专利名称：开关电器触头分断电弧试验方法及其装置的制作方法
开关电器触头分断电弧试验方法及其装置
(一) 技术领域 . 本发明涉及电弧试验技术，具体说就是一种开关电器触头分断电
弧试验方法及其装置
(二)
背景技术：
继电器作为 一种自动控制元件目前已广泛应用于军事和国民经 济各部门，是国防尖端技术、先进的工业和民用设备所不可缺少的基 本元件之一p继电器失效往往给系统带来重大的影响，因此继电器寿 命成为人们研究的焦点。影响继电器寿命的一个重要因素是触点分断 时产生的电弧烧蚀。研究触点电弧燃烧带来的烧蚀情况，根据烧蚀情 况分析影响寿命的因素、预测继电器的寿命具有重大的理论意义和实 用价值。然而，电弧燃烧过程是流场、热场、电场及磁场等多场耦合 问题，具有求解难度大，计算结果难以验证等难题。因此，电弧试验 装置的研究可以为深入理解燃弧机理、分析电弧特性，进而提出快速 灭弧的方法以提高继电器性能SJ可靠性提供有效支持。
由于影响电弧试验的因素很多，电弧试验的内容也就相当丰富。 试验环境气体成分(如空气、氮气、惰性气体以及它们按不同比例的 混合气体)、试验环境压强、触点分断速度、电弧功率等，都属于影 响电弧燃烧的因素，因此需要大量的试验来研究它们对电弧燃烧产生 的影响。国内外各电弧理论研究机构都展开了对电弧试验装置的开 发，但现有的装置都只能进行以上一项或几项影响因素的试验，而且 装置性能指标参差不齐，试验效率低，试验结果可信度无法保证，无 法为电弧理论研究提供有效保证。为此，研究一套功能完善、高效可 靠的电弧试验装置是十分必要的。 ，
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能指标均匀、试验效率高、试验结 果可靠、为电弧理论研究提供有效保证的开关电器触头分断电弧试验 方法及其装置。 '
本发明的目的是这样实现的它是由机械系统1和电跻系统2组 成的；机械系统1连接电路系统2。本发明开关电器触头分断电弧试验方法及其装置，还有以下技术 特征
(1) 所述的机械系统1包括传动单元3、试验环境控制单元4、
密封罩5和底座6;密封罩5和底座6通过螺钉连接，传动单元3置 于密封罩5和底座6构成的密封环境内，试验环境控制单元4连接底 座6。
(2) 所述的传动单元3包括步进电机7、滚珠丝杠8、动触头装 卡机构9、静触头装卡机构IO、滚动导轨ll、滑块12和弹簧13;步 进电机7连接滚珠丝杠8，动触头装卡机构9连接滚动导轨11，静触 头装卡机构10连接底座6，滚动导轨11连接滚珠丝杠8，滑块12连 接滚珠丝杠8，弹簧13连接动触头装卡机构9。
(3) 所述的试验环境控制单元4包括可调吹弧永磁体14、抽真 空机15、充气机16和真空表17;可调吹弧永磁体14连接底座6， 抽真空机16连接底座6，充气机16连接底座6，真空表17连接底座 6。
(4) 所述的电路系统2包括信号调理电路18、数据采集存储电— 路19、电机控制电路20、电弧控制电路21、微处理器22和工控机 23;信号调理电路18连接数据采集存储电路19，数据采集存储电路 19连接工控机23，电机控制电路20连接微处理器22，电弧控制电 路21连接微处理器22，微处理器22连接工控机23。
本发明一种开关电器触头分断电弧试验方法，包括继电器电弧试 验和模拟电弧试验。
本发明一种开关电器触头分断电弧试验方法，还有以下技术特 征(1)所述的继电器电弧试验，'步骤如下
步骤一将继电器固定于静触头装卡机构10;
步骤二系统初始化，'根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14) 位置；
步骤三将密封罩5与底座6紧密连接，先用抽真空机15抽尽
密封系统内空气，并用真空表17监测系统内气压；再利用充气机16
按本次试验要求的气体成分和比例充入气体； .
步骤四微处理器22发出控制信号给电弧控制电路21，供电电
6路闭合；
步骤五微处理器22控制继电器断弁，同时开始采集触点电压 和电流信号，信号经过信号调理电路18后送入数据采集存储电路19;
步骤六微处理器22发出控制信号给电弧控制电路21，供电电
路断开，试验结束。
(2)所述的模拟电弧试验，步骤如下
步骤一将静触头固定于静触头装卡机构IO，将动触头固定于 动触头装卡机构9;
步骤二系统初始化，根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14). 位置；
步骤三工控机23向微处理器22发送信号，设定触点分断速度 以及电弧供电电压和电流；
步骤四将密封罩5与底座6紧密连接，先用抽真空机15抽尽
密封系统内空气，并用真空表17监测系统内气压；再利用充气机16 按本次试验要^^的气体成分和比例充入气体；
步骤五微处理器22发出控制信号给电弧控制电路21，供电电
路闭合；
步骤六微处理器22控制歩进电机7开始转动，滑块12先加速 运动至预定速度，再匀速运动直至与动触头装卡机构9碰撞；
步骤七滑块12与动触头装卡机构9共同以原速度匀速向前运 动，同时在微控制器22控制下开始采集触点电压和电流信号，信号
经过信号调理电路18后送入数据采集存储电路19;
步骤八滑块12与动触头装卡机构9共同匀速运动一段距离直 至电弧熄灭后开始减速，并最终停止运动，微处理器22发出控制信 号给电弧控制电路'21，供电电路断开；
步骤九微处理器22控制步进电机7反转，滑块12返回初始位 置，动触头装卡机构9在弹黉13推力作用下回到初始位置。
本发明开关电器触头分断电弧试验方法，解决了电弧理论研究过 程中理论分析或计算结果难以验证的难题。本发明提出了一种继电器 电弧试验方法和一种模拟继电器电弧试验方法。利用装置可以测试不 同气压、保护气体、分断速度、触点电压和触点电流以及在三维空间存在不同强度的磁场吹弧情况下的电弧电特性，满足了电弧试验过程 中对各种试验条件的要求，解决了试验效率低、试验结果可信度差的 问题。本发明可以为深入理解燃弧机理、分析电弧特性，进而提出快 速灭弧的方法以提高继电器性能和可靠性提供有效支持。
(四)
图1为本发的机械系统结构示意图； 图2为本发明的电路系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1，结合图1、图2，本发明开关电器触头分断电弧试验
装置，它是由机械系统(1)和电路系统(2)组成的；机械系统(1)
连接电路系统(2)。
所述的机械系统(1)包括传动单元(3)、试验环境控制单元(4)、 密封罩(5)和底座(6);密封罩(5)和底座(6)通过螺钉连接， 传动单元(3)置于密封罩(5)和底座(6)构成的密封环境内，试 验环境控制单元(4)连接底座(6)。
所述的传动单元(3)包括步进电机(7)、滚珠丝杠(8)、动触 头装卡机构(9)、静触头装卡机构(10)、滚动导轨(11)、滑块(12) 和弹簧(13);步进电机(7)连接滚珠丝杠(8)，动触头装卡机构(9) 连接滚动导轨(11)，静触头装卡机构(10)连接底座(6)，滚动导 轨(11)连接滚珠丝杠(8)，滑块(12)连接滚珠丝杠(8)，弹簧(13) 连接动触头装卡机构(9)。 '
所述的试验环境控制单元(4)包括可调吹弧永磁体(14)、抽真 空机(15)、充气机(16)和真空表(17);可调吹弧永磁体(14)连 接底座(6)，抽真空机(16)连接底座(6)，充气机(16)连接底座 (6)，真空表(17)连接底座(6)。
所述的电路系统(2)包括信号调理电路(18)、数据采集存储电 路(19)、电机控制电路(20)、电弧控制电路(21)、微处理器(22) 和工控机(23);信号调理电路(18)连接数据采集存储电路(19)， 数据采集存储电路(19)连接工控机(23)，电机控制电路(20)连 接微处理器(22)，电弧控制电路(21)连接微处理器(22)，微处
8理器.(22)连接工控机(23)。
实施例2，结合图1、图2，本发明开关电器触头分断电弧试验 方法，包括继电器电弧试验和模拟电弧试验。
所述的继电器电弧试验，步骤如下.-
步骤一将继电器固定于静触头装卡机构(10);
步骤二系统初始化，根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)
位置；
步骤三将密封罩(5)与底座(6)紧密连接，先用抽真空机(15) 抽尽密封系统内空气，并用真空表(17)监测系统内气压；再利用充 气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体；
步骤四微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)， 供电电路闭合； '
步骤五微处理器(22)控制继电器断开，同时开始数据采集触 点电压和电流信号，信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存
储电路(19);
步骤六微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)，
供电电路断开，试验结束。
所述的模拟电弧试验，步骤如下
步骤一将静触头固定于静触头装卡机构(10)，将动触头固定 于动触头装卡机构(9);
步骤二系统初始化，根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14) 位置；
步骤三工控机(23)向微处理器(22)发送信号，设定触点分 断速度以及电弧供电电压和电流；
步骤四将密封罩(5)与底座(6)紧密连接，先用抽真空机(15) 抽尽密封系统内空气，并用真空表(17)监测系统内气压；再利用充 气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体；
步骤五微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)， 供电电路闭合；
步骤六微处理器(22)控制步进电机(7)开始转动，滑块(12) 先加速运动至预定速度，再匀速运动直至与动触头装卡机构(9)碰+血
f里；
步骤七滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同以原速度匀速 向前运动，同时在微控制器(22)控制下开始采集触点电压和电流信 号，信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤八滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同匀速运动一段 距离直至电弧熄灭后开始减速，并最终停止运动，微处理器(22)发 出控制信号给电弧控制电路(21)，供电电路断开；
步骤九微处理器(22)控制步进电机(7)反转，滑块(12) 返回初始位置，动触头装卡机构(9)在弹簧(13)推力作用下回到 初始位置。
实施例3，本发明所述的开关电器触头分断电弧试验装置，可以 进行不同触点材料(金、银等)、电弧室气体成分(空气、氮气、氦 气、氩气等)和压强、触点分断速度(广50cm/s)、分断功率(最大 电压270V，最大电流250A)以及存在各种磁吹情况下的电弧试验。
总体来说，装置有两项功能 一是进行继电器燃弧试验，即将继电器 置于电弧室内，在可控的环境下进行燃弧试验；二是模拟电弧试验， 即将一组触头(静触头和动触头)放在电弧室内，通过电机带动二者 发生相对运动来模拟电弧燃烧过程。
当进行继电器电弧试验时工作步骤如下 步骤一将继电器固定于静触头装卡机构(10); 步骤二系统初始化，根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14) 位置；
步骤三将密封罩(5)与底座(6)紧密连接，先用抽真空机(15)
抽尽密封系统内空气，并用真空表(17)监测系统内气压；再利用充 气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体；
步骤四微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21), 供电电路闭合；
步骤五微处理器(22)控制继电器断开，同时开始数据采集触 点电压和电流信号，信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存
储电路(19);
步骤六微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)，供电电路断开，试验结束。
当进行模拟电弧试验时工作步骤如下
步骤一将静触头固定于静触头装卡机构(10)，将动触头固定 于动触头装卡机构(9);
步骤二系统初始化，根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14) 位置；
步骤三工控机(23)向微处理器(22)发送信号，设定触点分 断速度以及电弧供电电压和电流；
步骤四将密封罩(5)与底座(6)紧密连接，先用抽真空机(15) 抽尽密封系统内空气，并用真空表(17)监测系统内气压；再利用充 气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体；
步骤五微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)， 供电电路闭合；
步骤六微处理器(22)控制步进电机(7)开始转动，滑块(12) 先加速运动至预定速度，再匀速运动直至与动触头装卡机构(9)碰 撞；
步骤七滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同以原速度匀速 向前运动，同时在微控制器(22)控制下开始采集触点电压和电流信 号，信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19);
步骤八滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同匀速运动一段 距离直至电弧熄灭后开始减速，并最终停止运动，微处理器(22)发 出控制信号给电弧控制电路(21)，供电电路断开；
步骤九微处理器(22)控制步进电机(7)反转，滑块(12) 返回初始位置，动触头装卡机构(9)在弹簧(13)推力作用下回到 初始位置。
实施例4，结合图1，本实施方式由密封罩(5)、底座(6)、步 进电机(7)、滚珠丝杠(8)、动触头装卡机构(9)、静触头装卡机构 (10)、滚动导轨(11)、滑块(12)、弹簧(13)、可调吹弧永磁体(14)、 抽真空机(15)、充气机(16)和真空表(17)组成。电弧试验过程 中，燃弧气体环境通过抽真空机(15)、真空表(17)和充气机(16) 进行控制。为了保证试验过程的可视性，密封罩(5)材料采用有机玻璃。密封罩(5)与底座(6)采用螺钉连接，且两者之间夹有垫片 以保证密封性。为了减少运动机构的摩擦阻力，传动丝杠釆用滚珠丝
杠(8)，导轨采用滚动导轨(11)。滚珠丝杠(8)、滚动导轨(11) 通过紧固件连接在一起并固定在底座(6)上。为了保证滑块(12) 与动触头装卡机构(9)碰撞后速度不变或基木不变，滑块(12)的 质量远远大于动触头装卡机构(9)的质量，并且电机能够提供足够 大的转矩。可调吹弧永磁体共有三个，置于三维坐标空伺中两两互相 垂直，并且每个永磁体在一个方向上位置可调，调节方式为手动调节， 调节范围2 10cm。弹簧(13)的作用在于保证滑块(12)与动触头 装卡机构(9)发生完全非弹性碰撞，即碰撞后二者速度一致，并且 碰撞后可以利用弹簧推力使动触头装卡机构(9)自动回到初始位置。 底座(6)上装有密封插头，整个机械系统(1)通过插头与电路系统 (2)通过密封插头连接，电路系统引出的信号线通过密封插头引入 机械系统内。
实施例5，结合图2，本实施方式包括信号调理电路(18)、数据 采集存储电路(19)、电机控制电路(20)、电弧控制电路(21)、微 处理器(22)和工控机(23)。为了可以获得燃弧过程中触点两端的 电压波形和流经触点的电流波形，利用数据采集存储电路(19)实时 采集存储触点电压和电流波形数据。由于触点电压和电流幅值较大， 为了满足数据采集卡对输入信号的要求同时保证采样精度，利用信号 调理电路(18)分别将触点电压和电流信号幅值调整到0 士5V范围 内。对于触点电压信号(0 270V)，采用分压方法进行信号调理。对于 触点电流信号(0 250A)，利用采样电阻将电流信号转换为电压信号， 再根据信号幅值的大小将电压信号经自动增益电路调理，然后送入数 据采集存储电路(19)中。通过数据采集存储电路(19)得到每次试 验过程中的触点电压和电流数据。数据采集存储电路(19)采用PCI 总线技术，整个电路集成于一块板卡插入工控机(23)的PCI总线插 槽中。该数据采集卡主控芯片采用PCI9054，-最高采样率1MSPS，模 拟输入信号电压范围土5V，分辨率2mV，支持内、外两种触发模式。 为了保证信号采集与电弧燃弧的同步性，本装置采用外触发模式。微 处理器(22)由10 口引出脉冲信号、方向控制儐号和脱机信号送入
12电机控制电路(20)中来控制步进电机的启停、转速和方向。为了保
证电弧供电回路的可控性，在电路中串入电力M0SFET，通过电弧控 制电路(21)控制电力M0SFET的通断从而控制整个电弧供电回路的 通断。
权利要求
1. 一种开关电器触头分断电弧试验方法及其装置，它是由机械系统(1)和电路系统(2)组成的；其特征在于机械系统(1)连接电路系统(2)。
2. 根据权利要求1所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置，所述的机械系统(1)包括传动单元(3)、试验环境控制单元(4)、 密封罩(5)和底座(6);其特征在于密封罩(5)和底座(6)通过螺钉连接，传动单元(3)置于密封罩(5)和底座(6)构成的密 封环境内，试验环境控制单元(4)连接底座(6)。
3. 根据权利要求2所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置，所述的传动单元(3)包括步进电机(7)、滚珠丝杠(8)、动触头 装卡机构(9)、静触头装卡机构(10)、滚动导轨(11)、滑块(12) 和弹簧(13);其特征在于步纽电机(7)连接滚珠丝杠(8),动触 头装卡机构(9)连接滚动导轨(11)，静触头装卡机构(10)连接底 座(6)，滚动导轨(11)连接滚珠丝杠(8)，滑块(12)连接滚珠丝 杠(8)，弹簧(13)连接动触头装卡机构(9)。
4. 根据权利要求2所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置， 所述的试验环境控制单元(4)包括可调吹弧永磁体(14)、抽真空机(15)、充气机(16)和真空表(17);.其特征在于:—可调吹弧永磁体 (14)连接底座(6)，抽真空机(16)连接底座(6)，充气机(16) 连接底座(6)，真空表(17)连接底座(6)。
5. 根据权利要求1所述的一种开关电器触头分断电弧试验装置， 所述的电路系统(2)包括信号调理电路(18)、数据采集存储电路(19)、 电机控制电路(20)、电弧控制电路(21)、微处理器(22)和工控 机(23);其特征在于信号调理电路(18)连接数据采集存储电路(19)，数据采集存储电路(19)连接工控机(23),电机控制电路(20) 连接微处理器(22)，电弧控制电路(21)连接微处理器(22)，微 处理器(22)连接工控机(23)。
6. —种开关电器触头分断电弧试验方法，其特征在于开关电 器触头分断电弧试验方法包括继电器电弧试验和模拟电弧试验。
7. 根据权利要求6所述的一种开关电器触头分断电弧试验方法，所述的继电器电弧试验，步骤如下步骤一将继电器固定于静触头装卡机构(10)r步骤二系统初始化，根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置；步骤三将密封罩(5)与底座(6)紧密连接，先用抽真空机(15) 抽尽密封系统内空气，并用真空表(17)监测系统内气压；再利用充 气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体；.步骤四微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)， 供电电路闭合；步骤五微处理器(22)控制继电器断开，同时开始数据采集触 点电压和电流信号，信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存 储电路(19);步骤六微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)， 供电电路断开，试验结束。
8.根据权利要求6所述的一种开关电器触头分断电弧试验方法，所述的模拟电弧试验，步骤如下步骤一将静触头固定于静触头装卡机构(10)，将动触头固定 于动触头装卡机构(9);步骤二系统初始化，根据试验要求调节可调吹弧永磁体(14)位置；、步骤三工控机(23)向微处理器(22)发送信号，设定触点分 断速度以及电弧供电电压和电流；步骤四将密封罩(5)与底座(6)紧密连接，先用抽真空机(15) 抽尽密封系统内空气，并用真空表(17)监测系统内气压；再利用充 气机(16)按本次试验要求的气体成分和比例充入气体；步骤五微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)， 供电电路闭合；步骤六微处理器(22)控制步进电机(7)开始转动，滑块(12) 先加速运动至预定速度，再匀速运动直至与动触头装卡机构(9)碰 撞；步骤七滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同以原速度匀速向前运动，同时在微控制器(22)控制下开始采集触点电压和电流信 号，信号经过信号调理电路(18)后送入数据采集存储电路(19); 步骤八滑块(12)与动触头装卡机构(9)共同匀速运动一段距离直至电弧熄灭后开始减速，并最终停止运动，微处理器(22)发出控制信号给电弧控制电路(21)，供电电路断开；步骤九微处理器(22) 空制步进电机(7)反转，滑块(12) 返回初始位置，动触头装卡机构(9)在弹簧(13)推力作用下回到 初始位置。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种性能指标均匀、试验效率高、试验结果可靠、为电弧理论研究提供有效保证的开关电器触头分断电弧试验方法及其装置。它是由机械系统和电路系统组成的；机械系统连接电路系统。本发明一种开关电器触头分断电弧试验方法及其装置，包括继电器电弧试验和模拟电弧试验。本发明解决了电弧理论研究过程中理论分析或计算结果难以验证的难题。提出了一种继电器电弧试验方法和一种模拟继电器电弧试验方法。满足了电弧试验过程中对各种试验条件的要求，解决了试验效率低、试验结果可信度差的问题。为深入理解燃弧机理、分析电弧特性，进而提出快速灭弧的方法以提高继电器性能和可靠性提供有效支持。
文档编号G01R31/327GK101487877SQ20091007143
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者信鹏皓, 叶雪荣, 学 周, 崔行磊, 岩 李, 翟国富, 赵晓东 申请人:哈尔滨工业大学