低压断路器灭弧室温度检测

第17卷第4期

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2007年8月

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁北华航天工业学院学报

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

JournalofNorthChinaInstituteofAerospaceEngineering

Vol󰀁17No󰀁4

󰀁

󰀁Aug󰀁2007

低压断路器灭弧室温度检测

陈󰀁刚

1,2

󰀁󰀁刘教民󰀁󰀁谭东杰

13

(1.河北工业大学电机与电器研究所,天津300130;2.北华航天工业学院,河北廊坊065000;

3.中国石道科技研究中心,河北廊坊065000)

摘󰀁要:设计了基于光纤光栅传感系统的低压断路器灭弧室温度检测装置,实验测量出灭弧室温度数据,进行了数据的有限元分析,绘制出灭弧室内温度场分布图。关键词:低压断路器;温度场分析;灭弧室

中图分类号:TM51󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1673-7938(2007)04-0001-03

0󰀁引󰀁言

在低压断路器的结构中,动触头、静触头是一个基本元件,在静触头和动触头接触时,它们之间有一个接触电阻,当电流流过触头时,接触电阻的存在,要引起触头的发热,如果接触点的温度超过规定值,则会加速动、静触头接触处氧化,氧化结果又导致接触电阻上升,这样又促使发热、温度增加,因此国家标准规定了接触电阻数值,在这个范围内,不会造成氧化。当短路电流流过接触点时,这时接触点的温度不能超过触头的材料熔点,否则会使两触头之间产生熔焊,在故障电流时,无法很好完成开断任务。因此,对智能电器设备温升的测量及在线监测,可以保证设备可靠运行,大力开展智能电器温升的测量及在线监测研究是当务之急。

光纤光栅传感器是利用FBG的布拉格波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种波长调制型传感器。传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取信息,从而克服了强度调制型传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率波动的弱点。此外,光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高、重复性好、重量轻、探头尺寸小、结构紧凑、传输距离远(传感器到解调端可达几公里),适于在高温、腐蚀性或危险性环境下工作,并且多个光纤光栅串联与被测量结构制备在一起,可

基金项目:河北省科技攻关项目(05213517D-3);河北省教育厅科研项目(20003);中国石油天然气股份有限公司科技攻关项目(06-05A-01-02-01)收稿日期:2007-05-09

作者简介:陈󰀁刚(1966-),男,博士研究生,教授,河北廊坊人,研究方向为智能电器与网络通信。

以实现实时监测,在波分和时分复用情况下,多个光纤光栅只需一根数据总线,就可以实现对物理量的分布式测量等。这些特点是其它传感元件无法比拟的。由于光纤光栅传感器拥有众多的优点,因此它特别适合在电力工业、建筑业、航空航天业、船舶工业、医学、核工业等领域应用,具有重要的市场和应用价值。

1󰀁实验平台的搭建

采用将低压断路器接入热处理实验室供电线路末端,线路上接有5个热处理加热炉,共计额定功率19.5KW。采用破坏掉断路器一个触头灭弧室的绝缘胶木墙,将光纤光栅传感器设置于触头附近,用以尽可能贴近电弧燃烧处,感知电弧引起的触头附近温度的变化。

󰀂实验检测对象:DZ15LE-100󰀁4901低压断路器。工作参数:额定电压:380V󰀁50Hz,额定电流:63A;极限通断能力:380V500A;额定漏电动作电流:30mA;额定漏电部动作电流15mA;漏电动作时间<0.1s。

󰀂光线光栅解调器:MOI(MicronOpticInc)生产的sm125光纤光栅传感解调仪。该仪器是为了测量低速变化、温度和压力等参数设计的。1Hz的扫描频率,可允许在一根光纤上同时连接大于40个FBG传感器。同时,sm125也可以随时扩展到16个光学通道。

󰀂光纤光栅传感器:FBG-HV-T01高电压环境光栅温度传感器,中心波长:1523.631nm;温度灵敏度17pm󰀁 ;精度0.1 ;量程-50 ~120 ;线形度<0.8%;重复性<0.5%;检测环境温度13.4 。

将上述实验仪器、设备组成如图1所示实验

1!!

2007年8月北华航天工业学院学报󰀁󰀁第17卷

装置。长; T:温度灵敏度。

为了取得长时间工作下灭弧室电弧产生温度的变化,采取分三组测试温度变化,每组测五次断路时电弧温度的变化,检测结果如表1所示:

表1󰀁实际检测数据表

第一组测温度量次

TminTmax温升数

127.28.120.23

2345

28.3428.510.1727.7928.0.128.5828.740.1628.5128.850.34

第二组

TminTmax温升28.4828.950.4728.2228.980.7628.8229.100.2828.8829.230.3529.1329.240.11

第三组

TminTmax温升28.6129.340.7329.1229.510.3929.2229.480.2629.3229.720.429.5129.680.17

图1󰀁实验装置构成示意图

2󰀁实验数据的采集

按照上述搭建好实验平台后,通过设置MOI光谱软件后,得到图2所示的低压断路器工作时灭弧室温度全光谱图,图3为峰值探测值图。

3󰀁实验数据分析

由表中数据可看出,封闭的灭弧室内温度随着通断次数的增加,热量逐渐积累,温度逐渐上升;每次断开电路产生电弧所释放的能量不同,造成每次测出的温度变化不一致。灭弧室温度的变化主要是由于电弧具有能量,再燃弧的同时,通过热对流向灭弧室散发热量。3.1󰀁热对流的基本原理

热对流:液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的主要方式,气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生,是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。

在进行热分析时,对流一般作为面边界条件施

图2󰀁灭弧室全光谱图

加。对流换热的强度依据牛顿冷却定律,其基本计算公式是

q=hf(TS-TB)

󰀁󰀁其中:

q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量,称作热流密度;

hf称为换热系数,它表示在单位面积的固体表面上,当流体与固体表面之间的温度差为1K时,每单位时间内所传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱;单位是W󰀁mK自然对流情况下,气体对流换热系数范围是2~25W󰀁mK,强制对流情况下,换热系数大约比自然对流相应范围高1个数量级。

2

2

图3󰀁峰值探测值图

TS和TB分别为固体表面和流体的温度。3.2󰀁温度场分析工具

通过实验装置测得低压断路器触头产生电弧瞬间温度后,可以根据上面热分析原理对触头分断产生的温度场进行分析,分析方法为有限元分析方法,2!实验中,仪器直接测出来的是光谱,根据传感器的规格参数,按照下面公式计算出对应的温度。

tx=(󰀁x-󰀂M)󰀂1000󰀁 T+13.4

󰀁󰀁其中:tx:测量温度;󰀁x:测量波长;󰀂M:中心波

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第4期陈󰀁刚等:低压断路器灭弧室温度检测2007年8月

分析工具采用Ansoft公司的有限元软件进行温度场分析。AnsoftMaxwell软件包可以进行2D平面或轴对称模型、各向异性材料、传导和辐射边界条件等形式下的温度场分析。

在温度场求解器中,不同类型的边界条件对模型中温度分布的影响不同,分析时应根据世纪问题合理的设定边界条件。Maxwell温度场求解器中,用户可以选择的边界条件有:

(1)强加温度(EnforceTemperature),又称为狄里克莱边界条件,近似于导体表面与恒温装置相连接,在任何一种相变中,温度保持不变,相当于强加某一温度。

(2)表面热流密度(SurfaceHeatFlux),又称为诺依曼边界条件,默认为齐次诺伊曼边界条件(表面不通过热流密度)。当没有热量通过对称面时,用于模拟绝缘表面或对称边界。

(3)热对流(Convection):当流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混就会引起热对流,按照流动的原因可分为自然对流与强制对流。

(4)辐射(Radiation):是强非线性边界条件,通常用物体和周围环境间净热量变化来表述。3.3󰀁低压断路器温度场分析

低压断路器灭弧室内的温度变化适用的边界条件为热对流和辐射。

使用Maxwell软件进行低压断路器热分析时,将灭弧室作为分析对象,在Maxwell的画图模式下,定义图形规格为灭弧室实际测量长宽,按照实际大小画出触桥、触头以及电弧形状.材料属性设置为:触头的材料属性为AgCdO10,其热导率为370W󰀁mK,假设电弧也是由触头材料电离出来的离子体,设定其材料同触头,触桥的材料属性为Copper,背景为Air,见图4。

热激励和热边界条件设定为:电弧为热源,热值为3W󰀁m;触头、触桥的边界条件为Convection&Radiation(热对流和辐射),见图5。

图5󰀁a.热源设置界面

图5󰀁b.热边界条件设置界面

经过有限元计算,绘制出灭弧室内的温度场分布图,见图6。

图6󰀁灭弧室内燃弧期间温度场分布图

4󰀁结󰀁论

通过采用光纤光栅传感器对低压断路器灭弧室温度进行测量,可以减少电磁干扰,对数据进行分析后,采用AnsoftMaxwell软件对低压电器设备的温度场进行有限元分析方针,可以形象地得到设备内部温度场变化图形,并计算出温度的变化值,对于提高产品设计技术提供较好的参考。参考文献:

[1]LiXinfu,LiuJiaomin.EdgeDetectiononArcImageof

LowVotageApparatus[A].TheSecondInternationalConferenceonMachineLearningandCybernetics,Novem󰀂ber02-05,2003,Xi∀an,5:2921-2924.

图4󰀁材料属性设定

(下转第14页)

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3!2007年8月北华航天工业学院学报󰀁󰀁

程[M].北京:清华大学出版社,2005.

第17卷

4󰀁结󰀁语

单片机系统抗干扰设计是一种综合性设计。单片机系统的使用环境很复杂,在实际生产应用中遇到的问题也是多种多样的。要根据单片机应用系统的具体情况,采取相应的抗干扰措施,这样才能保证单片机系统的安全性和可靠性,才能保证单片机的正常运行。参考文献:

[1]李叶紫,王喜斌,胡辉,孙东辉.MCS-51单片机应用教

[2]李精华,陈胜权.单片机系统中的抗干扰分析及措施

[J].信息技术,2005,(8):138-145.

[3]单浩舫.单片机应用系统的抗干扰技术[J].科技与资

讯,2005,(27):.

[4]朱焕立,王殿龙.单片机控制系统中软件抗干扰的研究

[J].黄河水利职业技术学院学报,2006,(1):43-44.[5]冯江,温如春,易见兵.MCS-51单片机走飞的软件抗

干扰方法研究[J].江西理工大学学报,2006,(1):38-40.

Anti󰀂DisturbanceTechnologyinSingle󰀂ChipMicrocomputerSystem

TIANDong󰀂xing

(MaterialEngineeringDepartment,NorthChinaInstituteofAerospaceEnginerring,Langfang065000,China)

Abstract:Thisarticleintrouducesdisturbingsourcesinsingle󰀂chipmicrocomputer.Itreferstothemeasuresandmethodsofanti󰀂dis󰀂turbanceinthesingle󰀂chipmicrocomputersystemfromtwoaspectsofhardwareandsoftware.Keywords:single󰀂chipmicrocomputer;disturbingsource;anti󰀂disturbance

(上接第3页)

[2]LiuJiaomin,LiXinfu.AnApprochonSwitching

ArcImageEnhancementBasedonWavelet

st

Transform[A].Proceedingsof1InternationalConferenceonReliabilityofElectrialProductsandElectricalContacts,2004,Changsha,China.[3]赵杰,李新福,潘立冬.低压电器电弧投影温度

场的重建[J].低压电器,2006,(6):7-9,50.[4]陈振生,周骁威.智能电器温升的测量及在线

监测[J].电器开关,2003,(1):19-26.

[5]吴细秀,狄美华,李震彪.电流电弧作用下触头

表面热过程的数值计算[J].华中科技大学学报,2003,(2):93-96.

[6]周晓琴,李华强,刘杰.ANSYS三维热分析及

应用[J].武汉交通科技大学学报,1999,23(1):9-12.

[7]李广德,付刚,何文秀.大型水轮发电机定子三

维温度场计算[J].大电机技术,2000,(2):1-5.

TemperatureMeasurementofLow󰀂VoltageCircuitBreakerArc󰀂ExtinguishingChamber

CHENGang

1,2

󰀁󰀁LIUJiao󰀂min󰀁󰀁TANDong󰀂jie

13

(1.ElectricalApparatusResearchInstitute,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China;

2.NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering,Langfang065000,China;3.Scientific&TechnicalCenterofPetroChinaPipelineCompany,Langfang065000,China)

Abstract:Thepaperintroducesequipmentofexaminingtemperatureoflow󰀂voltagearc󰀂extinguishingchamber.Thesystemisbasedondistributedfibergratingsensor.Theexaminationgotsometemperaturedataofarc󰀂extinguishingchamber,processedthefiniteele󰀂mentanalysisoftemperaturefield,andplottedthetemperaturefieldgraphofarc󰀂extinguishingchamber.Keywords:low󰀂voltage;temperaturefieldanalysis;arc󰀂extinguishingchamber

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