一种故障电弧引燃实验装置及其实验方法与流程

1.本公开涉及电气火灾安全技术领域，具体涉及一种故障电弧引燃实验装置及其实验方法。


背景技术：

2.随着经济的迅速发展，人们生产生活电气化、自动化水平不断提高，人们对于电力资源的需求越来越大。电器设备的数量日益增大，种类也复杂多样，极大的方便了人们的生活。但是，电在给人们带来方便的同时也带来了许多安全问题，由于电气线路或电气设备故障引发的电气火灾越来越多，给人们生活和生命财产安全带来了不可估量的损失。近年来，重大、特别重大电气火灾事故发生频繁，受到社会的广泛关注。应急管理部消防救援局统计数据表明，故障电弧是引发电气火灾的主要原因，这是因为故障电弧产生的高温，极易引燃周围的可燃物，进而引发火灾。目前，国内外学者针对故障电弧的研究，主要集中在电弧的信号探测，识别等技术与产品的研发上，相关成果的应用虽然在一定程度上降低了电气火灾的危害。
3.但是，对于故障电弧的热特性及其引发火灾的引燃机理尚无系统的研究。通过仿真模拟实验对故障电弧进行再现，是研究故障电弧引燃机理的重要手段，现有的故障电弧模拟实验台多用于故障电弧的产生，对故障电弧引燃可燃物的实验研究尚且不足。现有为数不多的故障电弧引燃实验台通过高压起弧的方式，产生长间距电弧进而进行引燃实验，但是对于故障电弧热特性相关参数的测量考虑欠理想，此外，实际上通常低压配电线路中故障电弧更易引发电气火灾事故。因此，如何针对故障电弧的热特性开展实验并进行关键数据的有效测量是进行引燃机理研究的关键。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种故障电弧引燃实验装置及其实验方法，旨在实现低压故障电弧引燃实验关键数据的测量，记录故障电弧引燃可燃物的全过程，进而研究故障电弧引燃可燃物的引燃机理。
5.本公开的一个方面提供了一种故障电弧引燃实验装置，包括：故障电弧发生模块，用于产生故障电弧；燃烧单元，用于放置可燃物，其中，故障电弧用于引燃可燃物；数据监控模块，用于对故障电弧发生模块与燃烧单元的状态进行监控及实验数据采集；控制模块，用于控制故障电弧发生模块的使能状态及施加至故障电弧发生模块两端的电流。
6.进一步地，该实验装置还包括：数据处理模块，用于将数据监控模块监控得到的所述实验数据进行处理并显示。
7.进一步地，燃烧单元包括：电子天平，用于监测所述可燃物的质量；多个第一支撑杆，其位于电子天平上，用于支撑燃烧池；燃烧池，位于多个第一支撑杆上，用于放置可燃物；其中，多个第一支撑杆的高度可调节，以使调节燃烧池的高度和倾斜角度。
8.进一步地，燃烧池为上方开口的方形盒体，其内部设置钢丝网及多个第二支撑杆，
其中，多个第二支撑杆位于所述燃烧池的底部内表面，用于支撑所述钢丝网，且多个第二支撑杆的高度可调节，以使调节钢丝网距离燃烧池上表面的高度。
9.进一步地，故障电弧发生模块包括：固定电极，其设置于固定底座上；移动电极，其设置于可滑动底座上且与固定电极相对设置；其中，可滑动底座的位置可调节，以调节固定电极与移动电极的间距，以使产生故障电弧。
10.进一步地，数据监控模块包括：数据采集终端，其包括红外热像仪和电流/电压传感器，该红外热像仪用于采集所述故障电弧的热参数，该电流/电压传感器用于采集所述故障电弧的电参数；可调节伸缩臂，其一端与红外热像仪连接，用于调节红外热像仪的位置；第三支撑杆，其与可调节伸缩臂的另一端活动连接，用于支撑可调节伸缩臂。
11.进一步地，控制模块的外壳由绝缘体材料构成，其包括：第三电源开关，用于控制故障电弧发生模块的电源通断；至少一个负载插口，用于接入负载；其中，通过至少一个负载插口向该实验装置中接入不同的负载，以使调控施加至故障电弧发生模块的电流。
12.进一步地，数据监控模与控制模块电连接，数据监控模块将采集到的数据通过控制模块上的数据输出接口传输至数据处理模块。
13.进一步地，经过数据处理模块处理后得到的数据至少包括所述故障电弧的温度、电流、电压及可燃物的质量分别随时间变化的数据。
14.本公开的另一个方面提供了一种故障电弧引燃实验方法，采用本公开第一个方面提供的故障电弧引燃实验装置，包括：s1，采用故障电弧发生模块产生故障电弧；s2，利用故障电弧将放置于燃烧单元中的可燃物引燃；s3，对故障电弧及燃烧单元中可燃物的状态进行实时监控及数据采集；s4，对采集到的数据进行分析处理、显示及数据存储；s5，改变故障电弧的电参数或可燃物的属性，重复s2～s4步骤，得到不同电参数或不同属性可燃物对应的故障电弧引燃可燃物的实验数据。
15.本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：
16.(1)、本公开提供的该实验装置可有效模拟不同负载大小、类型下的低压故障电弧，可以实时监测电路正常工作时及故障电弧产生时的电参数信号。
17.(2)、本公开采用的多功能燃烧单元，可以调节燃烧池的高度以及倾斜角度，可用于模拟各类复杂场景的故障电弧引燃实验。
18.(3)、本公开采用非接触式测温，可以实时监测故障电弧，电极以及可燃物引燃时的温度场信息。
19.(4)、本公开具有电气负载切换简单，漏电、过载保护完备等操作简单、安全可靠的良好特性，对不同负载大小、类型下的低压故障电弧热特性研究具有重要意义。
20.(5)、本公开对故障电弧的电参数及热参数的完备测量，便于研究不同负载大小、类型产生的故障电弧热特性差异，进而研究故障电弧引燃机理。
附图说明
21.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
22.图1示意性示出了本公开实施例的故障电弧引燃实验装置的结构示意图；
23.图2示意性示出了本公开实施例的故障电弧发生装置的结构示意图；
24.图3示意性示出了本公开实施例的燃烧单元的结构示意图；
25.图4示意性示出了本公开实施例的燃烧池的结构示意图；
26.图5示意性示出了本公开实施例的故障电弧引燃实验装置的电路图；
27.图6示意性示出了本公开实施例的故障电弧引燃实验方法的流程图。
具体实施方式
28.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
29.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
30.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
31.本公开的实施例提供了一种故障电弧引燃实验装置，包括：故障电弧发生模块，用于产生故障电弧；燃烧单元，用于放置可燃物，其中，故障电弧用于引燃可燃物；数据监控模块，用于对故障电弧发生模块与燃烧单元的状态进行监控及实验数据采集；控制模块，用于控制故障电弧发生模块的使能状态及施加至故障电弧发生模块两端的电流。
32.本公开的实施例提供了一种故障电弧引燃实验装置，一方面可有效模拟不同负载大小、类型下的低压故障电弧，可以实时监测电路正常工作时及故障电弧产生时的电参数信号；另一方面，采用非接触式测温，可以实时监测故障电弧，电极以及可燃物引燃时的温度场信息。本公开的实施例提供的实验装置，具有电气负载切换简单，漏电、过载保护完备等操作简单、安全可靠的良好特性，对不同负载大小、类型下的低压故障电弧热特性研究具有重要意义。
33.下面将结合本公开一具体的实施例中的故障电弧引燃实验装置的结构，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1中示出的故障电弧引燃实验装置的结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
34.图1示意性示出了根据本公开一实施例的故障电弧引燃实验装置的结构示意图。
35.如图1所示，该故障电弧引燃实验装置，包括：故障电弧发生模块10、燃烧单元20、数据监控模块30、控制模块40及数据处理模块50。其中，故障电弧发生模块10、燃烧单元20及数据监控模块30分别设置于控制模块40上表面，数据处理模块50与控制模块40上可通过数据线连接。
36.故障电弧发生模块10，用于产生故障电弧。
37.如图2所示，该故障电弧发生模块10包括：固定电极101、移动电极102、可滑动底座103、粗调旋钮104及细调旋钮105，其中，固定电极101设置于一固定底座上，移动电极102设置于可滑动底座103上且与固定电极101相对设置，通过调节粗调旋钮104与细调旋钮105可改变移动电极102与固定电极101之间的距离，以使产生所述故障电弧。需说明的是，移动电
极102在移动过程中始终与固定电极101保持在同一直线上，两个电极距离控制模块40上表面的高度优选150mm。
38.具体地，固定电极101采用直径为6.8mm的碳棒，通过实验电路的控制开关连接实验电源的相线，移动电极102采用直径为6.8mm的黄铜棒，通过负载接口插座接入负载，最终与实验电源的中性线相连，移动电极102与固定电极101靠近的一端为尖端，电弧发生前，先将固定电极101与移动电极102接触，闭合开关形成导通电路，然后缓慢调节移动电极使两电极分离，进而产生故障电弧。
39.燃烧单元20，用于放置可燃物，其中，该故障电弧用于引燃可燃物。
40.图3示意性示出了本公开实施例的故障电弧发生装置的结构示意图。如图3a所示，该燃烧单元20包括：电子天平201、多个第一支撑杆202、支撑弹簧203及燃烧池204。其中，电子天平201，位于控制模块40的上表面，用于监测所述可燃物的质量，且其与控制模块40电连接，以使将电子天平201实时监控的可燃物的质量数据输出至控制模块40并存储。多个第一支撑杆202位于电子天平201上，用于支撑燃烧池204。支撑弹簧203一端与电子天平201固定连接，另一端与燃烧池204底部固定连接，用于支撑燃烧池204，其中，燃烧池204位于固定电极101与移动电极102相对设置面的正下方，其用于放置可燃物，以使便于开展故障电弧引燃实验。
41.本公开的实施例中，多个第一支撑杆202分别位于电子天平201的四个角落，每个第一支撑杆202的高度可调节，以使调节燃烧池204的高度和倾斜角度，其数量优选大于4个或4的倍数。如图3b所示为调节多个第一支撑杆202的高度且使多个第一支撑杆202保持相同高度时支撑燃烧池204的示意图，该状态下的燃烧池204处于水平状态；如图3c所示为调节多个第一支撑杆202的高度且使一侧的第一支撑杆202的高度与另一侧的第一支撑杆202的高度保持不一致时支撑燃烧池204的示意图，该状态下的燃烧池204处于倾斜状态。
42.根据本公开的实施例，该燃烧池204为上方开口的方形盒体，如图4所示，其内部设置钢丝网205及多个第二支撑杆206，图4a为燃烧池204的剖视图，图4b为钢丝网205与多个第二支撑杆206的俯视图。其中，多个第二支撑杆206位于燃烧池204的底部内表面，用于支撑钢丝网205，且多个第二支撑杆206的高度可调节，以使调节钢丝网205距离燃烧池204上表面的高度以满足不同的实验需求。
43.具体地，该电子天平201优选采用量程为100g，分度值为0.01g的电子天平，燃烧池204上表面距离控制模块40上表面距离的可调范围为100mm～150mm，燃烧池204开口平面可通过调节不同第一支撑杆202的升降高度改变燃烧池204开口平面的倾斜角度，可调节角度范围为0
°
～80
°
。其中，燃烧池204由耐高温白刚玉构成，其开口面积可以为50mm
×
50mm，内部深度为50mm，燃烧池204内部装设的钢丝网205的尺寸大小为48mm
×
48mm
×
1mm的硬质钢丝网，硬质钢丝网205固定于5个第二支撑杆206上，第二支撑杆206可伸缩范围为9mm～39mm，通过第二支撑杆206高度实现硬质钢丝网205在燃烧池204内高度的调节，钢丝网205距离燃烧池204上表面的可调节范围为0mm～40mm。
44.数据监控模块30，用于对故障电弧发生模块10与燃烧单元20的状态进行监控及实验数据采集。
45.如图1所示，该数据监控模块30包括：数据采集终端与支撑模块，该支撑模块包括：可调节伸缩臂302及第三支撑杆303，数据采集终端包括红外热像仪301和电流/电压传感
器，电流/电压传感器设置于控制模块40内部空腔中(图1中未画出)。其中，红外热像仪301用于采集故障电弧的热参数，如温度等；电流/电压传感器用于采集故障电弧的电参数，如电压、电流等。可调节伸缩臂302，其一端与红外热像仪301连接，用于调节红外热像仪301的位置；第三支撑杆303，其一端与可调节伸缩臂302的另一端活动连接，另一端固定设置于控制模块40上表面，用于支撑可调节伸缩臂302，该第三支撑杆303为可升降的支撑杆。
46.具体地，红外热像仪301可采用flira655sc型红外热像仪，其包含三个可选温度范围，如
‑
40～150℃、100～650℃、500～2000℃。红外热像仪301通过可调节伸缩臂302与第三支撑杆303设置于控制模块40上，用于对故障电弧的进行监控及实验数据采集，其镜头可任意角度调节；可调节伸缩臂302伸缩范围覆盖控制模块40上方的任意位置，第三支撑杆303最大的高度为800mm左右。红外热像仪301可采用千兆以太网数据线与数据处理模块50(如计算机)连接，数据处理模块50实时显示并记录故障电弧、电极以及燃烧池温度等信息。
47.控制模块40，用于控制故障电弧发生模块10的使能状态及施加至故障电弧发生模块10两端的电流。
48.根据本公开的实施例，该控制模块40的外壳由绝缘体材料构成，其亦为实验台主体。如图1所示，控制模块40的壳体正面为控制面板，该控制面板上设置总电源接口401、第一电源开关402、第二电源开关403、第一按钮开关404、第二按钮开关405、至少一个负载插口406、数据输出接口407、停止按钮408、lcd液晶显示屏409及数据采集卡410(见图5)。
49.具体地，图5示意性示出了本公开实施例的故障电弧引燃实验装置的电路图。如图5所示，总电源接口401用于接入频率为50hz、电压为220v的交流电源，以使为故障电弧发生模块10、数据监控模块30及控制模块40提供电源。第一电源开关402为电源总开关，其为控制模块40的漏电保护及过载保护的开关。第二电源开关403用于控制故障电弧发生装置10的电源通断。至少一个负载插口406用于接入不同的负载，以使调控施加至故障电弧发生模块10的电流。第一按钮开关404与第二按钮开关405分别用于控制负载插口406的负载接入，当在负载插口406接入一负载时，并按下相对应的第一按钮开关404或第二按钮开关405以使向控制模块40中接入负载，即可进行不同电流激励下的故障电弧实验。在实验过程中出现危险时，可以通过紧急停止按钮408对整个实验装置进行紧急切断。数据采集卡410分别与电子天平201、电流/电压传感器电连接，用于采集电子天平201及电流/电压传感器监控得到的数据并存储。lcd液晶显示屏409用于实时显示数据采集卡410采集到的数据。
50.本公开的实施例中，在负载插口406接入的负载可以为可调电阻、白炽灯、电磁炉、热水器、吹风机、冰箱、微波炉、计算机、led彩灯等不同功率或不同类型(阻性、感性、复合)的负载，负载均通过负载插口406进行接入，可根据实际需要连接不同数量和类型的负载，易于调节。需说明的是，本公开的实施例中负载插口406的数量并不仅限于图示中的两个，其可根据实际需求进行设定。
51.数据处理模块50，用于将数据监控模块30监控得到的实验数据进行处理并显示。
52.根据本公开的实施例，如图5所示，数据监控模块30还包括：电压传感器304和电流传感器305，电压传感器304和电流传感器305均设置于控制模块40内部空腔中，且其分别与数据采集卡410电连接。其中，电压传感器304可采用pintech公司的n1008a型高压隔离差分探头，分别连接在固定电极101端与移动电极102端，用于监测固定电极101与移动电极102之间的电压；电流传感器305为pintech公司的pt710
‑
a型电流探头，通过电流钳测量实验电
路的电流大小(即故障电弧的电流大小)。
53.具体地，如图5所示，数据处理模块50包括用户终端，如台式计算机、笔记本等，该数据处理模块50与控制模块40上的数据输出接口407通过数据线连接，在实验过程中数据采集卡410采集到的实验数据传输至数据处理模块50，并通过计算机上的labview虚拟仪器平台进行实验数据处理、显示和储存。其中，数据采集卡410可采用ni公司系列ni7431型数据采集卡，输入信号范围为
‑
10～10v、4～20ma，采样率最高可达5khz，对采集的数据进行信号调理，传输至labview虚拟仪器平台，同时可输出电平信号对红外热像仪301进行同步触发。
54.本公开的实施例中，将通过数据采集卡410采集到的数据输出至数据处理模块50，可得到故障电弧的温度、电流、电压及可燃物的质量分别随时间变化的数据，以使进一步分析不同电流、不同可燃物质量等情况下的燃烧情况，进而对实际应用过程中的引燃机理进行进一步研究，如：不同电流激励下产生的故障电弧对可燃物进行引燃所需的时间，不同可燃物属性(如质量、体积、面积等)的引燃时间及温度等。另外，可通过数据处理模块50中labview虚拟仪器平台对实验数据的显示进行参数化设置，以及数据处理(如数据拟合、数据去噪等处理)，以使得到的数据更加能反应真实情况和可视化，方便用户对实验过程中产生的数据进行实时观测；还可以通过labview虚拟仪器平台将实验数据进行进一步处理，得到电压
‑
电流的关系曲线图等。
55.需说明的是，上述各部件结构、安装方式、尺寸大小等仅为示例性的说明，并不代表在其他实际应用过程中各部件结构、数量尺寸大小等不能为其他替换选择，其并不构成对本公开提供的故障电弧引燃实验装置的限定，例如，lcd液晶显示屏409还可用于实时显示经过数据处理模块50处理后的实验数据，其不仅显示数据采集卡采集的原始数据。
56.图6示意性示出了本公开实施例的故障电弧引燃实验方法的流程图，该方法步骤采用如图1所示的故障电弧引燃实验装置。
57.如图6所示，该故障电弧引燃实验方法，包括：
58.s1，采用故障电弧发生模块10产生故障电弧；
59.s2，利用故障电弧将放置于燃烧单元20中的可燃物引燃；
60.s3，对故障电弧的状态进行实时监控及数据采集；
61.s4，对采集到的数据进行分析处理、显示及数据存储；
62.s5，改变故障电弧的电参数或可燃物的属性，重复s2～s4步骤，得到不同电参数或不同属性可燃物对应的故障电弧引燃可燃物的实验数据。
63.需说明的是，上述实施例中的故障电弧的电参数包括但不仅限于电流、电压，故障电弧的热参数包括但不仅限于温度参数，不同的可燃物属性包括但不仅限于不同类型、不同密度、不同质量的可燃物等。
64.尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的，如图1所示为根据本公开实施例示意的故障电弧引燃实验装置的结构示意图，在实际应用过程中该故障电弧引燃实验装置中某些部件可用其他相同或类似功能的部件替代或是实验原理装置结构更加简化或复杂，此实施例并不构成对该故障电弧引燃实验装置的限定。
65.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可
以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
66.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。