高压直流大功率电弧及电烧蚀特性的实验研究.pdf

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1、第５期机电元件Ｖｏｌ畅３６Ｎｏ畅５２０１６年１０月ELECTROMECHANICALCOMPONENTSＯｃｔ畅２０１６试验与检测高压直流大功率电弧及电烧蚀特性的实验研究陈默，周学，乔鑫磊（哈尔滨工业大学军用电器研究所，哈尔滨，１５０００１）摘要：本文研制了一种永磁保持直动式触头高速分断机构，设计了其控制系统和测试分析软件，搭建了可以完成动态特性和电弧特性测量与分析任务的电弧实验系统。利用高速摄像机及数据采集卡分析了分断装置动态特性以及回跳特性，给出了分断及闭合速度与触头间隙等设计参数之间的关系；利用该

2、实验装置在阻性负载条件下，进行多次分断操作，提取燃弧时间和烧蚀量等参数，研究了不同燃弧条件对于电弧及电烧蚀特性的影响。研究结果可为继电器、接触器等电器的灭弧系统的设计提供依据。关键词：高速摄像；高速分断机构；电弧特性；烧蚀特性Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－６１３３．２０１６．０５．０１０中图分类号：ＴＮ７８４文献标识码：Ａ文章编号：１０００－６１３３（２０１６）０５－００４９－０５本课题设计的电弧实验系统结构框图如图１1引言所示。系统分为机械结构、硬件电路以及软件程电器作为一种自动控制

3、元件在军事、航天以序三个部分。其中，机械结构用来模拟接触器触及民用领域都有着广泛的应用，其寿命与可靠性头的闭合与分断；硬件电路实现线圈电压的调［１］往往会给系统带来重大影响。而导致电器失节、触头电压和电流以及线圈电流数据的采集；效的一个重要因素就是在开关过程中产生的电软件程序则完成了人机交互、数据分析、报表管［２］弧烧蚀。由于电弧燃弧过程的复杂性，及其对理等功能。触头烧蚀的随机性，使得电弧的理论研究十分困难，因此，电弧实验成为了电弧研究的重要手［３］段。进行电弧以及电烧蚀特性的实验研究，对于相关电弧理论

4、的验证和发展是具有非常重要意义的。国内外很多研究机构都开展了对电弧［４］的实验研究，并开发了相关的实验系统。本文结合国内外电弧实验系统的特点，设计了电弧实图１电弧实验系统总体框图验分析系统，并利用该系统进行电弧实验、分析电弧及电烧蚀特性［５］。2．1机械分断装置的设计机械结构原理图如图２所示。主要由双稳态2电弧实验系统设计电磁铁，桥式触头，可调永磁体，底座四部分组收稿日期：２０１６－０８－１７５０机电元件２０１６年成。双稳态电磁铁作为装置的动力部分，驱动动静触头的闭合分断；桥式触头模拟电器的触头结构，为

5、本系统的主要研究对象；可调永磁体提供磁场用以进行吹弧实验；底座提供了各个部分安装的基准平面。（ａ）“０”态图２系统机械结构原理图双稳态电磁铁：双稳态电磁铁的结构如图３所示。当电磁铁处于“０”态，动铁芯位于下方，根据磁路的相关理论，永磁体产生的磁通大多会流向下方的气隙，线圈上电后产生一个与永磁体磁通流向相反的磁通，永磁作用于动铁芯的力减（ｂ）“１”态小，当反向磁通大于永磁产生的磁通时，“０”态被图３双稳态电磁铁结构图打破，铁芯带动中轴向上运动，处于新的稳定状态，成为“１”态。桥式触头：双断点桥式触头由于其

6、优秀的灭弧效果以及较高的机械寿命在高压直流大功率电器领域中得到了广泛的应用。因此，本文所研制的高速分断机构也采用这种触头结构。本设计的触头结构示意图如图４所示。触头未闭合时，动触头由限位卡簧和预压弹簧固定。触头开距ｄ越小，预压弹簧缩量ｌ越大；触头开距ｄ越图４桥式触头结构图大，预压弹簧压缩量ｌ越小。预压弹簧压缩量会可调永磁体：永磁体与动静触头的位置关系影响触头分断时的速度。因此，该分断机构可以及其吹弧原理如图５所示。电流方向从左到右，通过改变触头间隙的方法来调节触头的分断速磁场方向由纸面外垂直指向纸面内，

7、由左手定则度。有关于触头间隙与分断速度之间的关系本判断，电弧受到的洛伦兹力方向向上，即电弧在文之后会进行相关的介绍。洛伦兹力的作用下被向上吹出断口。本装置永磁体和触头之间的距离可以通过永磁体卡具上第５期陈默等：高压直流大功率电弧及电烧蚀特性的实验研究５１的旋钮进行调节，改变磁感应强度，进而调节分机则负责采集触头形貌信息。电源模块负责为断机构的灭弧效果。控制电路，被测继电器线圈以及主回路的供电。2．3系统软件设计系统的上位机软件采用ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１０软件进行开发，软件分为动态特性测试、电弧特

8、性测试两个部分，主要实现了进行以上两项项测试分析任务时需要的人机交互、测试参数设置、测试流程控制、测试结果分析、分析结果保存等功能。系统软件框图如图７所示。（ａ）侧视图（ｂ）俯视图图５永磁体和触头结构位置示意图2．2系统硬件设计实验系统采用工业控制计算机搭配ＰＣＩ板卡作为控制核心，配合图像采集模块、电参数采集模块、供电模块等电路模块，实现对被测对象的图７系统软件框图测试功能。系统硬件结构框图如图６所示。动态特性测试：动态特性测试功能包括了线