本发明涉及交流电弧试验装置技术领域，更具体地，涉及一种单电源多电极电弧点火装置及方法。
背景技术：
随着电力工业的发展，电缆在发电、输电、变电、配电、用电的每一个环节都发挥着至关重要的作用，是社会生产和人民生活的重要基础设施之一。然而，电缆在发挥其正常工作效益的同时，也会因线路故障导致出现过载、短路、漏电等问题，甚至引起火灾。近年来，因电缆火灾造成的大面积停电事故频发，造成了严重的不良社会影响。据我国消防部门统计发现，近年来电气火灾约占我国全部火灾的30%；在2006~2015年较大火灾、重大火灾、特别重大火灾的电气火灾直接原因分布中，由于电气线路故障引起的火灾占比高达72%，一般城市火灾中亦有2/3以上是由电线电缆燃烧引起的，并且由故障电弧引起的电缆火灾在所有电缆火灾中占相当大的比重。
模拟电缆燃烧是预测电缆火灾危险性的基础，也是评估电缆燃烧特性最直接有效的手段，能够更有效的预防电缆火灾的发生。对电缆燃烧火源模拟的传统方法主要为外部明火引燃，包括燃气喷灯法、辐射加热法、电加热法以及燃油点火法。然而，采用这些外部明火引燃方法进行的火灾模拟或电缆燃烧试验，与由故障电弧引燃方法截然不同，难以满足对电缆故障电弧火灾行为的深入定量分析。
现有技术中，相对于外部明火引燃法，电弧引燃法产生的电弧火源能够较真实的模拟电缆故障电弧造成的电缆火灾。而且，电弧温度很高，中心部分维持温度可达5000℃以上，并且，电弧功率能够通过电源精确可控，只要有电源就可一直使用，因此可持续使用性好；电弧发生装置仅需要金属电极，可移动性也好；同时，燃烧过程不会引入其它化学杂质，方便定量进行燃烧特性的测试和分析，从而对了解故障电弧下的电缆火灾行为具有重要的指导意义。
与故障电弧产生机理相似，电弧引燃法中的电弧产生原理为在两金属电极间施加高电压，两电极最近处的空气首先被击穿，形成大量的正负等离子体，即产生电弧放电。在电弧空气对流加上电磁场力的驱使下，使电弧向上升直到顶端。随着电弧被拉长，电弧通过的电阻加大、对空气的散热也增强，当电流送给电弧的能量等于弧道向周围空气散出的热量时，电弧就会维持稳定。
但是，电弧通常较细小，直径为mm量级，因此导致火源十分集中、面积很小，这会使得电缆以及电缆周围环境散热迅速，难以点燃电缆。针对电弧火源集中、面积小的问题，可使用多个电弧发生装置或者设计多点电弧发生器，从而产生较大面积的电弧。
国内外现有的多电极点火装置研究，主要集中在火花加工方面。“一种基于电容耦合的多路电火花加工方法”（chenhr,liuzd,huangsj,panhj,qiumb(2015)studyofthemechanismofmulti-channeldischargeinsemiconductorprocessingbywedm.materscisemicondprocess32:125–130），该研究的实验装置原理图如图1所示，图中包含脉冲电源v、间隙电容
在多电弧放电的研究中，中国发明专利（200510090547.6）“多电弧焊接系统”，如图2所示，包括电源正输出端32、电源负输出端34、中心抽头82、磁芯120、第一接线端32a、第二接线端32b、第一线圈部分112、第二线圈部分110、第一电弧a1、第二电弧a2、第一电极10、第二电极12、第一电感器402、第二电感器410、第一续流二极管404、第二续流二极管412。单个电源的正输出端连接扼流线圈100，扼流线圈100的中心抽头82处分出两个接线端形成两个支路，每条支路上串联电极与电感器，然后与续流二极管并联。用这种方法，当一个电极与工件击穿时，另一支路上电弧保留一段时间，保留时间与电感器的感值决定。
上述文献与中国发明专利（200510090547.6）都能够使用单个电源实现多电极点火。文献采用脉冲电源实现火花点火，将电容作为储能元件，某个电极击穿后其余电击能量由电容提供，通过改变电容大小可增加点火电极数量，可扩展性较高。但该装置电极击穿频率受电源脉冲周期以及电容大小限制，且其能量的释放时间极短，无法做到持续的释放热量，稳定性差，不能够作为电缆燃烧试验的点火源使用。
中国发明专利（200510090547.6）通过连接扼流线圈中心抽头的方式形成两个回路，每条支路上串有电感元件，通过电感延长电弧持续时间，实现多电弧点火。此方法受扼流线圈中心抽头的结构影响，并不能进一步增加点火电极数量，可扩展性差。并且该方案电路中串联的电感元件，增加了电源输出功率中的无功部分，降低了电源的输出效率。而且该方案尽管能够产生电弧，但电弧依旧是周期性的产生与熄灭，不能稳定燃烧，亦不符合电弧引燃电缆实验的需要。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种单电源多电极电弧点火装置及方法，仅使用单个电源实现多电极同时产生不会周期性熄灭、持续稳定的电弧来满足实验需求，并且每个电极的有功功率相同，全部电极的无功功率为0，提高了电源输出效率，通过扩展电极实现点火装置功率的提升，从而有效解决电缆燃烧试验中电弧引燃法所需的多电极点火装置缺乏的问题。
本发明采用如下的技术方案。
一种单电源多电极电弧点火装置，包括电源、高压包、连接高压包与电源的开关和多电极点火组，其中，多电极点火组的正极接入端口与高压包的高压侧电连接，多电极点火组的负极接入端口接地。
多电极点火组包括2n条并联连接在正极接入端口与负极接入端口之间的电弧点火支路。
其中，第
其中，第2i条电弧点火支路包括电感线圈组、羊角电极；第2i条电弧点火支路中的羊角电极的正极接入多电极点火组的正极接入端口，第2i条电弧点火支路中的羊角电极的负极先串联连接电感线圈组、再接入多电极点火组的负极接入端口。
并且，第
任一条电弧点火支路中的羊角电极在未击穿时，该条电弧点火支路为开路状态，此时羊角电极的两端电压小于电极击穿电压。
当第
在多电极点火组中，电容组和电感线圈组的数量相同，均为电弧点火支路总数量的一半，并且全部所述电容组的容值之和的n倍小于等于第一设定值，全部所述电感线圈组的感值之和大于等于第二设定值的n倍。
当全部电弧点火支路均为导通状态时，第
式中，
两个输入电流的关系式中，l为电感线圈组感值，c为电容组容值，并且当
各条电弧点火支路上的有功功率相等，且第
优选地，装置中的电源为直流电压源；直流电压源的输出电压与最大输出电流均可调；其中，输出电压的调节范围为0至50v，最大输出电流的调节范围为0至50a。
优选地，装置还包括逆变装置；直流电压源的输出端通过所述连接高压包与电源的开关与逆变装置的输入端连接，逆变装置的输出端与高压包的低压侧连接。
进一步，逆变装置将直流电压源输出的直流电压电流逆变为正弦交变电压电流，该正弦交变电压电流的频率为电源自带频率。
进一步，逆变装置还包括电压电流反馈控制单元；电压电流反馈控制单元，利用正弦交变的电压电流对控制直流电压源对其输出的直流电压电流进行调节，以获得恒定的正弦交变电流。
进一步，逆变装置是lc振荡电路。
优选地，高压包，包括行输出变压器，行输出变压器的变比不低于500。
优选地，电容组包括两个串联连接的可耐受50kv电压等级的高压聚苯乙烯薄膜电容，每个高压聚苯乙烯薄膜电容的容值均为电容组容值的两倍。
优选地，电感线圈组包括五个串联连接的可耐受20kv电压等级的高压大电感线圈，每个耐高压大电感线圈均采用非晶铁磁材料、且导线用高压胶带缠绕大于5圈。
优选地，羊角电极为棒状，材质为铜、不锈钢或钨合金，电极棒直径范围为2mm-4mm，羊角电极底部内间距范围为0.7cm-1cm，顶部间距为1.2cm-2cm。
一种单电源多电极电弧点火方法包括：
步骤1，根据模拟电缆燃烧实验所需的功率数据，确定多电极点火组中电弧点火支路数量，调节直流电压源输出电压和电流；
步骤2，利用lc振荡电路对直流电压源输出的恒定的电压电流进行逆变，以获得正弦交变的电压电流；
步骤3，利用行输出变压器对正弦交变的电压电流进行升压；
步骤4，利用升压后的交流电压电流向多电极点火组供电以产生电弧点火。
优选地，步骤1中，根据实验所需的功率数据，还需要调整羊角电极排布、羊角电极尺寸。
羊角电极排布包括：各电极之间的水平距离，各电极与实验引燃物体之间的垂直距离。
羊角电极尺寸包括：电极直径，电极下端的两极内距、电极上端的两极内距，以及电极上端与电极下端的垂直高度；其中，电极下端是电弧点火过程中的初始放电端，电极上端是及电弧点火过程中的最终稳定燃烧端。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在奇数条的电弧点火支路上串联电容组、偶数条的电弧点火支路上串联电感线圈组，利用电容组和电感线圈组延长电弧持续时间实现多电弧点火的同时，通过谐振使得全部电弧点火支路上的总无功功率为零，从而提高电源输出效率。
本发明的有益效果还在于：
1、本发明实现了多电极同时点火，各电极之间的点火时差极小；并且，所点燃的电弧能够持续燃烧，稳定性强，符合测试电缆耐火性能试验要求；
2、本发明实现了各电极功率的平均分配，各电极起弧后功率相同并且具备稳定性，从而确保实验结果可靠；
3、本发明中相邻两条电弧点火支路上分别串入电感组或电容组，通过改变电容组与电感组的阻抗大小，实现了无功功率的相互抵消，从而降低电源输出的无功功率，有效提高了电源效率，整个点火装置的工作效率高；
4、本发明中的电弧点火支路的数量可根据实验功率要求进行增加，可扩展性强；
5、本发明还实现了电弧功率可控，通过调节直流电压源输出电压大小，可控制电弧功率，具有灵活性。
附图说明
图1为背景技术中“一种基于电容耦合的多路电火花加工方法”的实验装置原理图；
图2为背景技术中中国发明专利（200510090547.6）“多电弧焊接系统”的实验装置原理图；
图3为本发明的单电源多电极电弧点火装置的结构示意图；
其中附图标记说明如下：
10-电源；20-开关；30-高压包；40-多电极点火组；50-正极接入端口；60-负极接入端口；
图4为本发明一实施例中单电源多电极电弧点火装置的结构示意图；
图5为本发明一实施例中单电源多电极电弧点火装置的两电极点火示意图；
图6为本发明一实施例中单电源多电极电弧点火装置的两电极点火瞬间的电压电流波形图；
图7为本发明一实施例中单电源多电极电弧点火装置的两电极点火稳态的电压电流波形图；
图8为本发明一实施例中单电源多电极电弧点火装置的四电极点火示意图；
图9为本发明的单电源多电极电弧点火方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图3，一种单电源多电极电弧点火装置，包括电源10、高压包30、连接高压包30与电源10的开关20和多电极点火组40，单电源多电极电弧点火装置的核心部件是多电极点火组40；多电极点火组40的正极接入端口50与高压包30的高压侧电连接，多电极点火组40的负极接入端口60接地。
多电极点火组包括2n条并联连接在正极接入端口与负极接入端口之间的电弧点火支路，其中n为自然数。本优选实施例中，电弧点火支路分别优选为2和4，值得注意的是，所属领域技术人员可以根据实验条件和功率要求选择电弧点火支路的数量，且电弧点火支路的数量必须为偶数，本优选实施例中的选择是一种非限制性的较优选择。
其中，第
其中，第2i条电弧点火支路包括电感线圈组、羊角电极；第2i条电弧点火支路中的羊角电极的正极接入多电极点火组的正极接入端口，第2i条电弧点火支路中的羊角电极的负极先串联连接电感线圈组、再接入多电极点火组的负极接入端口。
本优选实施例中，电弧点火装置包括有至少一组放电电极组，每组放电电极组均包括有相互放电配合的两只放电电极，每组放电电极均电连接于高压发生装置的输出端，通过控制开关使得电源向放电电极组供电，利用高压放电的原理产生电弧，利用电弧点火。
并且，第
任一条电弧点火支路中的羊角电极在未击穿时，该条电弧点火支路为开路状态，此时羊角电极的两端电压为端口电压，该端口电压为高电压，但是小于电极击穿电压。
当第
本优选实施例中，通过实验获得电极电压大约是支路电流的10k至20k倍，并且羊角电极两端电压降至电极电压的过程非常迅速，骤降的时间点与击穿时间点重合。因此，本发明提出的装置实现了多电极同时点火，各电极之间的点火时差极小。
在多电极点火组中，电容组和电感线圈组的数量相同，均为电弧点火支路总数量的一半，并且全部所述电容组的容值之和的n倍小于等于第一设定值，全部所述电感线圈组的感值之和大于等于第二设定值的n倍。
本优选实施例中，电极的击穿电压在峰峰值25kv左右，而导通后电极上的电阻约为15kω，当流入电流峰峰值为0.4a时，电极电压在6kv峰峰值，电压要想达到下一个电极的击穿电压需要
当全部电弧点火支路均为导通状态时，第
式中，
两个输入电流的关系式中，l为电感线圈组感值，c为电容组容值，并且当
各条电弧点火支路上的电弧功率相等，且第
具体地，装置中的电源为直流电压源；直流电压源的输出电压与最大输出电流均可调，其中，输出电压的调节范围为0至50v，最大输出电流的调节范围为0至50a。
具体地，装置还包括逆变装置；直流电压源的输出端通过连接高压包与电源的开关与逆变装置的输入端连接，逆变装置的输出端与高压包的低压侧连接。
逆变装置将直流电压源输出的直流电压电流逆变为正弦交变电压电流，该正弦交变电压电流的频率为电源自带频率。本优选实施例中，该频率为20khz。
逆变装置还包括电压电流反馈控制单元；电压电流反馈控制单元，利用正弦交变的电压电流对控制直流电压源对其输出的直流电压电流进行调节，以获得恒定的正弦交变电流。
具体地，逆变装置是lc振荡电路。
值得注意的是，本发明优选实施例中采用lc振荡电路作为逆变装置是一种非限制性的较优选择，所属领域技术人员可以根据装置设计需要以及实验条件选择不同的逆变装置。
具体地，高压包包括行输出变压器，行输出变压器的变比不低于500。
具体地，电容组包括两个串联连接的可耐受50kv电压等级的高压聚苯乙烯薄膜电容，每个高压聚苯乙烯薄膜电容的容值均为电容组的容值的两倍。
值得注意的是，为避免击穿现象耐压较低时可能会把无功元件打坏，本优选实施例选择电容的可耐受电压等级为50kv电压，是一种非限制性的较优选择，对于耐受电压等级的选择以及根据不同耐受电压水平而决定的电容串联数量，均落入本发明的发明构思中。
具体地，电感线圈组包括五个串联连接的可耐受20kv电压等级的高压大电感线圈，每个耐高压大电感线圈均采用非晶铁磁材料、且导线用高压胶带缠绕5圈以上。
值得注意的是，为避免击穿现象耐压较低时可能会把无功元件打坏，本优选实施例选择电感的可耐受电压等级为20kv电压，是一种非限制性的较优选择，对于耐受电压等级的选择以及根据不同耐受电压水平而决定的电感串联数量，均落入本发明的发明构思中。
具体地，羊角电极为棒状，材质为铜、不锈钢或钨合金，电极棒直径范围为2mm-4mm，羊角电极底部内间距范围为0.7cm-1cm，顶部间距为1.2cm-2cm。
实施例1。
本发明优选实施例中的单电源多电极电弧点火装置如图4所示，包括直流电压电源1、空气开关2、lc振荡电路3、高压包4、多电极点火组5。
直流电压源1通过空气开关2与lc振荡电路3输入端电连接，使得直流电压源1为lc振荡电路3提供恒定的输入电压电流；lc振荡电路3将直流电压源1输入的直流电压电流逆变为20khz交流的电压电流，并输出给高压包4的低压侧；高压包4对lc振荡电路3传输的交变电压进行升压，高压包4的高压侧将升压后的交变电压输出给多电极点火组5；多电极点火组5的正极接入端口连接高压包4的高压侧，多电极点火组5的负极接入端口接地。
直流电压源1输出电压与最大输出电流可调，输出电压调节范围为0至50v，最大输出电流调节范围为0至50a。
lc振荡电路3输出端含有反馈，可控制输出恒定电流。
其中，高压包4为行输出变压器，且变比不低于500，以保证变压器高压侧输出的电压能顺利击穿多电极点火组5中的羊角电极，使其顺利产生稳定电弧。
多电极点火组包括偶数个羊角电极以及耐高压电容组与大电感线圈组，其中高压电容组与大电感线圈组数量相等。
如图5所示，多电极点火组包括两条电弧点火支路，即多电极点火组包括两组电弧电极；两条电弧点火支路分别包括a羊角电极6与b羊角电极7，第一高压电容组8与第一大电感线圈组9。
其中，a羊角电极6与b羊角电极7的正极相互连接，并且与高压包4的高压侧电连接。
进一步，a羊角电极6的负极与第一高压电容组8的一端电连接，b羊角电极7的负极与第一大电感线圈组9的一端电连接。
进一步，第一大电感线圈组9的另一端与第一耐高压电容组8的另一端电连接并且接地。
进一步，第一高压电容组8的容值应小于等于160pf，第一大电感线圈组9的感值应大于等于0.35mh。
进一步，第一高压电容组8为两个可耐受50kv电压的高压聚苯乙烯薄膜电容串联组成，每个高压聚苯乙烯薄膜电容容值为高压电容组容值的两倍，从而实现分压以保证电容不被击穿。
进一步，第一大电感线圈组9由五个耐受高压的大电感线圈串联组成，耐高压大电感线圈采用非晶铁磁材料，且导线用高压胶带缠绕5圈以上。
当a羊角电极6和b羊角电极7均未击穿时，各电弧点火支路均为开路状态，此时a羊角电极6和b羊角电极7的两端电压均为端口电压；假设a羊角电极6先被击穿，该电极上电压骤降，由原来端口电压的峰-峰值30kv下降到峰-峰值5kv以下，第一电弧点火支路呈导通状态，电流流过第一电弧点火支路上的无功元件，即第一高压电容组8；第一电弧点火支路上的无功元件两端产生电压，约为30kv，从而补偿了a羊角电极6导通引起的压降，使得未被击穿的b羊角电极7两端依旧保持高压，随后b羊角电极7被击穿，第二电弧点火支路导通；当两电弧点火支路均导通后，第一高压电容组8与第一大电感线圈组9产生谐振，实现发出和吸收的无功功率相互抵消，因此电源只输出有用功率，从而提高了电源效率，也提升了点火装置的工作效率。
图6为本发明优选实施例中两电极点火瞬间端口电压电流波形图，从图中可以看到，电极端口电压出现两次明显的下降，代表了两个电极分别导通。根据仿真计算，得出两电极点火时间差在5μs左右，基本实现了两电极的同时击穿。
图7为本发明优选实施例中两电极点火稳定后的端口电压电流波形图，从图中可以看到，电流电源输出波形呈现正弦状，端口电压与电流相位近似，基本为同相位，可见本发明提出的点火装置产生电弧接近于纯阻性，即无功功率趋近于零。并且，电流和电压的波形均稳定，因此可以实现长时间电弧的稳定输出。
实施例2。
如图8，多电极点火组包括四条电弧点火支路，即多电极点火组包括四组电弧电极；四条电弧点火支路分别包括a羊角电极6、b羊角电极7、c羊角电极10、d羊角电极11，还包括第一大电感线圈组9与第二大电感线圈组12，第一高压电容组8与第二高压电容组13。
其中，a羊角电极6、b羊角电极7、c羊角电极10、d羊角电极11的正极相互连接并且与高压包4的高压侧一端电连接。
进一步，a羊角电极6的负极与第一高压电容组8的一端电连接，b羊角电极7的负极与第一大电感线圈组9的一端电连接，c羊角电极10的负极与第二高压电容组13的一端电连接，d羊角电极11的负极与第二大电感线圈组12的一端电连接。
进一步，第一大电感线圈组9的另一端、第一高压电容组8的另一端、第二大电感线圈组12的另一端、第二高压电容组13的另一端均电连接并且接地。
进一步，第一大电感线圈组9与第二大电感线圈12组结构相同，第一高压电容组8与第二高压电容组13结构相同。
在本优选实施例中，采用的电路结构与实施例1相同，但是因为高压电容组与大电感线圈组的数量各为两个，因此高压电容组容值的两倍应小于等于160pf，即高压电容组容值应小于等于80pf；大电感线圈组感值应大于等于0.35mh的两倍，即大电感线圈组感值应大于0.7mh。
以此类推，若点火装置中包含的电弧电极数为2n的话，则高压电容组与大电感线圈组的数量分别为n个，其中，高压电容组的容值应小于等于160/npf，大电感线圈组的感值应大于等于0.35nmh。
进一步，羊角电极形状材质都相同，均为棒状，材质为铜、不锈钢或钨合金，电极棒直径范围为2mm-4mm，羊角电极底部内间距范围为0.7cm-1cm，顶部间距为1.2cm-2cm。
如图9，一种单电源多电极电弧点火方法包括：
步骤1，根据模拟电缆燃烧实验所需的功率数据，确定多电极点火组中电弧点火支路数量，调节直流电压源输出电压和电流。
进一步，步骤1中，根据实验所需的功率数据，还需要调整羊角电极排布、羊角电极尺寸。
羊角电极排布包括：各电极之间的水平距离，各电极与实验引燃物体之间的垂直距离。
羊角电极尺寸包括：电极直径，电极下端的两极内距、电极上端的两极内距，以及电极上端与电极下端的垂直高度；其中，电极下端是电弧点火过程中的初始放电端，电极上端是及电弧点火过程中的最终稳定燃烧端。
步骤2，利用lc振荡电路对直流电压源输出的恒定的电压电流进行逆变，以获得20khz正弦交变的电压电流。
步骤3，利用行输出变压器对20khz正弦交变的电压电流进行升压。
步骤4，利用升压后的交流电压电流向多电极点火组供电以产生电弧点火。
本优选实施例中，多电极电弧点火方式的具体实施过程如下：
（1）首先按实验尺寸布置多电极点火组；
（2）然后打开直流电压源开关根据实验需要设置电源输出电压；
（3）当等待2s至5s保证直流电压源输出稳定后，打开空气开关使直流电压源与lc振荡电路连接，多电极点火组成功通电起弧；
（4）单次实验完成后，关闭空气开关，调整直流电压源输出电压以改变电弧功率、改变多电极点火组排布或者是羊角电极尺寸，再次打开空气开关进行下一次实验；
（5）最后实验结束后先关闭空气开关再关闭直流电压源，待实验设备冷却且检查现场无火灾隐患后撤离实验平台。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、本发明实现了多电极同时点火，各电极之间的点火时差极小；并且，所点燃的电弧能够持续燃烧，稳定性强，符合测试电缆耐火性能试验要求；
2、本发明实现了各电极功率的平均分配，各电极起弧后功率相同并且具备稳定性，从而确保实验结果可靠；
3、本发明中相邻两条电弧点火支路上分别串入电感组或电容组，通过改变电容组与电感组的阻抗大小，实现了无功功率的相互抵消，从而降低电源输出的无功功率，有效提高了电源效率，整个点火装置的工作效率高；
4、本发明中的电弧点火支路的数量可根据实验功率要求进行增加，可扩展性强；
5、本发明还实现了电弧功率可控，通过调节直流电压源输出电压大小，可控制电弧功率，具有灵活性。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
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