一种开关设备内部短路燃弧过程模拟试验平台

技术领域

本发明涉及开关设备短路燃弧故障试验技术领域，具体涉及一种开关设备内部短路燃弧过程模拟试验平台。

背景技术

随着金属封闭开关设备逐渐向小型化、紧凑化、智能化等方向发展，其集成程度越来越高、预留绝缘裕度较小，由于湿热、绝缘老化、过电压以及误操作等不利因素的影响，易造成柜体内部间隙短路，短路燃弧过程时间内释放巨大能量，引起隔室内部气体温度升高、压力骤增，可能会造成金属外壳变形、爆裂，进而形成严重的爆炸事故。

开关设备内部短路燃弧故障一直为电力系统无法忽视的安全隐患。目前主要通过封闭容器内部单相短路燃弧模拟试验来揭示相关规律，分析了短路电流、气体介质和电极烧蚀蒸发等因素对压力效应的影响。然而，要准确评估金属封闭开关设备内部短路燃弧过程产生的热-力效应，不应忽略金属蒸气的影响。因此，有必要搭建探究开关设备内部短路燃弧过程金属蒸气对热-力效应影响的模拟试验平台，系统开展不同充气压、金属材料和蒸气浓度下的短路燃弧模拟试验，获得金属蒸气对热-力效应的影响规律。

发明内容

本发明提供一种开关设备内部短路燃弧过程模拟试验平台，可以系统开展不同绝缘气体、充气压、金属材料、蒸气浓度等因素下的内部短路燃弧试验，分析不同试验条件下金属蒸气对热-力效应的影响规律。从而为中高压环保气体绝缘金属封闭开关设备的安全防护设计奠定基础。

本发明采取的技术方案为：

一种开关设备内部短路燃弧过程模拟试验平台，包括LC振荡回路、封闭容器，所述LC振荡回路连接设置在封闭容器内的试验电极，在封闭容器内燃弧间隙中间放置带孔的金属板，燃弧过程中金属板因高温发生熔化、蒸发生成金属蒸气；通过改变金属板的孔径

所述封闭容器外部设有高速摄像机，用于对燃弧过程的金属蒸气分布进行拍摄；

所述封闭容器外部设有热辐射计，热辐射计透过设置在封闭容器的观察窗来测量短路燃弧过程的绝对辐射能量。

所述封闭容器底部设有网筛，来收集固体金属颗粒。

所述LC振荡回路用于提供一个工频大电流，LC振荡回路中包括电抗器、电容器组、合闸断路器、高压探头、罗氏线圈；电容器组一端连接电抗器一端，电抗器另一端连接合闸断路器一端，合闸断路器另一端连接高压探头一端，高压探头另一端连接罗氏线圈一端，罗氏线圈另一端连接电容器组另一端。

所述合闸断路器，通过控制其开断来控制LC振荡回路的通断；

高压探头，用于测量电弧燃弧过程的弧压大小；

罗氏线圈，用于测量LC振荡回路电流的大小。

所述封闭容器用于模拟开关设备金属柜体，包括圆形面板S

所述圆形面板S

所述封闭容器内安装固定电极、试验电极，所述固定电极、试验电极通过螺纹连接，并与封闭容器配合相连；在固定电极两端施加高压大电流，从而在试验电极之间产生短路电弧。

所述试验电极，采用烧蚀程度小的铜钨合金电极，在燃弧间隙中间放置带孔圆形金属板。

所述封闭容器内设有：

温度传感器，用于测量封闭容器内表面温升；

压力传感器，用于测量封闭容器内部压力变化。

一种探究开关设备内部短路燃弧过程金属蒸气对热-力效应影响的模拟试验方法，通过改变金属板的孔径

测量金属板试验前后的质量差以及容器壁面、网筛等位置收集固体颗粒的质量，对金属蒸气浓度进行定量表征；

结合温度传感器、压力传感器的监测数据，对比有无金属板的试验结果，总结不同绝缘气体和金属材料下金属蒸气对热-力效应的影响规律；

并定量分析不同绝缘气体、充气压和金属材料下容器内部热-力效应与金属蒸气浓度之间的解析关系。

本发明一种开关设备内部短路燃弧过程模拟试验平台，技术效果如下：

1）本发明在综合考虑LC振荡回路容量和典型气体绝缘开关设备气室尺寸，设计了内径和高度分别为0.6 m和1.2 m圆柱形封闭容器，封闭容器不仅可以顺利完成本发明的试验任务，还可以减少试验量。

2）对封闭容器内部金属蒸气分布特性的观测也是本发明试验平台的一大创新点，根据不同金属蒸气特征谱线波段的差异，在高速相机镜头前方添加特定谱线波段的滤光片，滤掉电弧中的杂光，得到相应金属蒸气的分布特性。

3）本发明在试验过程中通过在封闭容器内置不同孔径的金属板来控制金属材料烧蚀量，获得不同浓度的金属蒸气，从而得到金属蒸气与封闭容器内部热-力效应的定量解析关系，弥补现有开关设备短路燃弧试验的不足。

附图说明

图1为本发明搭建的试验平台示意图。

图2（a）为本发明封闭容器的结构示意图。

图2（b）为本发明金属板的结构示意图。

图3 为金属蒸气对热-力效应影响规律试验示意图。

图4（a）为未安装金属板时内部压力升变化图。

图4（b）为未安装金属板时内部温升变化图。

图5（a）为安装不同孔径铜金属板时内部压力升变化图。

图5（b）为安装不同孔径铜金属板时内部温升变化图。

图6（a）为安装相同孔径、不同材质金属板时内部压力升对比图。

图6（b）为安装相同孔径、不同材质金属板时内部温升对比图。

图6（c）为安装相同孔径、不同材质金属板时金属烧蚀量对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的目的是提供一种开关设备内部短路燃弧过程模拟试验平台，以解决现有技术存在的问题，得到燃弧过程内部金属蒸气分布特性，获得金属蒸气与封闭容器内部热-力效应的定量解析关系。

本实施例提供一种开关设备内部短路燃弧过程模拟试验平台，如图1所示，包括LC振荡回路、封闭容器6；如图2（a）所示，是本发明实施例的封闭容器结构示意图；如图2（b）所示，是本发明实施例中金属板结构示意图。

所述LC振荡回路由电容器组2与电抗器1串联连接，并连至封闭容器6中固定电极7构成回路，在回路中安装合闸断路器3控制回路的通断，安装罗氏线圈5测量回路电流的大小，在封闭容器6的固定电极7两端并联高压探头4测量电弧燃弧过程的弧压大小。

所述封闭容器6用于模拟开关设备金属柜体，由圆形面板S1、圆形面板S2、圆柱形面板S3，其中圆形面板S1、圆形面板S2材质为铁，厚度为10 mm，半径300 mm，作为容器上下表面，且上表面圆形面板S1为可拆卸式密封盖，圆柱形面板S3材质为铁，厚度为10 mm，高度1200 mm，作为容器外表面。在容器内安装固定电极7、试验电极8，在固定电极7两端施加高压大电流，从而在试验电极8之间产生短路电弧，所述固定电极7、试验电极8通过螺纹连接，并与封闭容器6配合相连，所述试验电极8采用烧蚀程度小的铜钨合金电极。在燃弧间隙中间放置带孔圆形金属板9，通过改变孔径d来控制金属材料烧蚀量，从而获得不同浓度的金属蒸气。通入电流后，试验电极间产生电弧，随着电弧能量不断的注入，电弧燃烧并加热容器内气体，气体内能不断增加，使得容器内部有明显的压力与温度升高。

封闭容器6的侧壁上开设两个接口分别固定安装温度传感器12与压力传感器13，获得燃弧过程内部热-力效应变化规律。由于电弧温度很高，热辐射现象明显，通过辐射过程会消耗大量的能量，对内部能量平衡机制产生重要影响，在所述面板S3加装2个高强度石英玻璃制作而成的观察窗11，在观察窗外部安装热辐射计14，进行热辐射参数测量。电弧周围的金属板9也会在高温的作用下产生大量的金属蒸气，它们的介入会改变电弧的热力学参数，对内部压力、温度分布产生影响。在观察窗11外放置高速摄像机15，利用金属蒸气与电弧谱线波段的差异，在高速摄像机15前方安装滤光片来对燃弧过程的金属蒸气分布进行拍摄，获得金属蒸气的分布特征。封闭容器6底部安有细孔网筛10来收集固体金属颗粒，用于定量评估金属熔化、蒸发等过程消耗的能量。

具体的，试验研究方案如图3所示，主要包括以下内容：

（1）：按图1所示布置搭建试验回路，调节试验电极8之间的距离为50 mm，不安装燃弧间隙之间的金属板9，利用直径0.5 mm的焊锡丝将间隙短接引燃电弧，开展短路电流为10kA的短路燃弧试验，此时，燃弧过程中仅铜钨合金电极有轻微烧蚀，产生的金属蒸气较少，获得的试验数据作为不考虑金属蒸气影响的基础数据。在试验过程中对容器进行密封处理，保证压强测量的准确性。将高压探头4、罗氏线圈5接入回路，同时将温度传感器12与压力传感器13通过螺纹配合安装与容器侧表面S3、将热辐射计14置于观察窗11外，在线监测燃弧过程中电流、弧压、容器内部压强、温度与辐射能量的变化情况。获得的压力升、温升变化曲线如图4（a）、图4（b）所示。由图4（a）、图4（b）可见，随着燃弧的发展，容器内气体内能持续增加，周围气体被加热，聚集在弧根区域的高压以压力波的形式快速向周围空间传播，高温气体扩散至器壁处。压力传感器13获得的压力升持续增长，温度传感器12获得的温升在短时间后上升，温度维持在3000 K后随着电弧熄灭再次略微减小，最终降至2140 K。

（2）：在（1）的基础上开展含金属板的封闭容器内部短路燃弧试验。在未安装金属板的短路燃弧试验结束后，打开封闭容器上表面密封盖S1，将孔径

（3）分别使用孔径d为20mm、30mm、40mm的铁金属板重复（2）中的试验操作，通过上述在线监测设备获得燃弧过程中电流、弧压、容器内部压强、温度与辐射能量的变化情况与金属蒸气分布特征。安装相同孔径、不同材质金属板获得的压力升、最高温升、金属烧蚀量如图6（a）、图6（b）、图6（c）所示。由图6（a）、图6（b）可见，安装同样孔径的两种材质金属板，铜金属板对内部的压力升与温升的抑制效果均优于铁金属板，当孔径为20 mm时，安装铜金属板得到的最大压力升比安装铁金属板低5 kPa，最高温升降低260 K。由图6（c）可见，随着孔径增大，两种材质金属板熔化质量均有减少，且在同等孔径下，铜金属板熔化质量要高于铁金属板熔化质量，这是因为相较于铁，铜有着更低的熔点且蒸发所需的能量比铁更少。虽然铁熔化、蒸发所消耗的能量要高于铜，但铁蒸气发生氧化反应所释放的能量很大，根据内部能量的平衡机制，铁金属板蒸发产生铁蒸气过程中，供给到容器内部气体内能的那部分能量仍高于安装铜金属板时的情况。

在上述试验中，封闭容器内气体为空气，充气压为0.1 MPa。可在试验前更换内部气体、改变内部充气压，分析不同绝缘气体、充气压下，金属蒸气对内部热-力效应的影响规律。