本质安全型电路低电压放电机理实验平台及研究方法

技术领域

本发明涉及一种本质安全型电路低电压放电机理实验平台及研究方法，具体用于解析本质安全型电路低电压放电机理研究。

背景技术

随着物联网技术在易燃易爆危险场所的推广，本质安全型设备的应用快速增长，对于用电设备的安全性、供电设备的容量提升以及检验检测等都提出了更高的要求。本质安全型电路低电压放电的物理特性与传统的高电压放电有较大的区别，其潜在点燃易燃易爆气体的能力，为影响防爆电路本质安全性能的关键因素。本质安全型电路低电压放电引燃机理涉及物理、化学、电气工程和安全工程等多个学科。近年来，低电压电路的拓扑及参数优化控制的相关研究一直是本质安全型防爆电路研究的重点和难点。

传统的本质安全型电路的研究方法是利用示波器在IEC火花试验装置上采集大量实验波形，寻找总结放电间隙火花电流及电压等电参数的变化规律，根据典型的实验波形建立火花放电数学模型。该方法仅在电气角度阐释了本质安全型电路的放电特性，在放电的击穿机理、发展过程等方面没有更进一步的研究。

发明内容

发明目的：

解决上述传统的本质安全型电路研究方法存在的一些不足，本发明综合光学和电学多学科研究方法，对于本质安全型电路低电压放电基础理论建立提供更深层次的研究方法，同时对本质安全型电路中易燃易爆气体引燃机理的研究提供基础理论依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种本质安全型电路低电压放电机理实验平台，包括沿激光发射方向依次设置的激光干涉仪、光束扩展器、第一光分束器、电弧放电间隙装置、第二光分束器、摄像机；还包括记忆示波器、可调直流电源；

所述第一光分束器用于将激光分成测量光束和参考光束，测量光束进入电弧放电间隙装置；

所述电弧放电间隙装置的放电过程由可调直流电源供电，由记忆示波器记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据；

所述第二光分束器将电弧放电间隙装置出来的测量光束和第一光分束器出来的参考光束重新组合；

所述摄像机包括超高速相机、高速摄像机，超高速相机用于记录放电起始阶段的电弧建立的干涉图案，高速摄像机用于记录电弧放电过程。

进一步的，所述电弧放电间隙装置放置于密闭容器中，钨和镉分别作为阳极和阴极材料产生接触电弧放电，阳极可在阴极上接触具有滑动作用，以改变放电间隙距离。

一种用于解析本质安全型电路低电压放电机理的研究方法，包括如下步骤：

步骤1：激光干涉仪发出激光束通过光束扩展器和第一光分束器为实验提供测量光束和参考光束；

步骤2：所述测量光束通过配有电弧放电间隙装置的封闭容器，所述电弧放电间隙装置由可调恒流电源供电，由记忆示波器记录记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据；

步骤3：第二光分束器将电弧放电间隙装置出来的光束和第一光分束器出来的参考光束重新组合；

步骤4：利用超高速相机记录放电起始阶段的电弧建立的干涉图案，利用高速摄像机记录电弧放电过程。

有益效果：采用光谱分析和激光干涉法，能够通过高速摄像机获取放电起始阶段的电弧建立的干涉图像。通过建立起放电阶段电压电流随时间刻度的量化关系，获得低电压放电发展过程的功率和能量变化规律曲线，从而阐明了低电压放电的击穿特性。

附图说明

图1为该实验平台的框图；

图2为该实验平台的结构图：其中J为532nm激光干涉仪，I为可调恒流电源，B为记忆示波器，CA为放电间隙装置，M为密闭容器，K为光束扩展器，F1为第一光分束器，F2为第二光分束器，P1、P2、P3为平面镜，C为光束处理器，S1为超高速相机，S2为高速摄像机；

图3为电弧放电间隙装置的结构示意图：1、接线座；2、镉盘；3、钨丝；4、穿过磁盘的导线路径；5、槽；6、可燃气体外壳；接线座1和镉盘2的转速分别为80rpm、19.2rpm。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明将电弧放电间隙装置置于密闭容器中，借助光谱分析法和Mach-Zehnder干涉测量法，通过高速摄像机监测放电起始阶段的电弧建立过程；施加一定的外部电压，改变放电间隙距离、电极材料、电极形状等参量，采用记忆示波器，记录击穿电压、电流的数据。以放电间隙距离、电极材料、电极形状为自变量，以击穿电压、击穿电流为因变量，建立数值量化关系，探究以上三种不同变量下的低电压放电击穿。

参照IEC火花试验装置及检测方案和气体放电伏安特性测试方法，施加不同的给定电压和给定电流，采用记忆示波器，测定放电发展过程中间隙的伏安特性，建立放电发展阶段电压、电流随时间刻度的函数关系，揭示低电压放电发展过程的功率和能量变化规律。

电极材料可用铜电极材料，银电极材料以及铜钨合金材料。电极形状变量可分为条状，球状和圆锥状。本实施例以钨镉材料为参照。

钨和镉分别作为阳极和阴极材料，阳极可在阴极上接触具有滑动作用。此外，固定阴极块配有4自由度定位器，可进行精确调整，以便更可控的方式产生电弧。接触电弧装置的电极由可调节的恒流电源供电，更大程度地控制接触电弧消耗的能量。使用记忆示波器记录接触电弧的电压和电流波形，从而计算电弧中消耗的瞬时功率和总能量。

在实验过程中，532nm激光干涉仪J发出激光束通过光束扩展器K形成平面波，并通过第一光分束器F1将其分成测量光束和参考光束。测量光束通过体积为2.48L的密闭容器M。密闭容器内配有放电间隙装置CA，钨和镉分别作为阳极和阴极材料产生接触电弧放电，阳极可在阴极上接触具有滑动作用，放电过程由可调节直流电源供电I。通过改变电源电压电流，使用示波器B记录接触电弧的电压和电流数据波形，以改变的间隙参量为横坐标，以击穿电压、击穿电流为纵坐标建立量化关系。之后两个光束在第二分束器F2中重新组合，通过超高速相机S1记录干涉图案，利用高速摄像机S2记录电弧放电过程。

电弧放电间隙装置是标准化的火花测试装置(STA)，结构图参考附图3。

计算接触电弧消耗的能量，获得低电压放电能量变化规律。电弧的起点表示电压从0突然上升到V_fall。电弧结束表示当电流从i_arc弧下降到0并且电压达到V_end时。计算接触电弧消耗的总能量E_arc：

其中，V_fall为下降电压，t_end为放电截止时刻，i(t)为电弧电流，V_(t)为电弧电压。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。