一种弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置及方法

1.本发明涉及高温电弧引燃固体材料技术领域，尤其涉及一种弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置及方法。


背景技术：

2.电弧是一种气体放电现象，是由于电离气体的电传导而形成的自维持高温等离子导电过程。加载一定电压的阴极和阳极相互靠近至某一距离时，电极间的气体介质被击穿而形成高温电弧，易引燃近邻可燃物而形成火灾或其它事故。针对森林雷击火灾和电气火灾等事故的引燃机理研究，前人已搭建一些电弧模拟发生和引燃特性研究装置，如专利202110613797.2提出了一种电弧放电引燃可燃物实验装置，实现了电弧的模拟及环境氛围调控、电弧放电能量调控以及可燃物可更换等功能，推动了电弧引燃可燃物机理等研究。
3.对于电弧引燃固体材料机理的实验测量和材料阻燃性能检测新方法研究，高温电弧的形态稳定性控制是其中最关键的控制参数。作为固体材料的引燃热源，电弧的中轴线芯区域温度最高，并沿轴向往外急剧温度下降，因此，如果电弧形态变化过于剧烈而形成明显非稳态高温热源，易由于测量误差过大而导致引燃机理实验测量结果不可接受；此外，高温电弧自身几何形态的剧烈变化，也使得被引燃固体样品与电弧间距难以准确设定和调控，导致固体可燃物引燃过程中的实际受热参数难以确定。可见，电弧几何形态的稳定性控制，是高温电弧引燃固体可燃物机理研究的技术要点和难点。
4.现有技术所模拟生成的电弧，一方面，弧根位置易沿着电极不断移动，进而导致弧柱形态随时间剧烈变化，无法满足高温电弧引燃可燃物机理研究；另一方面，电极起弧的最大间距受限于电极两端的初始悬浮电压大小，无法在较低电极间悬浮电压条件下实现较大间距的电弧，从而限制了置于电弧电极之间的待测材料样品厚度。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中上述问题，实现高温稳定电弧对固体材料样品引燃机理的准确研究，本发明公开了一种弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置与方法，旨在实现电极间悬浮电压较低条件下起弧后拉伸电弧和稳定弧柱，从而提升作为引火源的高温电弧几何形态和温度场分布的稳定性和材料引燃机理实验测量的可靠性，起弧电压的降低，也提升了整个电弧引燃装置的实验安全性和经济性。
6.本发明提供了一种弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置，包括一个连接于电压升压器1的阳极2和一个连接于地线3的阴极4，阳极2与阴极4相向布置于同一水平高度；所述阳极2水平方向穿过第一横杆5的第一水平孔洞6内，所述阳极2可沿着第一水平孔洞6在水平方向上自由移动，所述阳极2的水平位置由竖直向下穿过第一竖直孔洞7的第一螺栓8固定；所述第一横杆5连接于第一竖直支架9；所述阴极4水平方向穿过第二横杆10的第二水平孔洞11内，所述阴极4可沿着第二水平孔洞11在水平方向上自由移动，所述阴极4的水平位置由竖直向下穿过第二竖直孔洞12的第二螺栓13固定；所述第二横杆10连接于第二竖直支架
14；所述第二竖直支架14安装于水平放置的滚珠丝杠15的运动滑块16上，滚珠丝杠15的控制器17与计算机18相连，通过计算机18内的控制程序与参数设定，控制运动滑块16的前后移动，从而调节阴极4与阳极2之间的间距。
7.所述阳极2的前端为圆锥形，所述阳极2的外部由前端为截头圆锥形的第一套管19贴紧包裹，使阳极2最前尖端与第一套管19的最前端齐平，所述第一套管19由耐高温不燃材料制成。
8.所述阴极4的前端为圆锥形，所述阴极4的外部由前端为截头圆锥形的第二套管20贴紧包裹，使阴极4最前尖端与第二套管20的最前端齐平，所述第二套管20由耐高温不燃材料制成。
9.所述电压升压器1与380v的交流电源相连，所述电压升压器1通过电源控制模块21与计算机18相连，电压升压器1的升压参数由计算机18通过程序设定。
10.所述阳极2和阴极4之间为驻定电弧22形成区和待测固体材料放置区。
11.所述第一横杆5与第二横杆10为金属材料，所述第一竖直支架9和第二竖直支架13由绝缘材料制成。
12.一种弧根驻定与弧柱稳定电弧发生方法，应用于所述弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置，包括如下步骤：
13.s1：向上调节所述位于第一竖直孔洞7内的第一螺栓8将所述阳极2插入所述第一横杆5内，向上调节位于第二竖直孔洞12内的第二螺栓13将所述阴极4插入所述第二横杆10内；
14.s2：将所述第一套管19由阳极2尖端位置套入，使阳极2最前尖端与第一套管19的最前端齐平，所述阳极2最前尖端被第一套管19包裹，将所述第二套管20由阴极4尖端位置套入，使阴极4最前尖端与第二套管20的最前端齐平，所述阴极4最前尖端被第二套管20包裹；
15.s3：用所述计算机18控制电压升压器1的升压参数设定初始起弧电压，并在计算机18中设定起弧实验过程中的起弧时间；
16.s4：用所述计算机18控制滚珠丝杠15的控制器17，设定起弧后阳极2与阴极4之间增大的间距，实验过程中滚珠丝杠15上的运动滑块16带动阴极4移动，调节阳极2与阴极4的间距；
17.s5：向上调节所述位于第一竖直孔洞7内的第一螺栓8，将所述阳极2沿第一水平孔洞6方向调节至所需位置，向下调节所述第一螺栓8固定所述阳极2，向上调节所述位于第二竖直孔洞12内的第二螺栓13，将所述阴极4沿第二水平孔洞11方向调节至设定位置，向下调节所述第二螺栓13将所述阴极4固定于第二横杆10中，确定初始起弧间距；
18.s6：打开电源控制模块21，开始起弧实验；
19.s7：通过所述计算机18打开滚珠丝杠15的控制程序，调节与控制阳极2和阴极4的间距，使弧柱可在起弧后随电极间距的增而拉长；
20.s8：电极到达设定位置固定不动，形成稳定电弧弧柱，且弧根驻定，可在电弧稳定阶段进行驻定电弧22的各段温度场测量或者引燃固体可燃物的实验测量与研究；
21.s9：测量实验完成，起弧结束，阴极4回到初始位置，关闭电源。
22.本发明与现有技术相比具有以下优点：
23.(1)通过在电极外部安装耐高温绝缘套管，在起弧后实现了电弧的弧根位置驻定以及弧柱形态的稳定，为电弧各段参数的准确测量以及电弧作用下的材料引燃机理研究提供了必要条件和关键方法。
24.(2)通过“阳极和阴极在间距较小条件下起弧后移动电极而增大电极间距”的起弧与控弧方式，实现了电极在低电压条件下的击穿起弧和弧柱拉升，显著降低了长间距电弧击穿发生所需电压，提升了电弧模拟生成与引燃实验的安全性和经济性。
附图说明
25.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的介绍，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，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。
26.图1为本发明实施例中弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置平台结构示意图；
27.图2为本发明实施例中电弧发生模块当中的电极部分截面图；
28.图3为本发明实施例中电弧发生模块当中第一竖直孔洞部分截面图。
29.附图标记：
30.1-电压升压器；2-阳极；3-地线；4-阴极；5-第一横杆；6-第一水平孔洞；7-第一竖直孔洞；8-第一螺栓；9-第一竖直支架；10-第二横杆；11-第二水平孔洞；12-第二竖直孔洞；13-第二螺栓；14-第二竖直支架；15-滚珠丝杠；16-运动滑块；17-控制器；18-计算机；19-第一套管；20-第二套管；21-电源控制模块；22-驻定电弧。
具体实施方式
31.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.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。
33.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。
34.如图1至图3所示的是一种弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置，包括一个连接于电压升压器1的阳极2和一个连接于地线3的阴极4，阳极2与阴极4均为钨电极，阳极2与阴极4均一端为圆锥形，另一端为圆柱形，两圆锥尖端相向布置于同一水平高度；所述阳极2沿水平方向穿过第一横杆5的第一水平孔洞6内，所述阳极2可沿着第一水平孔洞6在水平方向上左右自由移动，所述阳极2的水平位置由竖直向下穿过第一竖直孔洞7的第一螺栓8固定于第一横杆5中；所述第一横杆5连接于第一竖直支架9顶端；所述阴极4沿水平方向穿过第二横杆10的第二水平孔洞11内，所述阴极4可沿着第二水平孔洞11在水平方向上左右自由移
动，所述阴极4的水平位置由竖直向下穿过第二竖直孔洞12的第二螺栓13固定；所述第二横杆10连接于第二竖直支架14顶端；所述第一横杆5与第二横杆10均为厚度为20mm的铜块制品，所述第一竖直支架9与第二竖直支架14为亚克力绝缘材料，其中第一竖直支架9可固定于装置底部，第二竖直支架14底部安装于水平放置的滚珠丝杠15的运动滑块16上，滚珠丝杠15的控制器17与计算机18相连，通过计算机18内的控制程序与参数设定，控制运动滑块16的沿阴极所处水平位置左右移动，从而调节阴极4与阳极2的相对间距。
35.所述阳极2和阴极4之间为驻定电弧22形成区和待测固体材料放置区。
36.第一套管19由阳极2尖端位置套入，阳极2最前尖端与第一套管19的最前端齐平。第二套管20由阴极4尖端位置套入，阴极4最前尖端与第二套管20的最前端齐平。其中第一套管19和第二套管20长度均为40mm。第一套管19和第二套管20分别紧贴包裹阳极2和阴极4的外表面。
37.本发明提供了一种弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置及方法，以形成形态稳定的高温电弧。同时成弧后电弧位置可以驻定而不发生变化，为各种可燃物引燃机理实验提供稳定状态下的电弧，也可通过连接其他测量装置测量已稳定电弧的相关重要参数，提高对电弧的准确参数控制。
38.在具体实施过程中，通过控制滚珠丝杠15调节阳极2和阴极4在实验进行中的相对距离，通过第一横杆5和第二横杆10上的第一螺栓8与第二螺栓13调节阳极2和阴极4的初始间距，结合可燃物的种类、放置位置的不同以及电极起弧位置的变化可以进行多种可燃物引燃的模拟实验以及电弧稳定阶段进行电弧各段温度场测量，从而对可燃物样品的燃烧特性和引燃机理进行准确深入地分析。
39.作为上述实施例的优选，阳极2和阴极4为钨电极，直径6mm，分别为起弧端长度15mm的圆锥体，以及相对的另一端为65mm的圆柱体，以此控制起弧点范围限制在圆锥体尖端部分，电极总体长度为80mm，远大于第一横杆5和第二横杆10的厚度20mm，第一竖直支架9与第二竖直支架14足够长(至少高于150mm)以保障起弧位置与装置底部留存有安全距离。
40.需要说明的是，阳极2和阴极4之间的间距调节主要有两种方式，第一是通过调节阳极2和阴极4与第一横杆5和第二横杆10的相对距离，从而改变阳极2和阴极4之间的初始距离；第二则是通过连接滚珠丝杠15的控制器17带动运动滑块16靠近或者远离阳极2方向，二者相结合使得阳极2和阴极4的间距可以在实验前以及实验进行过程中进行多次距离调整，从而实现实验起弧的最佳效果。进一步地，电压升压器1与第一横杆5相连接，计算机18通过电源控制模块21调节电压升压器1并设定起弧电压以及起弧时间等参数，同时可以通过控制器17与滚珠丝杠15连接，控制滚珠丝杠15上的运动滑块16。
41.进一步地说明，将阳极2和阴极4固定或替换金属电极时用于调整的第一螺栓8和第二螺栓13所用材料需要耐高温，除此以外没有其他特殊限制，金属或者其他非金属绝缘材料均不会对起弧过程产生影响，在此实施例中的第一螺栓8和第二螺栓13为绝缘非金属耐高温的亚克力材料；第一套管19和第二套管20为绝缘耐高温的陶瓷材料，其内径与阳极2和阴极4的直径相适配，恰好紧密包裹在电极外表面。
42.具体地，电弧的温度值呈现指数下降趋势，其中心点的温度值可达上万摄氏度，离电弧中心线10mm位置温度可降至约1000k，电弧周围的不同位置温度变化较小。
43.在具体实施过程中，电压升压器1一端连接三相电源接口，电源电压通过变压器升
压后可获得15kv电压，即可达到本技术装置起弧要求，另一端连接阳极2产生高温电弧。
44.利用上述装置进行不同形状驻定电弧各段温度场测量试验，包括如下步骤：
45.s1：安装固定钨电极。向上调节位于所述第一竖直孔洞7内的第一螺栓8将所述阳极2插入所述第一横杆5内，向上调节位于第二竖直孔洞12内的第二螺栓13将所述阴极4插入所述第二横杆10内，分别向下调节第一螺栓8和第二螺栓13固定阴极4，并将阴极与地线3相连接；
46.s2：将所述第一套管19由阳极2尖端位置套入，使阳极2最前尖端与第一套管19的最前端齐平，将所述第二套管20由阴极4尖端位置套入，使阴极4最前尖端与第二套管20的最前端齐平，其中第一套管19和第二套管20长度为40mm，同时调节第一螺栓8和第二螺栓13改变阳极2与阴极4的相对距离，使第一套管19和第二套管20分别紧贴包裹阳极2和阴极4的外表面；
47.s3：用所述计算机18控制电压升压器1的升压参数，设定初始起弧电压为5kv，并在计算机18中设定起弧实验过程中的起弧时间为50s；
48.s4：用所述计算机18控制连接了滚珠丝杠15的控制器17，设定起弧后阳极2与阴极4之间增大的间距为10mm，实验开始进行时滚珠丝杠15上的运动滑块16将带动阴极4沿水平方向左移动10mm，增大阳极2与阴极4的相对间距，改变弧柱长度与形状；
49.s5：向上调节所述位于第一竖直孔洞7内的第一螺栓8，将所述阳极2沿第一水平孔洞6方向调节，阳极2外露在第一横杆5右侧部分的长度为50mm，向下调节所述第一螺栓8固定所述阳极2，继续向上调节所述位于第二竖直孔洞12内的第二螺栓13，将所述阴极4沿第二水平孔洞11方向调节，阴极4外露在第二横杆左侧部分的长度为50mm，向下调节所述第二螺栓13将所述阴极4固定于第二横杆10中，手动调节滚珠丝杠15控制阴极4朝向阳极2方向移动，直至达到初始电极间距为30mm；
50.s6：打开电源控制模块21，开始起弧实验；
51.s7：通过所述计算机18打开滚珠丝杠15的控制程序，设定实验进行时阳极2和阴极4的间距自动调节缩小为15mm，而弧柱在成功起弧后按照已设定的距离增大阳极2与阴极4的间距，弧柱随电极间距的增大而拉长；
52.s8：电极到达设定位置固定不动，形成稳定电弧弧柱，且弧根驻定，即形成驻定电弧22，在电弧稳定阶段进行驻定电弧22的各段温度场测量与研究；
53.s9：测量实验完成，起弧结束，阴极4回到电极初始间距位置，实验结束，关闭电源。
54.本发明所公开的弧根驻定与弧柱稳定电弧发生装置及其使用方法，用于产生弧根驻定、弧柱稳定的平衡电弧，避免了因电弧的变化而对可燃物引燃过程的强烈影响和干扰，产生的稳定电弧可通过电极间距的改变以及起弧点高度的不同转变为不同形状的稳定电弧，并可通过电弧控制模块程序控制起弧时间，从0.01s-600s内准确设定，以适应不同起弧距离以及不同可燃物的引燃实验。
55.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。