一种真空开关弧后等离子体探针阵列诊断系统

摘要

本发明涉及一种真空开关弧后等离子体探针阵列诊断系统，属于断路器弧后等离子体电子密度诊断的探针系统。本发明主要包括：3*3探针阵列、真空腔体、探针阵列电路、火花开关控制盒、单片机控制板、电阻分压器以及弧后电流测量装置等。真空腔体与真空泵连接，真空泵将腔体内抽成真空环境。真空腔体的法兰接口连接探针阵列和火花开关，探针阵列和点火开关分别连接探针阵列PCB电路板和火花开关控制盒。火花开关控制盒和探针阵列PCB电路板连接单片机控制板来控制点火开关和探针阵列电路的导通。示波器检测探针阵列电路的导通、真空开关流过的电流、真空开关两端的弧压、探针阵列电路板采样电阻两端的电压变化以及弧后电流。真空泵将腔体内抽至真空环境。将示波器采集到的波形通过MATLAB波形截取和数据处理程序对波形进行处理，最终得到真空开关弧后电流波形及弧后不同时刻电子密度二维分布。

说明书

技术领域

本发明属于探针诊断领域，具体涉及一种真空开关弧后等离子体探针阵列诊断系统。

背景技术

真空开关是电力系统中关键部件之一，可以有效切断电力系统短路故障的短路电流。断路器的弧后阶段可以决定其能否成功切断故障电流，所以对真空开关开断过程中弧后阶段电流的测量显得尤为重要。目前，对断路器弧后阶段电流的测量方法主要有探针测量、光谱测量仪以及通过软件仿真模拟。

朗缪尔静电探针，作为常规的等离子体诊断工具，是最早应用于测量等离子体参数的诊断系统，其具有系统简单、造价低廉、使用方便、可测量的物理量丰富且有较高的空间分辨率等优点。探针测量等离子体参数有单探针、双探针和探针阵列等；单探针是最简单的一种形式，就是将加有一定偏压的一小段导电电极伸入到等离子体内部，用于收集电子或离子电流，并利用扫描电压方法获得其伏安特性曲线，经过电压转换可得到所测量位置的局部电子密度、电子温度、等离子体空间电位、热流、粒子流及它们的涨落等信息；双探针则是将偏压加载在两根相邻很近且深入等离子体内部的导电电极上，同样利用扫描电压的形式获得其伏安特性曲线，进而得出相应参数，由于双探针的两个探针头都是悬浮在等离子体中，受外界的影响小，因此测量的误差比较小，特别在强磁场和波加热条件下测量；探针阵列则是将数个单探针组合在一起，并且每个探针完全相同，每两个探针之间的间距大小相等。而且，单探针悬浮在等离子体内部，双探针之间加一个足够大的电压，其优点在于不需要测量探针的伏安特性曲线，就可以直接获得许多等离子体参数，具有更高的时间分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于真空断路器弧后等离子体诊断的探针阵列系统，该系统能够实现弧后电子密度的测量，提供一种用于弧后等离子体电位诊断的探针阵列系统。

本发明涉及一种用于弧后等离子体诊断的探针阵列系统，主要包括：真空泵、真空腔体、探针控制PCB电路板、火花开关控制盒、单片机控制板、示波器和探针阵列、直径20mm平板触头等。

该弧后等离子体探针阵列诊断系统，其探针阵列采用3*3阵列，即分为将探针分为三组，每组有三个探针，每组探针之间的间距相差10mm，第一组探针位于两触头边缘相切的中点位置，该阵列的探针采用具有高导热性的钼丝，所有探针通过高温绝热硅管然后利用环氧树脂板固定，相邻探针间距5mm。整个探针阵列通过绝缘尼龙螺柱支撑，放在平板触头的左侧。

进一步，利用3*3探针阵列，通过每组探针摆放位置不同来采集距离触头不同位置的弧后电流的电子密度，通过不同位置的采集到的电子密度数据的比较，进而判断出真空开关弧后阶段的电子密度的分布，最后将采集到的电子密度数据生成二维分布图，从而可以更加直观的看到弧后阶段电子密度的分布情况。

进一步，该弧后等离子体探针阵列诊断系统中，真空开关利用金属铜材质直径20mm的平板触头，平板触头与一般的纵磁触头和橫磁触头相比，直径更小，触头表面更加光滑，施加相同的电压会产生更大的电弧电流，从而也更容易测量到弧后阶段的电子密度。

进一步，该诊断系统通过高精密无感采样电阻两端电压的变化来反映探针阵列采集到真空开关弧后阶段的电子密度。利用采样电阻两端的电压变化，通过MATLAB数据处理程序，将电压变化转换成电子密度的变化。

进一步，该探针诊断系统的探针电路集成到一个PCB板上，每个探针利用直流隔离电源36V单独供电，控制电路采用5V直流隔离电源单独供电，尽最大可能减小各路探针之间的相互干扰。这样不仅提高了探针阵列电路结构的紧凑性，而且减少了外电路走线杂散电感的影响，大大降低了外部对采样电路的干扰。

进一步，该探针阵列诊断系统装有弧后电流测量装置，利用电流转移的思想测到弧后电流的变化。因此，可以将探针阵列采集到的弧后电子密度与弧后电流测量装置测到的弧后电流进行比较。对比两种情况测量到的结果差别，增加了该诊断系统的严谨性。

附图说明

图1为本发明的探针阵列诊断系统外电路连线图。

图2为的探针阵列电路原理图。

图3为本发明探针阵列系统数据处理流程。

图4为本发明探针阵列的摆放位置。

图5为本发明探针阵列电流波形图。

图6为本发明弧后t＝0时电子密度二维分布图。

图7为本发明弧后t＝12us时电子密度二维分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照附图1，一种弧后等离子体探针阵列诊断系统，包括真空泵(2)和真空腔体(1)，探针控制PCB电路板(6)，火花开关控制盒(7)，单片机控制板(8)，直径20mm平板触头(3)，探针阵列(5)，示波器(11)和测量弧压的电阻分压器(10)。

该弧后等离子体探针阵列诊断系统，其探针阵列(5)采用3*3阵列，即分为将探针分为三组，每组有三个探针，每组探针之间的间距相差10mm，第一组探针位于两平板触头(3)边缘相切的中点位置，该阵列的探针采用具有高导热性的钼丝，所有探针通过高温绝热硅管然后利用环氧树脂板固定，相邻探针间距5mm。整个探针阵列通过绝缘尼龙螺柱支撑，放在平板触头的左侧。最后，探针阵列通过真空腔体(1)法栏上的航空插头连接到探针阵列PCB电路板上，探针阵列的摆放位置如图4所示，

该诊断系统采用3*3探针阵列(5)，每组探针摆放在不同的位置，进而采集距离触头(3)不同位置的弧后电流的电子密度，通过不同位置的采集到的电子密度数据的比较，进而判断出真空开关弧后阶段的电子密度的分布，最后将采集到的电子密度数据生成二维分布图，从而可以更加直观的看到弧后阶段电子密度的分布情况。

该诊断系统通过高精密无感采样电阻两端电压的变化来反映探针阵列采集到真空开关弧后阶段的电子密度。利用采样电阻两端的电压变化，通过MATLAB数据处理程序，将电压变化转换成电子密度的变化。具体数据处理流程为：将示波器采集到的各组数据输入MATLAB程序中，画出整体波形，包括短路大电流、探针阵列电路导通信号、探针采集到的电压以及弧压。然后通过程序处理截取弧压迅速下降阶段的探针电流。最后经过公式将其转换为电子密度，并进行滤波处理。具体数据处理流程如图3所示，探针阵列采集到的电流波形如图5所示，探针阵列不同时刻的电子密度二维分布如图6、7所示。

探针阵列诊断系统的探针电路集成到一个PCB板上，每个探针利用36V直流隔离电源单独供电，控制电路采用5V直流隔离电源单独供电，尽最大可能减小各路探针之间的相互干扰。这样不仅提高了探针阵列电路结构的紧凑性，而且减少了外电路走线杂散电感的影响，大大降低了外部对采样电路的干扰。电路板采用220V交流供电，九路探针电路分别连接到测量部分、探针与控制部分。测量部分利用排线分别连接到示波器的探头上，探针通过十芯电缆连接到真空腔体法栏的航空插头上。探针阵列电路原理如图2所示。另外该探针阵列诊断系统装有弧后电流测量装置，利用电流转移的思想测量弧后电流，将探针阵列采集到的弧后电子密度与弧后电流进行比较，对比两种情况测量到的结果差别，增加了该诊断系统的严谨性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明的构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。