李兴文(1978—,男,副教授,博士,研究方向为电弧电接触理论及其应用和电力电子技术。
低压空气开关电弧现代测试技术的研究综述3李兴文,陈德桂,吐松江・卡日,李瑞(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西西安710049摘要:空气开关电弧是以空气为灭弧和绝缘介质的低压电器中最为复杂的物理现象。
针对电弧运动过程特别是电弧背后击穿现象、电弧温度、电弧组分及其浓度等方面,综述了CCD 和光纤阵列、光谱诊断技术及磁测试技术等低压空气开关电弧的现代测试技术的特点及其应用,并指出了空气开关电弧实验研究中所面临的几个问题。
关键词:电弧;测试;光谱;光纤阵列中图分类号:T M 501+.2文献标识码:A 文章编号:100125531(20080120006204Rev i ew of the I nvesti ga ti on on the M odern M ea surem en tTechnolog i es of L ow Volt age A i r Sw itch ArcL I X ingw en,CHEN D egui,TUSON GJ I AN G Kari,L I R ui(State Key Laborat ory of Electrical I nsulati on and Power Equi pment,Xi πan J iaot ong University,Xi πan 710049,ChinaAbstract:A ir s witch arc is the most comp lex phenomenon in l ow voltage electric apparatus using air asquenching and insulati on mediu m.W ith regarding t o arc moti on p r ocess,es pecially,arc back commutati on phe 2nomenon,arc te mperature,arc compositi on and the corres ponding concentrati on,the characteristics and app licati on of modern measurement technol ogies including CCD,op tical fiber array,s pectru m diagnostics and magnetic diag 2nostics were reviewed .Finally,s ome i m portant p r oble m s in the experi m ental studies of arc s witching arc were pointed .Key words:arc;m ea sure m en t ;spectru m;opti ca l f i ber array陈德桂(1933—,男,教授,博士生导师,研究方向为新型低压电器的研究和开发等。
吐松江・卡日(1985—,男,硕士研究生,研究方向为低压电器。
李瑞(1985—,男,硕士研究生,研究方向为放电等离子体及其应用技术。
3基金项目:国家自然科学基金项目资助(505070160概述空气开关电弧是以空气为灭弧和绝缘介质的低压电器中最复杂同时也是最关键的物理现象。
光、电、磁等科学和技术的发展,促进了电弧等离子体测试领域的研究。
近年来,CCD 、光纤阵列、光谱以及磁等非接触式现代测量技术已经应用到空气开关电弧等离子体的实验研究中,通过对电弧参数尤其是微观参数的测试,使人们对电弧等离子体的认识进一步深刻。
本文从电弧运动过程,特别是电弧背后击穿现象、电弧温度、电弧组分及其浓度等方面,综述了低压空气开关电弧现代测试技术的特点及其应用。
1CCD 与光纤阵列CCD 和光纤阵列主要用于测试电弧等离子体宏观参数,也就是电弧的运动过程。
CCD 作为一种传统的开关电弧测试手段,具有较高的时间和空间分辨率,拍摄速度一般为(10~20×103幅/s,而且新型的防磁和彩色CCD 的性能非常出色。
但在进行电弧测试时,有以下主要缺点:由于灭弧室的器壁一般是不透明的,要获得电弧运动图景,必须首先在器壁上开一个窗口,并用有机玻璃等透明材料重新覆盖上,这一方面破坏了实验样机的完整性,更重要的是有机玻璃和电弧之间的相互作用会影响等离子体的参数及灭弧室内的压力,这种影响随着电流的增加会愈加明显,如有时由于等离子体组分的变化可能会引起重击穿的发生。
然而至今,CCD 测试技术仍在开关电弧运动过程的实验研究中广泛应用[1]。
上世纪末,人们发现电弧背后击穿现象是制约低压电器分断性能提高的一个重要问题。
CCD 在认识电弧背后击穿现象的发生机理及其影响因素等方面的研究中,发挥过非常重要的作用[2]。
图1为针对一模型灭弧室,采用CCD 技术捕捉到的电弧背后击穿现象这一极为暂态的过程。
由图可见,当t =t 0时,电弧运动到栅片的前端,并试图进入栅片;在t =t 0+0.33m s 时刻,电弧进入栅片,然后,由于电弧背后区域的温度较高,仍有一定的导电性能,在电弧进入栅片、电弧电压不断升高的过程中,电弧背后区域被击穿,使得进入栅片的电弧被短路;在t =t 0+0.66m s 电弧重新在栅片外部形成。
图1利用CC D 技术拍摄到的电弧背后击穿过程文献[3,4]也利用CCD 研究电弧背后击穿现象,分析了触头间距、触头材料、灭弧室几何形状和恢复时间等对电弧背后击穿的影响。
和CCD 技术不同的是,利用光纤阵列测试电弧运动时,无需破坏灭弧室结构,且拍摄速度可达到106幅/s 。
其基本原理是,用光纤感测并传输电弧的光信号,并用光电二极管将光信号转换成电信号;然后将测量到的信息存贮起来,通过计算机接口上传到上位机中,这样就可以用专用的软件来模拟电弧的运动过程。
但是,一般来说,由于受到光纤数量的限制,光纤阵列测试设备的空间分辨率较低。
图2为光纤测试系统的一般结构[5]。
图2光纤阵列测试系统的结构文献[6~9]用各自研制的光纤测试装置对开关电弧运动进行了研究。
这些系统各有特点,如Shea 研制的系统可将电弧电流、电压等随时间变化的过程与电弧运动同步模拟;Mc B ride 通过图像处理可模拟出电弧运动过程的整体形态等。
与上述装置相比,本文研制的光纤系统主要特点为:在每根光纤的顶端加装非均匀介质纤维透镜以提高测试精度,且能将断路器动触头及动导电杆的转动过程同电弧运动同步动画模拟[9]。
利用研制的测试系统,对低压电器中的开关电弧现象进行了深入的研究,分析了交流接触器中不同的栅片结构和排布方式对电弧运动和重燃几率的影响,以及电弧初始燃烧位置、产气材料对电弧运动速度的影响等[10,11]。
2光谱测试技术常用的光谱测试方法有:吸收光谱、发射光谱、激光诱发荧光等,用于测试等离子体中的原子密度和分子温度、等离子体化学组成及电场强度分布等参数。
发射光谱可测试等离子体的温度和化学组分,其优点是设备相对较简单,仅需镜头、单色光镜或分光计、接收装置如光电倍增管或CCD;主要缺点是其测量原理上要求等离子体是光学薄层的,且处于LTE 状态,图3为该系统结果的原理图[5]。
和发射光谱相比,吸收光谱测试系统更为复杂。
首先,需要一个附加的激光光源,且接收装置要求也较高。
其优点是不要求被测等离子体处于LTE 状态,并可定量得到等离子体中的粒子浓度,此外,其时间分辨率仅取决于激光的脉冲宽度。
激光诱发荧光技术除了可在非LTE 状态下测量粒子浓度外,还可进行局部低温区域原子参数的测量,此外,该方法对单一气体和混合气体均有效。
但在高气压时需考虑激发态粒子间的碰撞对测量的影响,另外,该方法在测量等离子体的绝对密度时较为困难。
图3发射光谱的系统结构图文献[12]采用发射光谱技术,定性研究了电弧等离子体与周围气体间的相互作用。
文献[13]采用发射光谱的方法测量了孤立触头间的弧柱截面的温度分布。
文献[14]采用发射光谱的方法,通过对不同产气材料在电弧作用下产生的氢气量进行了定量测量,研究了器壁产气对电弧冷却的作用。
文献[15]利用吸收光谱测量了空气开关电弧等离子体中的铜、银和铁原子的浓度,并得到了电子温度。
文献[16]应用激光诱发荧光技术得到了电弧等离子体中的氢原子密度及电场强度分布。
可以看出,光谱技术作为一种先进的测试手段,在人们探索和认识开关电弧现象的过程中必将发挥更大的作用。
3光谱测试技术磁测试技术B rdys[17~19]等提出采用霍尔探针来测试空气开关电弧的运动,其基本原理是求解电磁场的逆问题。
假定电极、栅片和电弧均由连续的若干段线电流来描述,用B i ot 2Savart 定律就可给出一定电流时灭弧室中的每一点磁感应强度的表达式,然后通过测量特征点的磁场,就可确定电弧的大致形状。
他们利用该系统研究了低压断路器中的电弧重燃现象。
设备的时间分辨率可达106幅/s,所用的14个线性霍尔探针尺寸为4mm ×3mm ×1mm 、响应时间为1μs 、特性系数为20V /T 、供电电源为直流5V 。
值得一提的是,通过实验研究后发现,2.5k A 峰值电流下,当探针距离导体23mm 时,栅片等非线性铁磁物质的存在对测量结果的影响就很小了。
因此,适当增加探针和导体的距离,会消除铁磁物质对测量结果和精度的影响。
这样,就初步解决了磁测试技术在实际应用中的一个关键问题。
他们还通过CC D 拍摄电弧运动过程,校验了磁测试系统的有效性(见图4。
图4磁测试方法和CC D 测试方法的结果比较如何进一步更为直观、准确地描述电弧的形态,将是磁测试技术所面临的一个重要问题。
4结语综上所述,为了不断深入认识空气开关电弧这一复杂的物理现象,提高低压电器产品的性能,国内外学者对空气开关电弧进行了长期、持续地实验研究,采用的测试技术主要有CCD 和光纤阵列、光谱诊断技术及磁测试技术,不断地发现了其中的物理规律。
但是,在低压空气开关电弧的实验研究方面,以下问题尚需要进一步探讨:(1电弧与电极、栅片、产气材料之间的相互作用过程是目前空气开关电弧中的一个难点和热点问题。
主要是通过电弧的建模和仿真来了解其中的物理过程,然而,如何通过实验手段进一步认识该问题,并为仿真提供必要的数据和依据,需做进一步深入研究。
(2虽然人们对电弧的背后击穿现象和过零后的重燃现象进行了长期的研究,但在灭弧室体积不断减小、分断电流不断提高的背景下,如何通过小电流测试方法研制相应的测试设备,以认识这些现象发生的机理,是当前低压电器发展过程中所面临的一个重要问题。