一种阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置及使用方法与流程

1.本发明涉及电力电网火灾防治技术领域，尤其涉及一种阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置及使用方法。


背景技术：

2.电力系统的输电和配电的过程中，高压开关柜具有非常重要的控制和保护作用。高压开关柜内包含众多由聚合材料制成的绝缘配件，如触头盒和穿墙套管等，随着材料阻燃技术的进步与成熟，阻燃聚合绝缘配件得到广泛运用。由于开关柜内可能发生局部放电以及柜内高温环境长期作用，可能诱发内部高压电弧，高压电弧中心温度可达几千甚至上万摄氏度，不仅会引燃柜内阻燃绝缘配件，还会导致金属配件的熔融，并滴落至阻燃绝缘件表面，从而引发火灾，造成重大直接和间接经济损失。
3.基于高压开关柜内电弧故障及其引发的火灾事故表明，高压电弧引燃阻燃聚合绝缘件的原因主要为：1、高压电弧瞬时释放的高强度热量将柜内绝缘件迅速加热到其燃点，这是电弧的热效应造成的；2、高压电弧放电导致阻燃聚合材料的绝缘失效，进而发生燃烧现象，这是由电弧的电场、温度场等共同作用的结果，根据放电位置的不同，可以分为表面沿面放电和击穿放电；3、电弧释放的热量导致金属配件的熔融，并滴落至阻燃绝缘件表面，从而引发火灾。
4.因此，为有效防治高压开关柜内故障电弧引发的火灾，深入分析不同绝缘件在高压电弧作用下的引燃与燃烧特性，发展精确可控的高压电弧发生与材料引燃试验测试技术是其中必要和关键的一环。
5.鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置及使用方法，使其更具有实用性。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置及使用方法，能够深入分析不同绝缘件在高压电弧作用下的引燃与燃烧特性。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置，包括相对设置的第一电极和第二电极，在所述第一电极和所述第二电极之间设置有样品载体，所述样品载体通过样品支架设置在所述支架底座上，所述第一电极和所述第二电极通过升压装置提供电压，且在所述第一电极和所述第二电极处还设置有监测组件；所述第一电极设置在第一摆臂的一端，所述第一摆臂的另一端设置在第一支架上并与所述第一支架转动连接，所述第一支架固定设置；所述第二电极设置在第二摆臂的一端，所述第二摆臂的另一端设置在第二支架上并与所述第二支架转动连接，所述第二支架通过驱动组件带动朝向所述第一支架靠近或者
远离；在所述第一支架和所述第二支架上均设置有压紧件，所述压紧件能够将所述第一摆臂和所述第二摆臂分别压紧固定在所述第一支架和所述第二支架上，所述样品支架能够带动所述样品载体朝向所述第一电极和所述第二电极靠近或者远离，所述样品支架与所述支架底座滑动连接。
8.进一步地，所述样品支架设置为剪式支架，包括沿竖直方向设置的多层连杆铰接单元，相邻的两所述连杆铰接单元铰接设置，所述连杆铰接单元包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和所述第二连杆中间铰接，且呈x形结构设置。
9.进一步地，所述样品载体设置在所述样品支架顶层的所述连杆铰接单元上，所述样品载体包括对称设置的两个陶瓷载体，两个所述陶瓷载体分别设置在所述第一连杆和所述第二连杆上端，两所述陶瓷载体能够在所述第一连杆和所述第二连杆的带动下相互靠近或者远离；所述陶瓷载体设置为凹形结构，所述陶瓷载体的凹槽开设在其中部位置并贯穿其对称的两侧面设置，在所述凹槽的底部设置有固定件将所述陶瓷载体固定在所述连杆铰接单元上。
10.进一步地，在所述第一支架和所述第二支架朝向所述样品载体的一侧设置有斜面，所述斜面沿朝向所述样品载体的方向向下倾斜设置。
11.进一步地，所述驱动组件包括步进电机、滚珠丝杆和滑块，所述第二支架设置在所述滑块上，所述滚珠丝杆通过所述步进电机提供动力并能带动所述滑块朝向所述第二支架移动。
12.进一步地，所述监测组件包括温度测量装置、示波器、高清摄像机和电压表，所述升压装置、所述步进电机和所述监测组件均与控制主机相连；所述电压表用于检测所述第一电极和所述第二电极之间的电压，所述温度测量装置能够间接测得电弧温度场分布情况，所述示波器用于实时记录电弧两端的电流电压波形，所述高清摄像机能够清晰捕捉电弧形态及绝缘件燃烧时的表面变化。
13.一种使用方法，应用于上述阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置，包括如下步骤：s1：转动第一摆臂和第二摆臂使第一电极和第二电极与水平面的夹角为0
°
，再通过压紧件将第一摆臂和第二摆臂分别压紧固定在第一支架和第二支架上；s2：移动位于顶层的连杆铰接单元中的第一连杆和第二连杆，使位于二者顶部的两陶瓷载体相互靠近；s3：将阻燃聚合材料样品的底部通过两个陶瓷载体压紧固定；s4：调节样品支架的高度，使阻燃聚合材料样品与第一电极位于同一水平面；s5：根据所需的电弧击穿距离，通过控制主机控制驱动组件，将第一支架移动到适宜位置；s6：移动样品支架对阻燃聚合材料样品的位置进行适应性调整，使其位于第一电极和第二电极之间；s7：接通电源，开启控制主机进行试验。
14.一种使用方法，应用于上述阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置，包括如下步骤：s1：转动第一摆臂和第二摆臂使其均接触到斜面，使第一电极和第二电极与水平
面倾斜设置，再通过压紧件将第一摆臂和第二摆臂分别压紧固定在第一支架和第二支架上；s2：将阻燃聚合材料样品水平放置在两陶瓷载体上；s3：通过驱动组件调整第一支架，使第二电极和第一电极的端部间距不大于阻燃聚合材料样品的长度；s4：移动样品支架对阻燃聚合材料样品的位置进行适应性调整，使其位于第一电极和第二电极之间；s5：调节样品支架的高度，使阻燃聚合材料样品的上表面分别与第一电极和第二电极相接触，或者使阻燃聚合材料样品与第一电极和第二电极靠近并保持适宜间距；s6：接通电源，开启控制主机进行试验。
15.一种使用方法，应用于上述阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置，包括如下步骤：s1：转动第一摆臂和第二摆臂使第一电极和第二电极与水平面的夹角为0
°
，再通过压紧件将第一摆臂和第二摆臂分别压紧固定在第一支架和第二支架上；s2：在样品载体上水平放置阻燃聚合材料样品；s3：在阻燃聚合材料样品上放置金属支架；s4：调节样品支架的高度，使金属支架远离阻燃聚合材料样品的一端能够接触到第一电极和第二电极之间产生的电弧；s5：调节第一电极和第二电极之间的间距，并调节样品支架的位置；s6：接通电源，开启控制主机进行试验。
16.本发明的有益效果为：在本发明中能够通过转动第一摆臂和第二摆臂，调整第一电极和第二电极与水平面的角度，配合设置在两者之间的样品载体对放置在样品载体上的阻燃聚合材料样品在高压电弧作用下的引燃与燃烧特性进行深入分析；本发明中的高压电弧引燃模拟装置通过角度可调的测试电极及相配合的样品放置位置进行多种引燃模式的模拟试验，包括绝缘击穿试验、金属熔融引燃试验、表面沿面放电试验和非接触引燃试验。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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。
18.图1为本发明实施例中高压电弧引燃模拟装置的电路示意图；图2为本发明实施例中使用模拟装置进行绝缘击穿试验的示意图；图3为本发明实施例中使用模拟装置进行表面沿面放电试验的示意图；图4为本发明实施例中使用模拟装置进行非接触引燃试验的示意图；图5为本发明实施例中使用模拟装置进行金属熔融引燃试验的示意图；图6为本发明实施例中热电偶阵列tc1
‑
tc8的分布示意图。
19.附图标记：1、第一支架；11、第一摆臂；12、第一电极；13、压紧件；14、斜面；2、第二
支架；21、第二摆臂；22、第二电极；23、驱动组件；231、步进电机；232、滚珠丝杆；233、滑块；3、样品支架；31、样品载体；311、陶瓷载体；312、凹槽；313、固定件；32、支架底座；33、连杆铰接单元；331、第一连杆；332、第二连杆；4、升压装置；5、监测组件； 52、示波器； 54、电压表；6、控制主机；7、安全保护系统。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
21.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施方式。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
23.如图1至图6所示的一种阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置，包括相对设置的第一电极12和第二电极22，在第一电极12和第二电极22之间设置有样品载体31，样品载体31通过样品支架3设置在支架底座32上，第一电极12和第二电极22通过升压装置4提供电压，且在第一电极12和第二电极22处还设置有监测组件5；第一电极12设置在第一摆臂11的一端，第一摆臂11的另一端设置在第一支架1上并与第一支架1转动连接，第一支架1固定设置；第二电极22设置在第二摆臂21的一端，第二摆臂21的另一端设置在第二支架2上并与第二支架2转动连接，第二支架2通过驱动组件23带动朝向第一支架1靠近或者远离；在第一支架1和第二支架2上均设置有压紧件13，压紧件13能够将第一摆臂11和第二摆臂21分别压紧固定在第一支架1和第二支架2上，样品支架3能够带动样品载体31朝向第一电极12和第二电极22靠近或者远离，样品支架3与支架底座32滑动连接。
24.本发明提供了一种阻燃聚合材料的高压电弧引燃模拟装置及方法，以模拟实际高压开关柜中电弧引燃阻燃聚合材料的多种燃烧机理。同时本装置实现了高压电弧的准确控制与关键参数的实时测量，能够对各类阻燃绝缘件的引燃性能及高压开关柜内的特殊引燃行为进行深入分析。
25.在具体实施过程中，通过转动第一摆臂11和第二摆臂21，调整第一电极12和第二电极22与水平面的角度，配合设置在两者之间的样品载体31对放置在样品载体31上的阻燃聚合材料样品在高压电弧作用下的引燃与燃烧特性进行深入分析；高压电弧引燃模拟装置通过角度可调的测试电极及相配合的样品放置位置进行多种引燃模式的模拟试验，包括绝缘击穿试验、金属熔融引燃试验、表面沿面放电试验和非接触引燃试验。
26.作为上述实施例的优选，样品支架3设置为剪式支架，包括沿竖直方向设置的多层连杆铰接单元33，相邻的两连杆铰接单元33铰接设置，连杆铰接单元33包括第一连杆331和第二连杆332，第一连杆331和第二连杆332中间铰接，且呈x形结构设置。
27.进一步地，样品载体31设置在样品支架3顶层的连杆铰接单元33上，样品载体31包
括对称设置的两个陶瓷载体311，两个陶瓷载体311分别设置在第一连杆331和第二连杆332上端，两陶瓷载体311能够在第一连杆331和第二连杆332的带动下相互靠近或者远离；陶瓷载体311设置为凹形结构，陶瓷载体311的凹槽312开设在其中部位置并贯穿其对称的两侧面设置，在凹槽312的底部设置有固定件313将陶瓷载体311固定在连杆铰接单元33上。
28.在试验过程中，为适应测试电极的不同高度，样品支架3设置为剪式支架，便于调节设置在其上的样品载体31高度，样品载体31设置为两个陶瓷载体311，能够从两侧夹紧待测样品进行绝缘击穿试验，陶瓷载体311中间采用凹形设计，中间切割掉的陶瓷可以减轻样品支架的承重压力，提高了整体的稳定性；同时凹槽设计为固定件313的拆装预留了空间，便于后续根据不同的样品大小和需求更换陶瓷夹具。
29.作为本技术的优选实施例，在第一支架1和第二支架2朝向样品载体31的一侧设置有斜面14，斜面14沿朝向样品载体31的方向向下倾斜设置。在具体实施过程中，斜面14的倾斜角度设置为30
°
角，斜面14能够支撑第一摆臂11和第二摆臂21，并能够对其精确定位，进行相应试验。
30.作为本技术的另一种优选实施例，驱动组件23包括步进电机231、滚珠丝杆232和滑块233，第二支架2设置在滑块233上，滚珠丝杆232通过步进电机231提供动力并能带动滑块233朝向第二支架2移动。
31.进一步地，监测组件5包括温度测量装置、示波器52、高清摄像机和电压表54，升压装置4、步进电机231和监测组件5均与控制主机6相连；电压表54用于检测第一电极12和第二电极22之间的电压，温度测量装置能够间接测得电弧温度场分布情况，示波器52用于实时记录电弧两端的电流电压波形，高清摄像机能够清晰捕捉电弧形态及绝缘件燃烧时的表面变化。
32.在具体实施过程中，升压装置4一端连接三相电源接口，通过变压器升压后可获得50kv的电压。升压装置4另一端连接测试电极产生高压电弧，电弧长度可通过步进电机231自动调节。安全保护系统7包括过流保护、过压保护和急停装置，用于维护高压环境下的人身安全。温度测量装置51由热电偶阵列组成，可以获取同一时间不同空间的电弧温度，并利用数值模拟得出的电弧温度场进行校正，可以近似得出电弧实际的温度场；高清摄像机可以捕捉电弧形态及绝缘件燃烧时的表面变化；示波器52可以实时纪录电弧两端的电流电压波形。监测组件5通过数据线连接到控制主机6，可实现数据的实时传输、显示和存储等功能，同时通过主机界面，也可以实现对电弧参数（电压、电流、燃烧时间）进行控制。
33.利用上述装置进行绝缘击穿试验，包括如下步骤：s1：转动第一摆臂11和第二摆臂21使第一电极12和第二电极22与水平面的夹角为0
°
，再通过压紧件13将第一摆臂11和第二摆臂21分别压紧固定在第一支架1和第二支架2上；s2：移动位于顶层的连杆铰接单元33中的第一连杆331和第二连杆332，使位于二者顶部的两陶瓷载体311相互靠近；s3：将阻燃聚合材料样品的底部通过两个陶瓷载体311压紧固定；s4：调节样品支架3的高度，使阻燃聚合材料样品与第一电极12位于同一水平面；s5：根据所需的电弧击穿距离，通过控制主机6控制驱动组件23，将第一支架1移动到适宜位置；s6：移动样品支架3对阻燃聚合材料样品的位置进行适应性调整，使其位于第一电极12和第二电极22之间；s7：接通电源，开启控制主机6进行试验，通过控制主机6设置预设的击穿电压和电流。
34.具体的，从模拟得到的电弧温度场可以发现以下规律：以电弧中心为起点、沿弧柱
的纵向，电弧的温度值呈现指数下降趋势，中心点的温度值可达上万摄氏度，在10mm左右就可以降至1000k以下。电极的不同位置温度变化较小，集中在300k
‑
700k内。本装置选用测温范围为300k
‑
1600k的k型热电偶，在热电偶的测温范围内选点布置。在具体实施过程中，由于电弧中心温度很高，无法使用热电偶，因此在距离电弧中心3mm处开始水平布置热电偶tc1
‑
tc4，如图6所示，测试电极上的温度均在热电偶测温范围内，因此设置4个热电偶tc5
‑
tc8按照等距原则进行布置排列，间隔为1cm。电弧的模拟温度值自中心向外层呈现指数下降，因此tc1
‑
tc4之间的间隔逐渐增大，分别设置为3mm、5mm、10mm。实验时，通过纪录同一时刻下tc1
‑
tc8的温度数据，结合模拟的温度场数值，可近似得到该装置实际的电弧、电极温度场分布。
35.进一步的，本装置能够同时产生连续电弧和间断电弧，其中间断电弧的间断时间可以通过程序精确控制，精度为0.01s。连续电弧可以维持10分钟及以上，有助于充分研究绝缘件受电弧引燃后的机理变化。
36.利用上述装置进行表面沿面放电试验和非接触引燃试验，包括如下步骤：s1：转动第一摆臂11和第二摆臂21使其均接触到斜面14，使第一电极12和第二电极22与水平面倾斜设置，再通过压紧件13将第一摆臂11和第二摆臂21分别压紧固定在第一支架1和第二支架2上；s2：将阻燃聚合材料样品水平放置在两陶瓷载体311上；s3：通过驱动组件23调整第一支架1，使第二电极22和第一电极12的端部间距不大于阻燃聚合材料样品的长度；s4：移动样品支架3对阻燃聚合材料样品的位置进行适应性调整，使其位于第一电极12和第二电极22之间；s5：调节样品支架3的高度，使阻燃聚合材料样品的上表面分别与第一电极12和第二电极22相接触，或者使阻燃聚合材料样品与第一电极12和第二电极22靠近并保持适宜间距；s6：接通电源，开启控制主机6进行试验。
37.具体的在上述试验中，在步骤s5中对样品支架3高度的调节过程中，当阻燃聚合材料样品的上表面分别与第一电极12和第二电极22相接触时，进行表面沿面放电试验；当阻燃聚合材料样品与第一电极12和第二电极22靠近并保持适宜间距时，进行非接触引燃试验。
38.利用上述装置进行金属熔融引燃试验，包括如下步骤：s1：转动第一摆臂11和第二摆臂21使第一电极12和第二电极22与水平面的夹角为0
°
，再通过压紧件13将第一摆臂11和第二摆臂21分别压紧固定在第一支架1和第二支架2上；s2：在样品载体31上水平放置阻燃聚合材料样品；s3：在阻燃聚合材料样品上放置金属支架；s4：调节样品支架3的高度，使金属支架远离阻燃聚合材料样品的一端能够接触到第一电极12和第二电极22之间产生的电弧；s5：调节第一电极12和第二电极22之间的间距，并调节样品支架3的位置；s6：接通电源，开启控制主机6进行试验，高压电弧产生的热量烧蚀金属，形成熔融物滴落到样品中，用来进行金属熔融引燃试验。
39.本发明所公开的阻燃聚合材料高压电弧引燃模拟装置及其使用方法，用于分析高压开关柜内长期局部放电引燃绝缘配件的问题，高压电弧引燃模拟装置可以产生50kv的击穿电压，并能通过程序控制电弧的通断时间，通断时间在0.01s
‑
600s范围内自由设定，可以模拟瞬时放电和连续放电等多种工况，以适应不同厚度、不同阻燃材料样品。
40.本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有
各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。