评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置及评估方法

1.本发明属于灭弧室中产气材料评价技术领域，涉及评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，还涉及采用该装置评估的方法。


背景技术：

2.为促进分布式能源的有效整合，对电动汽车充电基础设施，光伏并网发电以及直流数据中心等直流配电网的不断发展与优化，其安全稳定可靠运行的要求也在随之提高，低压断路器作为配电网的故障切除设备有着更重要的地位。在直流开断过程中，灭弧为设计断路器需要考虑的首要因素，设备中电弧的存在对整个系统的影响较大，利用气吹方式进行消弧处理，气吹灭弧方式中主要利用产气材料进行灭弧，产气材料的选择决定了断路器的直流开断能力。产气材料是低压断路器中不可或缺的一部分，因此，产气材料的综合性能间接成为评估低压断路器开断能力的指标。
3.产气材料在低压断路器中主要应用在与弧柱相互作用产生烧蚀蒸气来提高弧压，同时产气材料作为绝缘材料限制弧根扩散运动。当前在应用过程中没有对产气材料进行统一评估判断的指标以及在工程应用中的指导原则标准。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，用于对产气材料的性能进行评价，便于筛选出灭弧综合性能最佳的产气材料。
5.本发明的另一目的是提供开关设备中产气材料综合性能的评估方法。
6.本发明所采用的技术方案是，评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，包括截面为“凹”字型的基座，基座内且沿其长向对称的设置有两个可拆卸固定件，两个可拆卸固定件之间设置有产气材料，基座上两个凸起的端部均嵌套有铜电极板，两个铜电极板对称设置且与产气材料的位置对应。
7.本发明的特征还在于，
8.基座包括“凹”字型的底座，底座内底的中线处设置有凸台，底座上两个凸起的端部沿其高度方向均开设有“八”字型第一凹槽，每个第一凹槽开口较大的一端通过第二凹槽连通且第二凹槽与凸台位置对应，底座上两个凸起的端部且位于第一凹槽的两侧对称的设置有平台。
9.底座内底的高度为凸台顶部至底座底面之间距离的五分之四；
10.第一凹槽的底至底座的底面之间的距离为凸台顶部至底座底面之间距离的三分之二；
11.平台的高度低于底座上凸起端部的高度。
12.基座采用dmc材料。
13.铜电极板包括两个平行设置的平板，两个平板通过三角柱连接，两个平板相同的位置处均设置有第一孔，三角柱的底边设置有第二孔，三角柱与第一凹槽、第二凹槽配合。
14.可拆卸固定件包括固定块，固定块两侧对称的设置有侧翼，固定块上与侧翼所在侧壁垂直的侧壁上设置有通孔，侧翼设置于平台上，固定块设置于底座的内底上。
15.通孔包括同轴设置的压力测量孔和第三孔，压力测量孔的直径大于第三孔的直径，压力测量孔的长度大于第三孔的长度，第三孔靠近凸台设置。
16.产气材料包括两个相对设置的u型槽，两个u型槽组成长方体，每个u型槽的底部中心位置均设置有圆柱体，每个圆柱体上及圆柱体所对应的u型槽底部均开设有出气口，出气口与通孔对应，两个u型槽设置于凸台上。
17.本发明所采用的另一技术方案是，开关设备中产气材料综合性能的评估方法，采用评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，具体步骤为：将铜电极板中的第一孔与振荡回路连接，再将一根铜丝的一端与其中一个三角柱的内底连接，铜丝的另一端依次穿过该三角柱上的第二孔、产气材料、另一个三角柱上的第二孔，铜丝的另一端与另一个三角柱的内底连接，将压力传感器从压力测量孔伸入第三孔中，用于测量产气材料的气压；
18.设定预期短路电流峰值，启动振荡回路，按照预期短路电流峰值进行测试，则在振荡回路下利用铜电极板间产生电弧，结束后，再在弧后采用电阻测量仪表连接在两个铜电极板间进行产气材料弧后电阻测量，从而分别获取电弧电压峰值、产气材料气压峰值、限流系数、烧蚀率以及弧后的绝缘电阻作为指标来评价产气材料的性能，则上述指标按照权重优先级划分依次为弧后的绝缘电阻、限流系数、电弧电压峰值与产气材料气压峰值的比值、烧蚀率、电弧电压峰值、产气材料气压峰值。
19.本发明另一技术方案的特征还在于，
20.电弧电压峰值通过高压探头测量得到；
21.产气材料气压峰值通过压力传感器测得；
22.限流系数的表达式为：
23.f＝∫idt/∫i
p
dt
24.式中，i是电弧电流，i
p
是预期短路电流，t是电流通断时间；
25.烧蚀率为产气材料通电前后的重量差与通电前重量的比值；
26.弧后的绝缘电阻在弧后采用电阻测量仪表连接在两个铜电极板间进行电阻测量得到。
27.本发明的有益效果是，
28.(1)本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，产气材料设置为两个相对放置的u型槽作为灭弧室用，再未设置栅片，有效避免除了产气材料之外的其他因素对电弧的影响；
29.(2)本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，基座、铜电极板和可拆卸固定件为可拆卸设计，便于更换产气材料，能够实现对不同产气材料进行试验测试；
30.(3)本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，在振荡回路下对不同产气材料试验，验证了产气材料的存在能够提高电弧电压，且弧压有一定的限流作用；
31.(4)本发明开关设备中产气材料综合性能的评估方法，采用电弧电压峰值、产气材料气压峰值、限流系数，电弧电压峰值与产气材料气压峰值的比值、绝缘电阻和烧蚀率作为指标进行评价产气材料的性能，且将各指标进行了权重优先级划分，为新型产气材料的投入前试验提供了渠道。
附图说明
32.图1是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置的结构示意图；
33.图2是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中基座的结构示意图；
34.图3是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中铜电极板的结构示意图；
35.图4是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中可拆卸固定件的结构示意图；
36.图5是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中产气材料的结构示意图；
37.图6是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中在不同预期短路电流下对多种产气材料电弧电流试验波形，其中(a)为预期短路电流为5ka，(b)为预期短路电流为10ka；
38.图7是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中在不同预期短路电流下对多种产气材料电弧电压试验波形，其中(a)为预期短路电流为5ka，(b)为预期短路电流为10ka；
39.图8是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中在不同预期短路电流下对多种产气材料中气压试验波形，其中(a)为预期短路电流为5ka，(b)为预期短路电流为10ka；
40.图9是本发明评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置中在不同预期短路电流下对多种产气材料烧蚀率试验柱形图。
41.图中，1.基座，2.铜电极板，3.可拆卸固定件，4.产气材料；
42.1-1.第一凹槽，1-2.平台，1-3.凸台，1-4.底座；
43.2-1.平板，2-2.三角柱；2-3.第一孔；2-4.第二孔；
44.3-1.压力测量孔，3-2.第三孔，3-3.侧翼；3-4.固定块；
45.4-1.u型槽；4-2.圆柱体，4-3.出气口。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
47.本发明提供一种评估开关设备中产气材料综合性能的实验装置，结构如图1所示，包括截面为“凹”字型的基座1，基座1内且沿其长向对称的设置有两个可拆卸固定件3，两个可拆卸固定件3之间设置有产气材料4，基座1上两个凸起的端部均嵌套有铜电极板2，两个铜电极板2对称设置且与产气材料4的位置对应，两个铜电极板2用于引弧，基座采用dmc材料。
48.如图2所示，基座1包括“凹”字型的底座1-4，底座1-4内底的中线处设置有凸台1-3，底座1-4上两个凸起的端部沿其高度方向均开设有“八”字型第一凹槽1-1，每个第一凹槽1-1开口较大的一端通过第二凹槽连通且第二凹槽与凸台1-3位置对应，底座1-4上两个凸起的端部且位于第一凹槽1-1的两侧对称的设置有平台1-2，底座1-4内底的高度为凸台1-3顶部至底座1-4底面之间距离的五分之四，第一凹槽1-1的底至底座1-4的底面之间的距离
为凸台1-3顶部至底座1-4底面之间距离的三分之二，平台1-2的高度低于底座1-4上凸起端部的高度，底座1-4的长度为120mm，宽度为80mm，底座1-4内底的高度为12.3mm，第一凹槽及第二凹槽底面的高度为10mm，凸台1-3的顶面至底座1-4的高度为15.4mm，底座1-4内底至平台1-2的高度为7.6mm。
49.如图3所示，铜电极板2包括两个平行设置的平板2-1，两个平板2-1通过三角柱2-2连接，两个平板2-1相同的位置处均设置有第一孔2-3，三角柱2-2的底边设置有第二孔2-4，三角柱2-2与第一凹槽1-1、第二凹槽配合，第一凹槽1-1的深度为15mm，两个平板2-1长度为28.83mm，宽度为3mm，高度为29mm，间距为1.38mm，第一孔2-3的半径为5mm，深度为3mm，三角柱2-2的截面为等腰三角形，两腰长度为20.231mm，底长度为23.411mm，第二孔2-4直径为0.2mm便于每次实验时铜丝的固定，铜丝直径为0.15mm。
50.如图4所示，可拆卸固定件3包括固定块3-4，固定块3-4两侧对称的设置有侧翼3-3，固定块3-4上与侧翼3-3所在侧壁垂直的侧壁上设置有通孔，侧翼3-3设置于平台1-2上且侧翼3-3余平台1-23通过螺栓固定，固定块3-4设置于底座1-4的内底上；孔包括同轴设置的压力测量孔3-1和第三孔3-2，压力测量孔3-1的直径大于第三孔3-2的直径，压力测量孔3-1的长度大于第三孔3-2的长度，第三孔3-2靠近凸台1-3设置，固定块3-4的39.4mm，高度为24.4mm，宽度为45mm，第三孔3-2的半径为5.5mm，深度为4.5mm，压力测量孔3-1的半径为8.25mm，深度为40.5mm。
51.如图5所示，产气材料包括两个相对设置的u型槽4-1，两个u型槽4-1组成长方体，长方体的长度为40mm，宽度为19mm，高度为19mm，u型槽4-1的厚度为2mm，每个u型槽4-1的底部中心位置均设置有圆柱体4-2，每个圆柱体4-2上及圆柱体4-2所对应的u型槽4-1底部均开设有出气口4-3，出气口4-3与通孔对应，两个u型槽4-1设置于凸台1-3上，圆柱体4-2的半径为5mm，高度为3mm的圆柱，出气口4-3的半径为2mm。
52.本发明还涉及采用上述装置进行开关设备中产气材料综合性能的评估方法，具体步骤为：将铜电极板2中的第一孔2-3与振荡回路连接，再将一根铜丝的一端与其中一个三角柱2-2的内底连接，所述铜丝的另一端依次穿过该三角柱2-2上的第二孔2-4、产气材料4、另一个三角柱2-2上的第二孔2-4，铜丝的另一端与另一个三角柱2-2的内底连接，将压力传感器从压力测量孔3-1伸入第三孔3-2中，用于测量产气材料4的气压，将高压探头的链各个接线端子分别连接在两个铜电极板2；
53.设定预期短路电流峰值，启动振荡回路，按照预期短路电流峰值进行测试，则在振荡回路下利用铜电极板2间产生电弧，结束后，再在弧后采用电阻测量仪表连接在两个铜电极板2间进行产气材料弧后电阻测量，从而分别获取电弧电压峰值、产气材料气压峰值、限流系数、烧蚀率以及弧后的绝缘电阻作为指标来评价产气材料4的性能，则上述指标按照权重优先级划分依次为弧后的绝缘电阻、限流系数、电弧电压峰值与产气材料气压峰值的比值、烧蚀率、电弧电压峰值、产气材料气压峰值，权重依次为0.3、0.2、0.1、0.1、0.1；
54.其中，电弧电压峰值通过高压探头测量得到；
55.产气材料气压峰值通过压力传感器测得；
56.限流系数的表达式为：
57.f＝∫idt/∫i
p
dt
58.式中，i是电弧电流，i
p
是预期短路电流，t是电流通断时间；
59.烧蚀率为产气材料4通电前后的重量差与通电前重量的比值；
60.弧后的绝缘电阻在弧后采用电阻测量仪表连接在两个铜电极板间进行产气材料弧后电阻测量得到。
61.弧后的绝缘电阻及电弧电压峰值与产气材料气压峰值的比值越高、限流系数及烧蚀率越低则产气材料性能越好。
62.实施例
63.产气材料性能评估实验在振荡回路下进行，四种产气材料分别为ppa(主要成分为pa66，含30％玻璃纤维)、fg171(主要成分为pa66，含25％玻璃纤维)、pom、dmc。
64.通过评估产气材料在不同短路电流下对电弧特性的影响，对多种产气材料进行综合性能比较，同时验证能够对新产气材料进行性能分析，设定预期短路电流峰值分别为5ka和10ka，实验结果波形对比如图6、图7、图8和图9所示，以及实验数据结果如表1所示。
65.从图6，图7和图8波形对比分析，当产气材料为pom时，电弧电流峰值达到其最小值，主要原因是产气材料为pom时气压峰值最大，导致电弧电压峰值最大，此时的限流的效果是最强的。当产气材料为pom时，灭弧室气压峰值最大，达到3.2mpa，主要原因是pom的分解温度最低，对比电弧电流峰值大小，产气材料从大到小依次为dmc、ppa、fg171和pom，说明pom的限流性能最好。在预期短路电流为5ka时，材料为dmc和ppa的电流限制最弱；但是在预期短路电流为10ka时，ppa的电流限制能力强于dmc；主要原因是dmc在电弧作用下基本不产生气体，ppa的主要成分是pa66，含有30％的玻璃纤维，在电弧的作用下会产生气体，特别是在大电流下，会加快电弧能量的耗散，提高了限流性能。
66.从图9分析dmc和pom的烧蚀量最大。pom的烧蚀率较大，在电弧阶段释放出大量蒸汽，验证了产气材料为pom时灭弧室气压较高的原因。
67.从结果数据表1中得到当产气材料为pom时，限流系数最小，说明当材料为pom时，其限流性能最好，更有利于灭弧；更高的绝缘电阻和更低的烧蚀率意味着更少的碳沉积和更长的产气材料的使用寿命；产气材料为pom时绝缘电阻最大，这表明pom的碳沉积最低；通过对比发现，pom的综合性能(更高的绝缘电阻、更低的限流、更高的电弧电压峰值与产气材料气压峰值的比值)是最好的。
68.表1
69.[0070][0071]
表1中，u
max
为电弧电压峰值；i
max
为电弧电流峰值；p
max
为产气材料气压峰值；u
max
/p
max
为电弧电压峰值与产气材料气压峰值的比值。