè)滅弧室的氣壓，所述高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，通過拍攝電弧動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行沖擊氣壓預(yù)測(cè)。

進(jìn)一步的，所述壓力傳感器包括壓阻式壓力變送器和壓電式壓力傳感器。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用瞬態(tài)記錄儀進(jìn)行測(cè)量。

進(jìn)一步的，所述大電流電源電路中設(shè)置的電感L、電容組C與所述滅弧室殼體試品SP構(gòu)成一個(gè)單頻振蕩放電回路，通過改變所述電容組C的充電電壓得到不同等級(jí)的實(shí)驗(yàn)電流。

進(jìn)一步的，所述電容器組C充電電壓和放電電流第一半波有效值的比例為50:1V/kA。

一種塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

S1、將滅弧室模型結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比；

S2、選取與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒咏臏缁∈易鳛榛鶞?zhǔn)模型，同時(shí)確定基準(zhǔn)模型的理論燒蝕率倍數(shù)K和轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)Kp；

S3、根據(jù)運(yùn)行條件判斷其電弧功率，根據(jù)滅弧室的氣壓與K、Kp和電弧功率關(guān)系調(diào)整所述理論燒蝕率倍數(shù)K和轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)Kp；

S4、通過線性回歸分析確定氣壓值隨K、Kp及電弧功率的函數(shù)關(guān)系，得出預(yù)測(cè)氣壓的峰值；

S5、當(dāng)電弧功率基本不變，滅弧室結(jié)構(gòu)有變化時(shí)，根據(jù)滅弧室的氣壓與K、Kp和滅弧室結(jié)構(gòu)的關(guān)系調(diào)整所述理論燒蝕率倍數(shù)K和轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)Kp；

S6、通過線性回歸分析確定氣壓值隨滅弧室的氣壓與K、Kp及滅弧室結(jié)構(gòu)的函數(shù)關(guān)系，得出預(yù)測(cè)氣壓的峰值。

進(jìn)一步的，步驟S2中，所述滅弧室包括第一滅弧室和第二滅弧室，所述第一滅弧室基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)的電弧功率峰值為1.6MW；所述第二滅弧室基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)的電弧功率峰值為2.16MW。

進(jìn)一步的，步驟S4中，氣壓值隨所述第一滅弧室的氣壓與K、Kp和電弧功率的函數(shù)關(guān)系為：

P＝﹣9.7637+0.0886K+30.565802Kp+0.7265×Power；

所述第二滅弧室的函數(shù)關(guān)系為：

P＝175.0852-238.4033×K-52.9785×K_p+20.2258×Power

其中，P為氣壓，K為理論燒蝕率倍數(shù)，Kp為轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)，Power為電弧功率，單位為兆瓦。

進(jìn)一步的，步驟S6中，氣壓值隨所述第一滅弧室的的氣壓與K、Kp和滅弧室結(jié)構(gòu)的關(guān)系為：

P＝﹣0.0430+1.0434×K+2.6794×K_p；

氣壓值隨所述第二滅弧室的的氣壓與K、Kp和滅弧室結(jié)構(gòu)的關(guān)系為：

P＝﹣3.2356+4.8254×K-1.8727×K_p

其中，P為氣壓，K為理論燒蝕率倍數(shù)，Kp為轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)。

進(jìn)一步的，通過改變柵片的材料、形狀和數(shù)量，雙側(cè)出氣口的面積和形狀，銅排設(shè)置、產(chǎn)氣材料以及電弧功率調(diào)整所述理論燒蝕率倍數(shù)K和轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)Kp。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明提供一種塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，通過大電流電源電路對(duì)試品進(jìn)行供電，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集滅弧室殼體的電弧電壓電流信息和滅弧室的氣壓，通過高速攝像機(jī)拍攝電弧動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行沖擊氣壓預(yù)測(cè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)滅弧室、不同短路電流大小，預(yù)測(cè)滅弧室氣壓，對(duì)于優(yōu)化滅弧室結(jié)構(gòu)、提高殼體機(jī)械強(qiáng)度具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

進(jìn)一步的，選用Kisler211B5壓電式壓力傳感器作為滅弧室測(cè)量壓力：體積小適用于實(shí)驗(yàn)中塑殼斷路器滅弧室大?。荒透邷夭⑶遗浜细魺崦笔褂眠m合燃弧階段滅弧室內(nèi)溫度超過10kK的高溫環(huán)境；更高的響應(yīng)頻率適和測(cè)量精度，能夠更客觀地反應(yīng)開斷電弧過程中的滅弧室氣壓變化過程；6.90bar的量程在適合該實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量程，相比其他大量程的傳感器會(huì)使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

進(jìn)一步的，選用專用于低壓電器試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集方案：更高的采樣頻率可以將本實(shí)驗(yàn)采樣頻率設(shè)為800kHz，相對(duì)交流電50Hz的頻率可以精確的采集到數(shù)據(jù)的波動(dòng)保證輸出結(jié)果不會(huì)失真；本實(shí)驗(yàn)中采用的過零觸發(fā)方式可以精準(zhǔn)的采集到電弧燃起的初試時(shí)刻，從而得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)波形。

進(jìn)一步的，電感L、電容組C與所述滅弧室殼體試品SP構(gòu)成一個(gè)單頻振蕩放電回路。S1、S2兩個(gè)開關(guān)分別控制充電回路及主回路，分別控制充電和電路主回路可以確保大功率實(shí)驗(yàn)的安全性；且通過改變電容器組充電電壓得到不同等級(jí)的實(shí)驗(yàn)電流，為實(shí)驗(yàn)過程中改變電弧功率提供便捷且可靠的方法。

本發(fā)明還提供一種塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)方法，通過將滅弧室模型結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分析出理論燒蝕率倍數(shù)K和轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)Kp的取值，然后將具體取值帶入相應(yīng)氣壓預(yù)測(cè)公式得出預(yù)測(cè)氣壓的峰值，使用實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，得到氣壓預(yù)測(cè)的方法真實(shí)可靠。

本發(fā)明方法簡(jiǎn)潔可行，采取直觀的預(yù)測(cè)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，無須對(duì)所有新產(chǎn)品滅弧室模型采用實(shí)驗(yàn)的手段獲取其氣壓峰值，大大節(jié)省了成本及提高效率。

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明方法的系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明氣壓預(yù)測(cè)方法流程圖；

圖3為本發(fā)明計(jì)算氣壓與實(shí)驗(yàn)氣壓對(duì)比示意圖。

【具體實(shí)施方式】

請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)系統(tǒng)包括大電流電源電路、滅弧室殼體試品SP、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像機(jī)，所述大電流電源電路采用單頻LC振蕩回路為所述滅弧室殼體試品SP提供測(cè)試用電源，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與所述大電流電源電路和滅弧室殼體試品SP連接，同步采集電弧電壓和電流信息，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還連接有壓力傳感器，用于檢測(cè)滅弧室的氣壓，所述高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，通過拍攝電弧動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行沖擊氣壓預(yù)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)采用單頻LC振蕩回路作為大電流電源，電流頻率為50Hz，采用ATiS BE12數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集電弧電流、電弧電壓及由壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換而來的電壓信號(hào)。電弧電流通過羅氏線圈測(cè)量，電弧電壓通過高壓探頭測(cè)量，滅弧室氣壓通過MPM 480或Kisler 211B5兩種壓力傳感器測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中通過高速攝像機(jī)拍攝電弧動(dòng)態(tài)圖像。

振蕩回路：實(shí)驗(yàn)前主合閘開關(guān)S2斷開，閉合充電回路開關(guān)S1，調(diào)節(jié)調(diào)壓器T通過整流硅堆對(duì)電容器組C充電，充電至所需實(shí)驗(yàn)電壓后調(diào)壓器T回零斷開充電回路，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備就緒。接通主合閘開關(guān)S2，由電容器組C，電感L、試品SP構(gòu)成一個(gè)典型的單頻振蕩放電回路?？梢酝ㄟ^改變電容器組充電電壓得到不同等級(jí)的實(shí)驗(yàn)電流，電容器組充電電壓和放電電流第一半波有效值的比例為50:1(V/kA)。電容器組C和電感L的固有參數(shù)決定了回路的振蕩頻率為50Hz。

ATiS BE12數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：ATis測(cè)試測(cè)量公司用于低壓電器試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集方案，12通道，最高采樣頻率為3MHz，采用電流過零的觸發(fā)方式，同步采集電弧電壓、電弧電流以及由壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換而來的電壓信號(hào)，本文所涉及的實(shí)驗(yàn)采樣頻率均設(shè)為800kHz。

MPM 480和Kisler 211B5壓力傳感器：MPM 480為壓阻式壓力變送器，量程10bar，精度約為0.5V/bar，響應(yīng)頻率1kHz，電源由24V直流穩(wěn)壓電源提供。Kisler 211B5為壓電式壓力傳感器，量程6.90bar，精度0.808V/bar，響應(yīng)頻率500kHz，電源由4通道5134B信號(hào)調(diào)節(jié)儀提供。MPM 480的工作原理是利用半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，敏感芯片上的電橋輸出的電信號(hào)與作用壓力有著良好的線性比例關(guān)系。而Kisler 211B5采用石英作為敏感元件，利用其感應(yīng)電荷量Q與壓力之間的線性關(guān)系測(cè)得氣壓。

請(qǐng)參閱圖2所示，本發(fā)明一種塑殼斷路器滅弧室殼體所受沖擊氣壓的預(yù)測(cè)方法，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)對(duì)下述各模型做仿真計(jì)算其氣壓曲線，根據(jù)仿真參數(shù)總結(jié)各種模型氣壓峰值的規(guī)律并且做出氣壓預(yù)測(cè)公式。

具體步驟如下：

S1、根據(jù)新產(chǎn)品滅弧室模型的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鰧?duì)比；

S2、選取與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒咏牡谝粶缁∈一蛘叩诙缁∈易鳛榛鶞?zhǔn)模型，同時(shí)選取了基準(zhǔn)模型的K與Kp的值；

S3、根據(jù)運(yùn)行條件判斷其電弧功率，根據(jù)表2和表4調(diào)整K、Kp；

S4、參考式(1)或式(3)預(yù)測(cè)氣壓；

S5、當(dāng)電弧功率基本不變，滅弧室結(jié)構(gòu)有變化時(shí)，根據(jù)表3和表5調(diào)整K、Kp；

S6、參考式(2)或式(4)預(yù)測(cè)氣壓。

K與Kp的參數(shù)說明：K的含義是理論燒蝕率的倍數(shù)，即K倍的理論燒蝕率，理論燒蝕率為6e-9ug/J；Kp的含義是轉(zhuǎn)化為滅弧室氣壓上升的電弧功率系數(shù)。對(duì)于影響Kp與K的值的因素與滅弧室內(nèi)部的體積、出氣口的面積、柵片設(shè)置的角度及其他或多或少阻礙電弧及熱空氣運(yùn)動(dòng)的因素有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及仿真可以得到滅弧室結(jié)構(gòu)變化對(duì)K和Kp的影響，依照新模式對(duì)K、Kp進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。得到與新模型相符的參數(shù)。再代入氣壓預(yù)測(cè)公式。

第一滅弧室基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)為電弧功率峰值為1.6MW；柵片材料為鐵；右側(cè)0出氣口；柵片形狀為1；出氣口為4個(gè)大口；銅排不帶彎曲；產(chǎn)氣材料為PA66。

第二滅弧室基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)為電弧功率峰值為2.16MW；柵片個(gè)數(shù)為5個(gè)；出氣口面積為14mm×2mm×4。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥R總?cè)绫?所示：

第一滅弧室在不同的電弧功率下模型的仿真控制參數(shù)數(shù)據(jù)，第一滅弧室的氣壓與K，Kp和電弧功率的關(guān)系如表2所示：

表2第一滅弧室的氣壓與K，Kp和電弧功率的關(guān)系

通過線性回歸分析：通過參考各組的K、Kp及電弧功率的值得到氣壓值隨K、Kp及電弧功率的函數(shù)關(guān)系確定氣壓P具體為：

P＝﹣9.7637+0.0886K+30.565802Kp+0.7265×Power (1)

當(dāng)電弧功率基本維持不變，單純滅弧室的結(jié)構(gòu)對(duì)于滅弧室內(nèi)的氣壓的影響，第一滅弧室的氣壓與K，Kp和滅弧室結(jié)構(gòu)的關(guān)系如表3所示：

表3第一滅弧室的氣壓與K，Kp和滅弧室結(jié)構(gòu)的關(guān)系

通過線性回歸分析：通過參考各組的K與Kp的值得到氣壓值隨第一滅弧室的氣壓與K，Kp和滅弧室結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

P＝﹣0.0430+1.0434×K+2.6794×K_p (2)

第二滅弧室在不同的電弧功率下模型的仿真控制參數(shù)數(shù)據(jù)如表4所示：

表4第二滅弧室的氣壓與K，Kp和電弧功率的關(guān)系

通過線性回歸分析：通過參考各組的K、Kp及電弧功率的值得到氣壓值隨K、Kp及電弧功率的函數(shù)關(guān)系：

P＝175.0852-238.4033×K-52.9785×K_p+20.2258×Power (3)

當(dāng)電弧功率基本維持不變，單純滅弧室的結(jié)構(gòu)對(duì)于滅弧室內(nèi)的氣壓的影響如表5所示：

表5第二滅弧室的K與Kp的數(shù)據(jù)表

通過線性回歸分析：通過參考各組的K與Kp的值得到氣壓值隨第一滅弧室的氣壓與K，Kp和滅弧室結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

P＝﹣3.2356+4.8254×K-1.8727×K_p (4)

預(yù)測(cè)氣壓的方法請(qǐng)參閱圖2所示，對(duì)新模型與本發(fā)明中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比，根據(jù)新模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷選擇合適的K、Kp帶入氣壓預(yù)測(cè)公式，從而得出預(yù)測(cè)氣壓的峰值。

請(qǐng)參閱圖3所示，當(dāng)跟結(jié)構(gòu)對(duì)比得出K＝1、Kp＝0.29帶入式(2)可以計(jì)算出氣壓P≈1.714bar?？梢钥闯霰景l(fā)明根據(jù)氣壓預(yù)測(cè)公式可得較準(zhǔn)確的氣壓峰值，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，可以作為工程實(shí)踐的依據(jù)。

本發(fā)明根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)手段，預(yù)測(cè)滅弧室氣壓，研究電弧等離子體產(chǎn)生的氣壓對(duì)滅弧室殼體的沖擊作用，對(duì)于優(yōu)化滅弧室結(jié)構(gòu)、提高殼體機(jī)械強(qiáng)度具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。