CN101196506B - 一种测试电触头材料电侵蚀性的装置 - Google Patents

Abstract

一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，它涉及一种研究电触头材料电侵蚀性能的测试设备。本发明包括电源、电气负载、控制电路、电触头动作执行机构和监测***以及电弧过程的控制与测量***。该测试设备可以方便地调整测试电路的电气参数和被检测的电触头对的动作参数，解决了现有电触头材料电侵蚀测试装置中存在的不能检测和控制电触头对的位移，不能实现电触头对接通和分断动作与电源位相关系的同步控制的问题。通过对检测过程中的电触头对的位移过程的精确控制和对电触头对接通和分断过程所对应的电源的位相角条件的严格限制，避免了电触头材料电侵蚀性能测试结果的离散性，为电触头材料电侵蚀机理的研究提供了设备手段和试验依据。

Description

一种测试电触头材料电侵蚀性的装置

技术领域

本发明涉及一种研究电触头材料电侵蚀性能的测试装置，属于机电一体化设备领域。

背景技术

尽管目前半导体器件在电气工业领域获得了越来越广泛的应用，但是在变配电领域，有触点电器依然占据主导地位。和半导体器件相比，有触点电器具有价格低廉，接触电阻小、绝缘性能好、抗过载能力强、动作直观可靠和抗干扰性能好的特点。但是由于在接通和分断操作过程中所伴随的电弧过程对有触点电器电触头材料的电侵蚀作用，有触点电器的电寿命和电力半导体器件相差甚远。提高有触点电器中电触头材料的耐电弧侵蚀能力和降低电触头材料的电侵蚀速率是提高有触点电器使用寿命和可靠性的关键因素之一。目前对不同电器产品中电触头材料电侵蚀速率的研究还主要停留在经验和反复试验的基础上。在新产品设计时首先是在已有产品的基础上进行改进，然后将制造出的样机送到检测站进行检测，根据检测结果再对样机进行调整。如此经过几个反复，最终得到经过优化的机械结构、动作特性与使用的电触头材料之间的优化配合。这种研究方式，经验的积累和研究人员的判断很重要，不但设计周期很长而且费用极高。

国内外的多个研究机构都设计和制造了有自己特色的研究电触头材料电侵蚀性能的专用实验设备。其中由西安交通大学电气工程学院荣命哲教授课题组(刘定新，李艳培，荣命哲，王小华，邹洪超.触点电接触性能测试装置的研制.贵金属.2005，26(4)：44-47；荣命哲，李艳培，刘定新，王小华.新型触点电接触性能测试***的研制.电工材料.2005(1)：17-21)设计制造的触点电接触性能测试***是这种设备的代表性产品。该测试***具有较高的先进程度，采用电磁激振器作为电触头对的动作执行机构，和常用的凸轮机械式和电磁铁推动的实验设备相比，这种操作方案可以灵活地设置电触头对接触过程的行程曲线，具有很强的通用性。但该***不能检测电触头对的位移响应曲线，无法实现对电触头对接通和分断操作与电源位相关系的同步之间的控制。

发明内容

本发明为解决现有对电触头材料电侵蚀速率的测试方法中存在的不能检测电触头对的位移，不具有电触头对接通和分断动作与电源位相关系的同步控制功能的问题，提供一种测试电触头材料电侵蚀性的装置。本发明包含电触头机械运动操作测试装置1、低电压恒流电源3、交流电源4、上位机5和可控硅开关7，可控硅开关7的阳极与交流电源4的第一电源端连接，可控硅开关7的阴极与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接，交流电源4的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接，可控硅开关7的控制信号输入端与数据采集卡6的控制信号输出端连接，低电压恒流电源3的正极端与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接，低电压恒流电源3的负极端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接，电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端与上位机5的数据采集卡6的第一电压信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端与上位机5的数据采集卡6的第二电压信号输入端连接，电流传感器15设置在电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端和第二电源端之间的电路上，电流传感器15的电流信号输出端与数据采集卡6的电流信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的熔焊力信号输出端与数据采集卡6的熔焊力信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的位移信号输出端与数据采集卡6的位移信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的电磁激振器力矩控制信号端与数据采集卡6的电磁激振器力矩控制信号输入端连接。

电触头机械运动操作测试装置(1)包含静触头底座(8-1)、动触头底座(8-2)、测力装置(9)、静触头(10)、动触头(11)、电磁激振器(20)、顶杆(20-1)、倒T型传动杆(20-2)、矩形框(20-3)和位移测量传感器(23)，测力装置(9)设置在电触头机械运动操作测试装置外壳体(1-1)的内侧壁的上端面上，测力装置(9)的熔焊力信号输出端与数据采集卡(6)的熔焊力信号输入端连接，静触头底座(8-1)设置在测力装置(9)下端面上，静触头(10)设置在静触头底座(8-1)上，静触头(10)的电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的一个电压信号输入端连接，电磁激振器(20)设置在电触头机械运动操作测试装置外壳体(1-1)的内侧壁的下端面上，电磁激振器(20)的力矩控制信号端与数据采集卡(6)的力矩控制信号输入端连接，顶杆(20-1)的下端设置在电磁激振器(20)的力矩输出端上，矩形框(20-3)设置在顶杆(20-1)的上端面上，倒T型传动杆(20-2)的下端设置在矩形框(20-3)的内部，倒T型传动杆(20-2)的上端从矩形框(20-3)上端的通孔穿过并与动触头底座(8-2)的下端固定连接，动触头(11)设置在动触头底座(8-2)上，动触头(11)的电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的另一个电压信号端连接，位移测量传感器(23)的测量端设置在动触头底座(8-2)上，以测量动触头(11)的位移变化，位移测量传感器(23)的位移信号输出端与数据采集卡(6)的位移信号输入端连接。

本发明的有益效果是：在电磁激振器操作机构的基础上增加了对测试电触头的位移检测电路，形成闭环控制，可以检测电触头在电侵蚀性能检测过程中的位移特性；增加了电触头接通和分断动作与电源位相关系的同步控制，可以避免在电触头接通和分断过程中由于电源电路相位的变化造成的电触头材料电侵蚀性能测试结果的离散；通过本发明还可在研究电压、电流强度、电路的功率因数、电触头接通和分断的速度、电触头接通和分断过程中电源的相位角等因素发生的变化对电触头材料电侵蚀过程的影响，再结合对电触头材料在电侵蚀过程中发生的组织结构变化和化学成份变化过程的分析方法的综合运用，为逐步深入研究电触头材料的电侵蚀机理提供了设备和方法手段。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；图2是电触头机械运动操作测试装置1的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、图2，本实施方式由电触头机械运动操作测试装置1、低电压恒流电源3、交流电源4、上位机5和可控硅开关7组成，可控硅开关7的阳极与交流电源4的第一电源端连接，可控硅开关7的阴极与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接，交流电源4的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接，可控硅开关7的控制信号输入端与数据采集卡6的控制信号输出端连接，低电压恒流电源3的正极端与电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端连接，低电压恒流电源3的负极端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接，电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端与上位机5的数据采集卡6的第一电压信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端与上位机5的数据采集卡6的第二电压信号输入端连接，电流传感器15设置在电触头机械运动操作测试装置1的第一电源端和第二电源端之间的电路上，电流传感器15的电流信号输出端与数据采集卡6的电流信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的熔焊力信号输出端与数据采集卡6的熔焊力信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的位移信号输出端与数据采集卡6的位移信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置1的电磁激振器力矩控制信号端与数据采集卡6的电磁激振器力矩控制信号输入端连接。交流电源4可采用工业交流电源；数据采集卡6可采用PCI14512E/500K-12bit-4CH型数据采集卡。

工作原理：接通交流电源4和可控硅开关7后电路只在电触头机械运动操作测试装置1的两个电触头之间形成断路，在两个电触头接触过程中测量得到的交流电源4的位相关系条件和两个电触头闭合过程的运动特性曲线在给定的相位角闭合电路，同时测量两个电触头的行程变化曲线以及两个电触头之间的电压电流波形曲线，计算出接通过程中的电弧功率；当两个电触头稳定闭合后，断开交流电源4并接通低电压恒流电源3，根据测得的电压降和电流值计算出接通状态下的接触电阻；再将低电压恒流电源3断开并接通交流电源4，控制两个电触头在特定的相位角分断，在分断过程中同时测量两个电触头的行程变化过程、两个电触头之间的熔焊力大小以及电弧过程的电流和电压波形，计算出分断过程中电触头对之间的电弧过程的功率变化和电弧过程的总能量的大小。

具体实施方式二：参见图1，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加了电容器组2，电容器组2的第一电源端与可控硅开关7的阳极连接，电容器组2的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置1的第二电源端连接。当交流电源4采用普通的交流电***时，具有简单直接、电源的波形条件好、对电压进行调节方便的优点；缺点是在一般条件下的实验室的电气容量有限、其实验电流水平多小于100A、而且频繁的接通与分断操作会对电路中的其它电气设备尤其是电子仪器和计算机设备产生严重的干扰、影响其使用寿命、测量精度或导致误操作；电容器组2可实现在不提高负载水平的条件下进行大电流实验，通过电容器组2预先贮能，然后再将贮存的能量统一释放出来，通过这种方法，对低压电接触设备的进行电弧侵蚀性能检测的能力可以很方便的达到较高的水平。首先根据测试过程中的电流大小计算出需要并联接入的电容器组的容量，然后对接入的电容器分别进行充电，将充电后的电容器并联，然后闭合电容器组2的控制开关，在两个电触头闭合时电容器组2放电，同时记录电触头两端的电压波形、电触头之间流过的电流的波形、计算出接通过程中电弧的功率和能量、测量和记录动触头闭合过程中的运动过程的行程曲线；然后断开电容器组2的控制开关，并接通低电压恒流电源3，测量两个电触头之间的接触电阻，同时对放电后的电容器组2充电；充电过程结束后断开低电压恒流电源3，闭合电容器组2的控制开关，当电容器组2的放电过程到达预定的相位角时控制两个电触头断开，同时测量和记录两个电触头断开过程中的运动过程的行程曲线，并同时测量两个电触头之间的熔焊力、电压和电流波形、计算出分断电弧的功率和能量。

具体实施方式三：参见图2，本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处在于电触头机械运动操作测试装置1包含静触头底座8-1、动触头底座8-2、测力装置9、静触头10、动触头11、电磁激振器20、顶杆20-1、倒T型传动杆20-2、矩形框20-3和位移测量传感器23，测力装置9设置在电触头机械运动操作测试装置外壳体1-1的内侧壁的上端面上，测力装置9的熔焊力信号输出端与数据采集卡6的熔焊力信号输入端连接，静触头底座8-1设置在测力装置9下端面上，静触头10设置在静触头底座8-1上，静触头10的电源端与电触头机械运动操作测试装置1的一个电压信号输入端连接，电磁激振器20设置在电触头机械运动操作测试装置外壳体1-1的内侧壁的下端面上，电磁激振器20的控制信号端与数据采集卡6的控制信号输入端连接，顶杆20-1的下端设置在电磁激振器20的力矩输出端上，矩形框20-3设置在顶杆20-1的上端面上，倒T型传动杆20-2的下端设置在矩形框20-3的内部，倒T型传动杆20-2的上端从矩形框20-3上端的通孔穿过并与动触头底座8-2的下端固定连接，动触头11设置在动触头底座8-2上，动触头11的电源端与电触头机械运动操作测试装置1的另一个电压信号端连接，位移测量传感器23的测量端设置在动触头底座8-2上，以测量动触头11的位移变化，位移测量传感器23的位移信号输出端与数据采集卡6的位移信号输入端连接。测力装置9可采用ICP 209C 11微型石英力传感器；电磁激振器20可采用HEV-20型20N高能激振器；位移测量传感器23可采用LC-2450型非接触式激光位移传感器。

具体实施方式四：参见图2，本实施方式与具体实施方式三的不同之处在于静触头10通过静触头夹持螺钉12-1与静触头底座8-1活动铆接，动触头11通过动触头夹持螺钉12-2与动触头底座8-2活动铆接。静触头10和动触头11分别采用静触头夹持螺钉12-1和动触头夹持螺钉12-2以活动铆接方式进行安装的，因而在测试的过程中可以很方便地按照设定的操作次数将静触头10和动触头11卸下称重，计算出电侵蚀过程中静触头10和动触头11的重量损失速率。

具体实施方式五：参见图2，本实施方式在具体实施方式三的基础上增加了动触头配重19，动触头配重19设置在动触头11和动触头底座8-2之间。动触头配重19是根据所模拟的实际电器产品中动触头运动机构的重量进行选择的，目的是弥补由于实验设备运动机构对连接结构的统一设计所带来的运动部件的重量的差异。这种重量上的差异将会影响到电触头接触过程中发生的弹跳现象，而弹跳过程的特性是和电触头材料的电弧侵蚀过程直接相关的。为了降低接触过程中的冲击，提高运动部件的运动速度，实际电器中的动触头机构的重量一般不会太大，当然大电流产品的动触头部件的重量会是小电流产品的数倍到数十倍，这种差异就需要通过在模拟设备中添加动触头配重来弥补。

具体实施方式六：参见图2，本实施方式在具体实施方式三的基础上增加了分离弹簧21和闭合弹簧22，分离弹簧21套接在倒T型传动杆20-2位于矩形框20-3内的部分上，闭合弹簧22套接在倒T型传动杆20-2位于矩形框20-3和动触头底座8-2之间的部分上。电磁激振器20推动闭合弹簧22使动触头11上升，静触头10和动触头11闭合后电磁激振器的顶杆20-1还将继续推进一段距离以模拟实际开关电器闭合过程中的运动超程。动触头11在实际闭合过程中的位移变化将通过位移传感器23进行实时测量，在测试设备中通过电磁激振器20对动触头11运动过程中行程曲线的控制和位移传感器实际检测到的行程数据之间的调节形成的闭环的控制***，可以补偿在动触头11运动***中使用的弹簧柔性推动过程在控制信号与执行结果之间造成的延迟，实现静触头10和动触头11的接通与分断过程与电路相位角之间的同步。对在检测过程中分离弹簧21和闭合弹簧22的倔强系数和预加载荷的大小都将根据实际电器中的参数进行调节。

Claims (5)

1.一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征在于它包含电触头机械运动操作测试装置(1)、低电压恒流电源(3)、交流电源(4)、上位机(5)和可控硅开关(7)，可控硅开关(7)的阳极与交流电源(4)的第一电源端连接，可控硅开关(7)的阴极与电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端连接，交流电源(4)的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电源端连接，可控硅开关(7)的控制信号输入端与数据采集卡(6)的控制信号输出端连接，低电压恒流电源(3)的正极端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端连接，低电压恒流电源(3)的负极端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电源端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端与上位机(5)的数据采集卡(6)的第一电压信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电源端与上位机(5)的数据采集卡(6)的第二电压信号输入端连接，电流传感器(15)设置在电触头机械运动操作测试装置(1)的第一电源端和第二电源端之间的电路上，电流传感器(15)的电流信号输出端与数据采集卡(6)的电流信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的熔焊力信号输出端与数据采集卡(6)的熔焊力信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的位移信号输出端与数据采集卡(6)的位移信号输入端连接，电触头机械运动操作测试装置(1)的电磁激振器力矩控制信号端与数据采集卡(6)的电磁激振器力矩控制信号输入端连接，

电触头机械运动操作测试装置(1)包含静触头底座(8-1)、动触头底座(8-2)、测力装置(9)、静触头(10)、动触头(11)、电磁激振器(20)、顶杆(20-1)、倒T型传动杆(20-2)、矩形框(20-3)和位移测量传感器(23)，测力装置(9)设置在电触头机械运动操作测试装置外壳体(1-1)的内侧壁的上端面上，测力装置(9)的熔焊力信号输出端与数据采集卡(6)的熔焊力信号输入端连接，静触头底座(8-1)设置在测力装置(9)下端面上，静触头(10)设置在静触头底座(8-1)上，静触头(10)的电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的一个电压信号输入端连接，电磁激振器(20)设置在电触头机械运动操作测试装置外壳体(1-1)的内侧壁的下端面上，电磁激振器(20)的力矩控制信号端与数据采集卡(6)的力矩控制信号输入端连接，顶杆(20-1)的下端设置在电磁激振器(20)的力矩输出端上，矩形框(20-3)设置在顶杆(20-1)的上端面上，倒T型传动杆(20-2)的下端设置在矩形框(20-3)的内部，倒T型传动杆(20-2)的上端从矩形框(20-3)上端的通孔穿过并与动触头底座(8-2)的下端固定连接，动触头(11)设置在动触头底座(8-2)上，动触头(11)的电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的另一个电压信号端连接，位移测量传感器(23)的测量端设置在动触头底座(8-2)上，以测量动触头(11)的位移变化，位移测量传感器(23)的位移信号输出端与数据采集卡(6)的位移信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征在于它增加了电容器组(2)，电容器组(2)的第一电源端与可控硅开关(7)的阳极连接，电容器组(2)的第二电源端与电触头机械运动操作测试装置(1)的第二电源端连接。

3.根据权利要求1所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征在于静触头(10)通过静触头夹持螺钉(12-1)与静触头底座(8-1)活动铆接，动触头(11)通过动触头夹持螺钉(12-2)与动触头底座(8-2)活动铆接。

4.根据权利要求1所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征在于电触头机械运动操作测试装置(1)增加了动触头配重(19)，动触头配重(19)设置在动触头(11)和动触头底座(8-2)之间。

5.根据权利要求1所述的一种测试电触头材料电侵蚀性的装置，其特征在于电触头机械运动操作测试装置(1)增加了分离弹簧(21)和闭合弹簧(22)，分离弹簧(21)套接在倒T型传动杆(20-2)位于矩形框(20-3)内的部分上，闭合弹簧(22)套接在倒T型传动杆(20-2)位于矩形框(20-3)和动触头底座(8-2)之间的部分上。

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