石墨電極氣體開關(guān)的充氣配比控制裝置、充氣裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨電極氣體開關(guān)的充氣配比控制裝置、充氣裝置及方法；充氣配比控制裝置包括第一可控壓力閥、第二可控壓力閥、第三可控壓力閥、第四可控壓力閥、第一氣壓傳感器、第二氣壓傳感器、第一機(jī)電控制器、第二機(jī)電控制器、控制終端，第一緩沖氣室、第二緩沖氣室和混合氣室。按照一定的惰性氣體設(shè)置方案，通過一定充氣配比方法，控制終端控制機(jī)電傳感器，使可控壓力閥動作，通過氣壓傳感器監(jiān)控壓力值，使緩沖氣室中的充入的氣體達(dá)到設(shè)定的氣壓值，最終在混合氣室中得到所需的完成配比的混合氣體，并完成對氣體開關(guān)的充氣。
【專利說明】
石墨電極氣體開關(guān)的充氣配比控制裝置、充氣裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于高電壓電工電器技術(shù)和脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種石墨 電極氣體開關(guān)的充氣配比控制裝置、充氣裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體間隙類開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)控方便的快速閉合開關(guān)，較之目前發(fā)展迅速 的半導(dǎo)體類開關(guān)，更適宜各種極端參數(shù)運(yùn)行環(huán)境。當(dāng)前間隙開關(guān)的一個發(fā)展趨勢是在特殊 環(huán)境下滿足更大的轉(zhuǎn)移能量或更高的轉(zhuǎn)移電荷量的應(yīng)用需求。
[0003] 石墨電極氣體開關(guān)是間隙開關(guān)的一種。石墨本身的熔點(diǎn)很高，與金屬鎢相當(dāng)，其燒 蝕的物相轉(zhuǎn)化以升華為主，不像金屬電極存在液化過程，且石墨碳的升華需要消耗相當(dāng)?shù)?熱能，升華后形成的游離碳可以與氧氣結(jié)合形成二氧化碳?xì)怏w不至于重新冷凝又復(fù)而污染 電極表面，因此石墨電極氣體開關(guān)具有較傳統(tǒng)金屬電極開關(guān)更優(yōu)越的耐電弧燒蝕能力，壽 命更長，被認(rèn)為能以較高的性價比來滿足數(shù)百千安、數(shù)百庫侖、數(shù)兆焦級高壓瞬態(tài)放電的工 況場合需求。公開文獻(xiàn)中已經(jīng)有滿足300~700kA通流峰值能力的石墨氣體開關(guān)實(shí)現(xiàn)方案報(bào) 道。
[0004] 但是，石墨是一種以碳共價鍵結(jié)合形成的無機(jī)非金屬材料，其燒蝕過程要依賴于 氣體間隙中的氧參與化學(xué)反應(yīng)，形成碳氧化物的廢氣，通過更換氣體來補(bǔ)充氧氣同時達(dá)到 清潔電極表面的目的。尤其在需要通過數(shù)百千安甚至兆安級的強(qiáng)大電流時，開關(guān)轉(zhuǎn)移電荷 量或能量很大，所消耗的石墨碳也更多，需要的氧氣也越多。否則，碳共價鍵被電弧熱力學(xué) 作用破壞后，在缺氧環(huán)境下，容易通過凝華作用形成游離態(tài)的固態(tài)碳而污染開關(guān)間隙，顯著 降低開關(guān)絕緣強(qiáng)度。此外，空氣中的氮在電弧引起的高溫高能量情況下，其原本穩(wěn)定的共價 鍵被破壞，游離態(tài)的氮原子會和氧形成氮氧化物，進(jìn)一步又會與空氣中的微量水分、開關(guān)附 屬的各種絕緣材料、密封材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)腐蝕，對開關(guān)結(jié)構(gòu)和絕緣強(qiáng)度造成破 壞。
[0005] 已經(jīng)公開報(bào)道的石墨電極開關(guān)方案都是采用密封的干燥壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)。 具體做法有兩種，一種是直接以自然空氣，經(jīng)過壓縮、干燥后充入密封的開關(guān)內(nèi)腔中，形成 高壓空氣間隙；另外一種是利用高壓氣瓶充氣，高壓氣瓶中的氣體是用液態(tài)氣化后的氧氣、 氮?dú)獍凑?:4的比例混合制成。這些供氣方法中的氧氮含量都是固定的，由于實(shí)際工況不 同，固定的氧氣含量可能無法讓消耗的碳完全轉(zhuǎn)化為廢氣排出。另一方面，這兩種做法都沒 有考慮放電過程中含氮產(chǎn)物對開關(guān)結(jié)構(gòu)的腐蝕。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨電極氣體開關(guān)的充氣配比 控制裝置、充氣裝置及方法，旨在解決目前常用供氣方法中的氧氮含量固定，可能無法讓消 耗的碳完全轉(zhuǎn)化為廢氣排出；同時沒有考慮放電過程中含氮產(chǎn)物對開關(guān)結(jié)構(gòu)腐蝕的問題。
[0007] 本發(fā)明提供了一種石墨電極氣體開關(guān)的充氣配比控制裝置，包括氧氣氣源、惰性 氣體氣源、第一可控壓力閥S1、第二可控壓力閥S2、第三可控壓力閥S3、第四可控壓力閥S4、 第一氣壓傳感器VI、第二氣壓傳感器V2、第一機(jī)電控制器Ml、第二機(jī)電控制器M2、控制終端 Cl，第一緩沖氣室AU第二緩沖氣室A2和混合氣室XI;所述第一可控壓力閥Sl的輸入端通過 氣管連接氧氣氣源，所述第一緩沖氣室Al的輸入端通過氣管連接至所述第一可控壓力閥Sl 的輸出端，所述第二可控壓力閥S2的輸入端通過氣管連接至所述第一緩沖氣室Al的第二輸 出端，所述混合氣室Xl的第一輸入端通過氣管連接至所述第二可控壓力閥S2的輸出端;所 述第一氣壓傳感器Vl的輸入端通過氣管連接至所述第一緩沖氣室Al的第一輸出端，所述第 一機(jī)電控制器Ml的壓力信號輸入端連接至所述第一氣壓傳感器Vl的輸出端，所述第一機(jī)電 控制器Ml的第一控制信號輸出端連接至Sl的控制端，所述第一機(jī)電控制器Ml的第二控制信 號輸出端連接至S2的控制端，所述第一機(jī)電控制器Ml的壓力信號輸出端和控制信號輸入端 均連接至所述控制終端Cl的第一端;所述第三可控壓力閥S3的輸入端通過氣管連接惰性氣 體氣源，所述第二緩沖氣室A2的輸入端通過氣管連接至所述第三可控壓力閥S3的輸出端， 所述第四可控壓力閥S4的輸入端通過氣管連接至所述第二緩沖氣室A2的第二輸出端，所述 混合氣室Xl的第二輸入端通過氣管連接至所述第四可控壓力閥S4的輸出端;所述第二氣壓 傳感器V2的輸入端通過氣管連接至所述第二緩沖氣室A2的第一輸出端，所述第二機(jī)電控制 器M2的壓力信號輸入端連接至所述第二氣壓傳感器V2的輸出端，所述第二機(jī)電控制器M2的 第一控制信號輸出端連接至第三可控壓力閥S3的控制端，所述第二機(jī)電控制器M2的第二控 制信號輸出端連接至第四可控壓力閥S4的控制端，所述第二機(jī)電控制器M2的壓力信號輸出 端和控制信號輸入端均連接至所述控制終端Cl的第二端。
[0008] 更進(jìn)一步地，所述第一緩沖氣室Al和所述第二緩沖氣室A2的容積相等;所述第一 緩沖氣室Al的壓力值
，所述第二緩沖氣室A2的壓力值PQ2 = kPQ1，其中，Po為緩沖 氣室壓力值，Vm為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需的氧氣氣體體積，Vo1為緩沖氣室Al的容積，k的取值范圍 為1~4〇
[0009] 更進(jìn)一步地，所述控制終端Cl包括：
[0010] 第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)氣體開關(guān)Tl的轉(zhuǎn)移電荷量Q計(jì)算每次放電石墨電極的碳 消耗質(zhì)量M=qm · Q;
[0011] 第二計(jì)算模塊，用于將所述碳消耗質(zhì)量M除以碳的原子量12后獲得所述碳消耗的 摩爾數(shù)，并根據(jù)所述碳消耗的摩爾數(shù)獲得所需氧氣的摩爾數(shù)Dm;根據(jù)碳與氧氣生成二氧化 碳的化學(xué)反應(yīng)式，可知所需氧氣的摩爾數(shù)Dm和石墨碳相同；
[0012]第三計(jì)算模塊，用于根據(jù)摩爾數(shù)Dm獲得所需氧氣的氣體體積VQ1 = DMX22.4;并根 據(jù)所需氧氣的氣體體積V ο i和緩沖氣室A1的容積V a i獲得第一緩沖氣室A1的第一壓力值
;根據(jù)惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k獲得第二緩沖氣室A2的第二壓力值P 02 = kPoi；
[0013]判斷模塊，用于判斷第一氣壓傳感器Vl實(shí)時檢測的第一緩沖氣室Al的壓力值是否 大于1.5PQ1，若是，則輸出第一控制信號，；若否，則輸出第二控制信號;判斷第二氣壓傳感器 V2實(shí)時檢測的第二緩沖氣室A2的壓力值是否大于1.5PQ2,若是，則輸出第三控制信號;若否， 則輸出第四控制信號；以及
[0014] 控制模塊，根據(jù)所述第一控制信號控制第一可控壓力閥SI關(guān)閉且第二可控壓力閥 S2打開;根據(jù)所述第二控制信號控制第二可控壓力閥S2關(guān)閉且第一可控壓力閥Sl打開;根 據(jù)所述第三控制信號控制第三可控壓力閥S3關(guān)閉且第四可控壓力閥S4打開;根據(jù)所述第四 控制信號控制第四可控壓力閥S4關(guān)閉且第三可控壓力閥S3打開;并當(dāng)所述第一緩沖氣室Al 的壓力值等于所述第一壓力值，且第二緩沖氣室A2的壓力值等于所述第二壓力值時，控制 第二可控壓力閥S2和第四可控壓力閥S4均打開，從而在所述混合氣室Xl中獲得完成配比后 所需的混合氣體。
[0015] 更進(jìn)一步地，所述惰性氣體氣源為氦氣或氬氣。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種基于權(quán)利要求1所述的充氣配比控制裝置的充氣配比控制方 法，包括下述步驟：
[0017] Sl:根據(jù)氣體開關(guān)Tl的轉(zhuǎn)移電荷量Q計(jì)算每次放電石墨電極的碳消耗質(zhì)量M = qm · Q；
[0018] S2:將所述碳消耗質(zhì)量M除以碳的原子量12后獲得所述碳消耗的摩爾數(shù)，并根據(jù)所 述碳消耗的摩爾數(shù)獲得所需氧氣的摩爾數(shù)Dm;
[0019] 根據(jù)碳與氧氣生成二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)式，可知所需氧氣的摩爾數(shù)Dm和石墨碳相 同；
[0020] S3:根據(jù)摩爾數(shù)Dm獲得所需氧氣的氣體體積VQ1 = DMX22.4;并根據(jù)所雲(yún)氬與的氣 體體積VodP第一緩沖氣室Al的容積Vm獲得第一緩沖氣室Al的第一壓力值
[0021 ]根據(jù)惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k獲得第二緩沖氣室A2的第二壓力值PQ2 = kP01; [0022] S4:判斷第一氣壓傳感器Vl實(shí)時檢測的第一緩沖氣室Al的壓力值是否大于1.5P01， 若是，則關(guān)閉第一可控壓力閥SI并打開第二可控壓力閥S2;若否，則關(guān)閉第二可控壓力閥S2 并打開第一可控壓力閥SI;判斷第二氣壓傳感器V2實(shí)時檢測的緩沖氣室A2的壓力值是否大 于1.5PQ2,若是，則關(guān)閉第三可控壓力閥S3并打開第四可控壓力閥S4;若否，則關(guān)閉第四可控 壓力閥S4并打開第三可控壓力閥S3;
[0023] S5:當(dāng)?shù)谝痪彌_氣室Al的壓力值等于所述第一壓力值，且第二緩沖氣室A2的壓力 值等于所述第二壓力值時，打開第二可控壓力閥S2和第四可控壓力閥S4，并在所述混合氣 室Xl中獲得完成配比后所需的混合氣體。
[0024] 更進(jìn)一步地，所述惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k為：
[0025] 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量低于100C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在4:1至3:1之 間；
[0026] 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在100C~180C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在3:1至 2:1之間；
[0027]當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在180C~300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在2:1至 1:1之間；
[0028] 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量大于300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在1:1左右。
[0029] 本發(fā)明還提供了一種基于上述的充氣配比控制裝置的充氣裝置，所述充氣裝置包 括充氣配比控制裝置、第五可控壓力閥S5、第六可控壓力閥S6、第三氣壓傳感器V3和第三機(jī) 電控制器M3;所述第五可控壓力閥S5的輸入端通過氣管連接至所述混合氣室Xl的輸出端， 所述第五可控壓力閥S5的輸出端用于連接氣體開關(guān)Tl的輸入端;所述第六可控壓力閥S6的 輸入端通過氣管連接至所述氣體開關(guān)Tl的輸出端，所述第六可控壓力閥S6的輸出端用于連 接廢氣排出管道;所述第三氣壓傳感器V3的輸入端通過氣管連接至所述氣體開關(guān)Tl的輸出 端，所述第三機(jī)電控制器M3的壓力信號輸入端連接至所述第三氣壓傳感器V3的輸出端，所 述第三機(jī)電控制器M3的第一控制信號輸出端連接至S5的控制端，所述第三機(jī)電控制器M3的 第二控制信號輸出端連接至S6的控制端，所述第三機(jī)電控制器M3的壓力信號輸出端和控制 信號輸入端均連接至所述控制終端Cl的第三端。
[0030] 更進(jìn)一步地，工作時，根據(jù)實(shí)際工況獲得開關(guān)工作的氣壓值，判斷第三氣壓傳感器 V3實(shí)時檢測的氣體開關(guān)Tl的壓力值是否大于所述氣壓值，若是，則關(guān)閉第五可控壓力閥S5 并打開第六可控壓力閥S6;若否，則關(guān)閉第六可控壓力閥S6并打開第五可控壓力閥S5,并完 成對氣體開關(guān)Tl的充氣。
[0031] 本發(fā)明還提供了一種基于上述的充氣裝置的充氣方法，包括下述步驟：
[0032] Sl:根據(jù)氣體開關(guān)Tl的轉(zhuǎn)移電荷量Q計(jì)算每次放電石墨電極的碳消耗質(zhì)量M = qm · Q；
[0033] S2:將所述碳消耗質(zhì)量M除以碳的原子量12后獲得所述碳消耗的摩爾數(shù)，并根據(jù)所 述碳消耗的摩爾數(shù)獲得所需氧氣的摩爾數(shù)Dm;
[0034] 根據(jù)碳與氧氣生成二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)式，可知所需氧氣的摩爾數(shù)Dm和石墨碳相 同；
[0035] S3:根據(jù)摩爾數(shù)Dm獲得所需氧氣的氣體體積Vo1 = Dm X 22.4;并根據(jù)所需氧氣的氣 體體積VMP第一緩沖氣室Al的容積Vm獲得第一緩沖氣室Al的第一壓力值
[0036] 根據(jù)惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k獲得第二緩沖氣室A2的第二壓力值PQ2 = kP01;
[0037] S4:判斷第一氣壓傳感器Vl實(shí)時檢測的第一緩沖氣室Al的壓力值是否大于1.5P01， 若是，則關(guān)閉第一可控壓力閥SI并打開第二可控壓力閥S2;若否，則關(guān)閉第二可控壓力閥S2 并打開第一可控壓力閥SI;
[0038]判斷第二氣壓傳感器V2實(shí)時檢測的緩沖氣室A2的壓力值是否大于1.5PQ2，若是，則 關(guān)閉第三可控壓力閥S3并打開第四可控壓力閥S4;若否，則關(guān)閉第四可控壓力閥S4并打開 第三可控壓力閥S3;
[0039] S5:當(dāng)?shù)谝痪彌_氣室Al的壓力值等于所述第一壓力值，且第二緩沖氣室A2的壓力 值等于所述第二壓力值時，打開第二可控壓力閥S2和第四可控壓力閥S4，并在所述混合氣 室Xl中獲得完成配比后所需的混合氣體；
[0040] S6:根據(jù)實(shí)際工況獲得開關(guān)工作的第三氣壓值，判斷第三氣壓傳感器V3實(shí)時檢測 的氣體開關(guān)Tl的壓力值是否大于所述第三氣壓值，若是，則關(guān)閉第五可控壓力閥S5并打開 第六可控壓力閥S6,多余氣體流入廢氣回收管道;若否，則關(guān)閉第六可控壓力閥S6并打開第 五可控壓力閥S5，混合氣室Xl中完成配比的混合氣體充入氣體開關(guān)Tl中，并最終完成對氣 體開關(guān)Tl的充氣。
[0041] 更進(jìn)一步地，所述惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k為：
[0042] 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量低于100C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在4:1至3:1之 間；
[0043] 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在IOOC~180C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在3:1至 2:1之間；
[0044] 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在180C~300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在2:1至 1:1之間；
[0045] 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量大于300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在1:1左右。
[0046] 本發(fā)明的技術(shù)效果是：
[0047] (1)不會使用高溫電弧下不穩(wěn)定的氮?dú)鉃槌錃饨橘|(zhì)，而改用更為穩(wěn)定的氦氣和氬 氣作為替代氣體，以人工合成方式形成開關(guān)絕緣氣體，進(jìn)而避免含氮產(chǎn)物的生成，以及其對 開關(guān)結(jié)構(gòu)件的腐蝕；
[0048] (2)可以根據(jù)開關(guān)工作狀況(通過開關(guān)電流所對應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移量)控制絕緣氣體中 的氧氣含量，當(dāng)開關(guān)通過較大轉(zhuǎn)移能量時，氧氣更為充沛有利于石墨碳在電弧燃燒時以碳 氧化物形式消耗，減少乃至防止固體碳顆粒物生成；
[0049] (3)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)絕緣氣體配比和充氣，并給出了科學(xué)的原理算法，可 以方便實(shí)現(xiàn)各種開關(guān)應(yīng)用環(huán)境下絕緣氣體的自動配比、充氣，提高效率。
【附圖說明】
[0050] 圖1是本發(fā)明裝置的原理示意圖，各種器件單元的說明見圖中標(biāo)注。
[0051 ]圖2是本發(fā)明中在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的混合氣體配比算法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0053] 本發(fā)明針對高功率大電流石墨電極氣體開關(guān)，提出一種石墨電極氣體開關(guān)的充氣 氣體配比方案和相應(yīng)充氣裝置。
[0054] 本發(fā)明提出一種高功率石墨電極氣體開關(guān)的充氣氣體配比方案和實(shí)現(xiàn)裝置。
[0055]本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0056] (1)不采用壓縮空氣直接作為氣體開關(guān)的絕緣氣體，而是利用人工配比的氧氣和 氬氣、氦氣等惰性氣體混合形成人工合成的絕緣氣體。本發(fā)明可以選擇氧氣加氬氣或者氧 氣加氦氣的混合氣體形式。原生氧氣、氬氣、氦氣都米用壓縮氣瓶供氣，或者液化氣罐供氣。
[0057] (2)混合氣體的配比可以人為控制，配比值的確定依據(jù)是氣體開關(guān)每次放電的轉(zhuǎn) 移電荷量和石墨電極的燒蝕速率。根據(jù)石墨電極的燒蝕速率和轉(zhuǎn)移電荷量計(jì)算石墨電極消 耗量，石墨電極消耗量越大，氧氣在混合氣體中所占的比例越多（以摩爾數(shù)計(jì)，可轉(zhuǎn)換為氧 氣質(zhì)量和體積）。具體一種石墨材料的燒蝕速率是相對穩(wěn)定的，每次放電轉(zhuǎn)移電荷量大小的 判定則是依據(jù)通過開關(guān)的電流波形絕對值對時間的積分。混合氣體的配比值可由計(jì)算機(jī) (比如可事先編好程序的單片機(jī))計(jì)算和控制。
[0058] (3)混合氣體的配比值實(shí)現(xiàn)依靠壓力等比混合法，即原生氣體先在各自的緩沖氣 室中充氣，緩沖氣室的容量相同，但充氣壓力不同，壓力比值等同于混合氣體的配比值，例 如，若氧氣和氦氣配比為1:4，則氧氣緩沖氣室和氦氣緩沖氣室中的氣壓也應(yīng)充到接近1:4 的值。緩沖氣室中充氣壓力的實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
[0059] 下面結(jié)合圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0060] 圖1中，充氣裝置包括氧氣氣源，惰性氣體氣源，可控壓力閥SI、S2、S3、S4、S5、S6， 氣壓傳感器￥1、￥2、￥3，機(jī)電控制器11、1213，控制終端(：1，緩沖氣室41)2，混合氣室乂1。其 中氣源、可控壓力閥、氣壓傳感器、緩沖氣室、混合氣室以及氣體開關(guān)Tl之間通過氣管構(gòu)成 氣路;機(jī)電控制器Ml、M2、M3通過電路分別控制可控壓力閥SI、S2、S3、S4、S5、S6;氣壓傳感器 ￥1、￥2、￥3，機(jī)電控制器[12、13和控制終端(：1之間通過光信號或電信號形成信號通路。高 壓壓縮氣體可以是充于高壓氣罐或液壓氣罐中。緩沖氣室Al和A2的容積是相同的，Al和A2 內(nèi)部氣壓由氣壓傳感器Vl和V2分別實(shí)時測得，并轉(zhuǎn)換成電信號或光信號分別傳送給機(jī)電控 制器Ml和M2。
[0061 ]機(jī)電控制器Ml和M2用于控制緩沖氣室Al和A2內(nèi)的氣壓，采用自反饋補(bǔ)償模式，其 工作原理是：
[0062]機(jī)電控制器Ml和M2接收控制終端Cl傳送下達(dá)的氣壓閾值，不斷地將該閾值與接收 到的氣壓傳感器Vl和V2的氣壓值進(jìn)行比較，若氣壓傳感器測得的緩沖氣室內(nèi)部氣壓低于下 達(dá)的氣壓閾值，則用于進(jìn)氣的可控壓力閥Sl和S3保持開通，而用于出氣的S2和S4保持關(guān)閉； 若氣壓傳感器測得的緩沖氣室內(nèi)部氣壓達(dá)到或超過下達(dá)的氣壓閾值，則Sl和S3也關(guān)閉。 [0063] 進(jìn)一步，S2和S4先后開通，在混合氣室內(nèi)將氧氣和惰性氣體混合，混合后的絕緣氣 體即可用于氣體開關(guān)Tl的使用。
[0064]如果開關(guān)和氣室不在同一地點(diǎn)，混合氣室內(nèi)的混合氣體可以重新壓縮形成灌注形 成高壓氣瓶，供異地的氣體開關(guān)使用，對此本發(fā)明不在贅述。
[0065]機(jī)電控制器M3用于控制氣體開關(guān)Tl內(nèi)的氣壓，其工作原理與前兩個機(jī)電控制器相 同，即，M3接收計(jì)算器Cl傳送下達(dá)的氣壓閾值，不斷地將該閾值與接收到的氣壓傳感器V3的 氣壓值進(jìn)行比較，若V3測得的開關(guān)Tl內(nèi)部氣壓低于下達(dá)的氣壓閾值，則用于進(jìn)氣的可控壓 力閥S5開通，而用于出氣的S6保持關(guān)閉；若V3測得的開關(guān)Tl內(nèi)部氣壓達(dá)到或超過下達(dá)的氣 壓閾值，則S5關(guān)閉，由于S6也處于關(guān)閉狀態(tài)，開關(guān)Tl內(nèi)的絕緣氣體氣壓保持穩(wěn)定。
[0066] 圖1中默認(rèn)混合氣室Xl內(nèi)的氣壓高于氣體開關(guān)Tl內(nèi)氣壓，由此形成充氣效果。
[0067] 計(jì)算機(jī)Cl是控制氣體配比和充氣氣壓的核心，其算法原理如圖2所示，以下結(jié)合圖 2進(jìn)行步驟說明。
[0068] (1)圖2中，通過氣體開關(guān)Tl的電流絕對值對時間的積分，其中電流絕對值根據(jù)實(shí) 際工況獲得，計(jì)算開關(guān)的轉(zhuǎn)移電荷量，BP:
[0069] Q = /|i(t) |dt (1)
[0070] 這里Q是每次放電的轉(zhuǎn)移電荷量，i (t)是每次放電電流對時間的函數(shù)，具體表現(xiàn)到 波形上是橫軸為時間，縱軸為各個時刻電流的波形。電流波形可以利用示波器通過1次放電 實(shí)測，也可以在已知電路參數(shù)的情況下，通過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算獲得。需要特別注意，式（1)中 是對電流絕對值進(jìn)行積分。
[0071] (2)根據(jù)開關(guān)的轉(zhuǎn)移電荷量Q計(jì)算每次放電石墨電極的碳消耗量(質(zhì)量單位，克或 者毫克），根據(jù)公開文獻(xiàn)，在20庫侖以上的單次轉(zhuǎn)移電荷量情況下，石墨電極每庫侖消耗的 碳質(zhì)量是一定的，因此有：
[0072] M = qm · Q......(2)
[0073] 這里M是每次放電的石墨碳消耗質(zhì)量，qm是每庫侖消耗的碳質(zhì)量，有些文獻(xiàn)中也稱 其為燒蝕速率，不同的石墨燒蝕速率也不相同，一般在I. 〇mg/C(毫克/庫侖）~2. Omg/C之 間。注意，石墨碳的消耗量必須是以一對電極（陰極和陽極)而言的。
[0074] (3)將碳消耗質(zhì)量M換算成摩爾數(shù)，方法是將M除以碳的原子量12,例如每次放電消 耗120mg石墨，則摩爾數(shù)是10 X ΙΟΛιοΙ。根據(jù)碳與氧氣生成二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)式，則所需 氧氣的摩爾數(shù)Dm和石墨碳相同，也同樣是10 X l(T3mol，換算成氧氣質(zhì)量則乘以氧氣的分子 量32即可，即320mg。
[0075] (4)計(jì)算摩爾數(shù)為Dm的氧氣標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積Vo1，有：
[0076]
[0077] 控制溫度一定的情況下，進(jìn)一步根據(jù)緩沖氣室Al的容積Vm換算成相應(yīng)的壓力值 P01，利用氣體狀態(tài)方程有：
[0078]
[0079] 其中Po為標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)。氣壓值~將作為圖1中機(jī)電控制器Ml的設(shè)置依據(jù)，控制終端Cl 會把此氣壓值通過信號通路下發(fā)到機(jī)電控制器Ml中，以前述自反饋補(bǔ)償模式充氣。作為優(yōu) 選，建議緩沖氣室Al中的氣壓閾值設(shè)定要高于Po 1，可乘以一個大于1的系數(shù)，例如1.5,以確 保在各種管路占用部分氧氣的情況下，氣體開關(guān)Tl內(nèi)氧氣提供充分。
[0080] (5)根據(jù)實(shí)際配比方案，按照（1)-(4)中的方法，設(shè)置緩沖氣室A2中的氣壓值，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)氣體開關(guān)Tl中混合氣體的配比。不能以純氧充入氣體開關(guān)Tl，必須有惰性氣體進(jìn)行配 比。本發(fā)明根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以氬氣和氦氣為例，建議以下惰性氣體設(shè)置方案：
[0081] a)單次轉(zhuǎn)移電荷量低于100C情形下，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在4:1至 3:1之間；
[0082] b)單次轉(zhuǎn)移電荷量在100C~180C情形下，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在3: 1至2:1之間；
[0083] c)單次轉(zhuǎn)移電荷量在180C~300C情形下，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在2: 1至1:1之間；
[0084] d)單次轉(zhuǎn)移電荷量在大于300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在1:1左右， 若通過氣體開關(guān)的電流峰值大于500kA，可進(jìn)一步考慮降低惰性氣體的混合體積，建議以試 驗(yàn)驗(yàn)證為依據(jù)。
[0085]例如對于單次轉(zhuǎn)移100C電荷量，充入氬氣和氧氣體積比例為3:1。根據(jù)式(2)計(jì)算 消耗碳質(zhì)量M，利用式(4)換算成緩沖氣室Al的氣壓閾值，為1.5PQ1，所以有緩沖氣室A2的氣 壓閾值為4.5P Q1。通過控制終端對氣壓傳感器的檢測和機(jī)電控制器的控制，機(jī)電控制器對可 控壓力閥動作，最終實(shí)現(xiàn)混合氣室Xl中氬氣和氧氣摩爾比例為3:1，并通入氣體開關(guān)中。
[0086]使用本發(fā)明的石墨電極氣體開關(guān)的充氣氣體配比方法和充氣裝置，可以根據(jù)實(shí)際 工況合理的調(diào)配氣體開關(guān)中氧氣和惰性氣體的配比，在保證有足夠的氧氣使消耗的碳轉(zhuǎn)化 為廢氣排出的同時，有效地防止含氮產(chǎn)物與開關(guān)附屬的各種絕緣材料、密封材料發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)，形成化學(xué)腐蝕，對開關(guān)結(jié)構(gòu)和絕緣強(qiáng)度造成破壞。同時該充氣裝置安裝簡單，使用方 便，適用于各種使用氣體開關(guān)的系統(tǒng)。
[0087]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種石墨電極氣體開關(guān)的充氣配比控制裝置，其特征在于，包括氧氣氣源、惰性氣體 氣源、第一可控壓力閥S1、第二可控壓力閥S2、第三可控壓力閥S3、第四可控壓力閥S4、第一 氣壓傳感器VI、第二氣壓傳感器V2、第一機(jī)電控制器Ml、第二機(jī)電控制器M2、控制終端C1，第 一緩沖氣室A1、第二緩沖氣室A2和混合氣室XI; 所述第一可控壓力閥S1的輸入端通過氣管連接氧氣氣源，所述第一緩沖氣室A1的輸入 端通過氣管連接至所述第一可控壓力閥S1的輸出端，所述第二可控壓力閥S2的輸入端通過 氣管連接至所述第一緩沖氣室A1的第二輸出端，所述混合氣室XI的第一輸入端通過氣管連 接至所述第二可控壓力閥S2的輸出端； 所述第一氣壓傳感器VI的輸入端通過氣管連接至所述第一緩沖氣室A1的第一輸出端， 所述第一機(jī)電控制器Ml的壓力信號輸入端連接至所述第一氣壓傳感器VI的輸出端，所述第 一機(jī)電控制器Ml的第一控制信號輸出端連接至S1的控制端，所述第一機(jī)電控制器Ml的第二 控制信號輸出端連接至S2的控制端，所述第一機(jī)電控制器Ml的壓力信號輸出端和控制信號 輸入端均連接至所述控制終端C1的第一端； 所述第三可控壓力閥S3的輸入端通過氣管連接惰性氣體氣源，所述第二緩沖氣室A2的 輸入端通過氣管連接至所述第三可控壓力閥S3的輸出端，所述第四可控壓力閥S4的輸入端 通過氣管連接至所述第二緩沖氣室A2的第二輸出端，所述混合氣室XI的第二輸入端通過氣 管連接至所述第四可控壓力閥S4的輸出端； 所述第二氣壓傳感器V2的輸入端通過氣管連接至所述第二緩沖氣室A2的第一輸出端， 所述第二機(jī)電控制器M2的壓力信號輸入端連接至所述第二氣壓傳感器V2的輸出端，所述第 二機(jī)電控制器M2的第一控制信號輸出端連接至第三可控壓力閥S3的控制端，所述第二機(jī)電 控制器M2的第二控制信號輸出端連接至第四可控壓力閥S4的控制端，所述第二機(jī)電控制器 M2的壓力信號輸出端和控制信號輸入端均連接至所述控制終端C1的第二端。2. 如權(quán)利要求1所述的充氣配比控制裝置，其特征在于，所述第一緩沖氣室A1和所述第 二緩沖氣室A2的容積相等； 所述第一緩沖氣室A1的壓力值，所述第二緩沖氣室A2的壓力值PQ2 = kP01， 其中，P〇為緩沖氣室壓力值，VA1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需的氧氣氣體體積，VQ1為緩沖氣室A1的容 積，k的取值范圍為1~4。3. 如權(quán)利要求1或2所述的充氣配比控制裝置，其特征在于，所述控制終端C1包括： 第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)氣體開關(guān)T1的轉(zhuǎn)移電荷量Q計(jì)算每次放電石墨電極的碳消耗 質(zhì)量M=qm · Q; 第二計(jì)算模塊，用于將所述碳消耗質(zhì)量Μ除以碳的原子量12后獲得所述碳消耗的摩爾 數(shù)，并根據(jù)所述碳消耗的摩爾數(shù)獲得所需氧氣的摩爾數(shù)Dm;根據(jù)碳與氧氣生成二氧化碳的 化學(xué)反應(yīng)式，可知所需氧氣的摩爾數(shù)Dm和石墨碳相同； 第三計(jì)算模塊，用于根據(jù)摩爾數(shù)Dm獲得所需氧氣的氣體體積VQ1 = Dm X 22.4;并根據(jù)所需 氧氣的氣體體積VQ1和緩沖氣室A 1的容積VA1獲得第一緩沖氣室A 1的第一壓力值;根據(jù)惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k獲得第二緩沖氣室A2的第二壓力值Ρ 02 = kPoi; 判斷模塊，用于判斷第一氣壓傳感器VI實(shí)時檢測的第一緩沖氣室A1的壓力值是否大于 1.5PQ1，若是，則輸出第一控制信號，；若否，則輸出第二控制信號;判斷第二氣壓傳感器V2實(shí) 時檢測的第二緩沖氣室A2的壓力值是否大于1.5P Q2,若是，則輸出第三控制信號;若否，則輸 出第四控制信號；以及 控制模塊，根據(jù)所述第一控制信號控制第一可控壓力閥S1關(guān)閉且第二可控壓力閥S2打 開;根據(jù)所述第二控制信號控制第二可控壓力閥S2關(guān)閉且第一可控壓力閥S1打開;根據(jù)所 述第三控制信號控制第三可控壓力閥S3關(guān)閉且第四可控壓力閥S4打開;根據(jù)所述第四控制 信號控制第四可控壓力閥S4關(guān)閉且第三可控壓力閥S3打開;并當(dāng)所述第一緩沖氣室A1的壓 力值等于所述第一壓力值，且第二緩沖氣室A2的壓力值等于所述第二壓力值時，控制第二 可控壓力閥S2和第四可控壓力閥S4均打開，從而在所述混合氣室XI中獲得完成配比后所需 的混合氣體。4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的充氣配比控制裝置，其特征在于，所述惰性氣體氣源為 氦氣或氬氣。5. -種基于權(quán)利要求1所述的充氣配比控制裝置的充氣配比控制方法，其特征在于，包 括下述步驟： S1:根據(jù)氣體開關(guān)T1的轉(zhuǎn)移電荷量Q計(jì)算每次放電石墨電極的碳消耗質(zhì)量M=qm · Q; S2:將所述碳消耗質(zhì)量Μ除以碳的原子量12后獲得所述碳消耗的摩爾數(shù)，并根據(jù)所述碳 消耗的摩爾數(shù)獲得所需氧氣的摩爾數(shù)Dm; 根據(jù)碳與氧氣生成二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)式，可知所需氧氣的摩爾數(shù)Dm和石墨碳相同； S3:根據(jù)摩爾數(shù)Dm獲得所需氧氣的氣體體積VQ1 = DMX22.4;并根據(jù)所需氧氣的氣體體積 乂01和第一緩沖氣室A1的容積VA1獲得第一緩沖氣室A1的第一壓力值根據(jù)惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k獲得第二緩沖氣室A2的第二壓力值PQ2 = kP01; S4:判斷第一氣壓傳感器VI實(shí)時檢測的第一緩沖氣室A1的壓力值是否大于1.5PQ1，若 是，則關(guān)閉第一可控壓力閥S1并打開第二可控壓力閥S2;若否，則關(guān)閉第二可控壓力閥S2并 打開第一可控壓力閥S1;判斷第二氣壓傳感器V2實(shí)時檢測的緩沖氣室A2的壓力值是否大于 1.5P Q2,若是，則關(guān)閉第三可控壓力閥S3并打開第四可控壓力閥S4;若否，則關(guān)閉第四可控壓 力閥S4并打開第三可控壓力閥S3; S5:當(dāng)?shù)谝痪彌_氣室A1的壓力值等于所述第一壓力值，且第二緩沖氣室A2的壓力值等 于所述第二壓力值時，打開第二可控壓力閥S2和第四可控壓力閥S4,并在所述混合氣室XI 中獲得完成配比后所需的混合氣體。6. 如權(quán)利要求5所述的充氣配比控制方法，其特征在于，所述惰性氣體與氧氣的配比關(guān) 系k為： 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量低于100C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在4:1至3:1之間； 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在100C~180C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在3:1至2:1之 間； 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在180C~300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在2:1至1:1之 間； 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量大于300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在1:1左右。7. -種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的充氣配比控制裝置的充氣裝置，其特征在于，所 述充氣裝置包括充氣配比控制裝置、第五可控壓力閥S5、第六可控壓力閥S6、第三氣壓傳感 器V3和第三機(jī)電控制器M3; 所述第五可控壓力閥S5的輸入端通過氣管連接至所述充氣配比控制裝置中所述混合 氣室XI的輸出端，所述第五可控壓力閥S5的輸出端用于連接氣體開關(guān)T1的輸入端； 所述第六可控壓力閥S6的輸入端通過氣管連接至所述氣體開關(guān)T1的輸出端，所述第六 可控壓力閥S6的輸出端用于連接廢氣排出管道； 所述第三氣壓傳感器V3的輸入端通過氣管連接至所述氣體開關(guān)T1的輸出端，所述第三 機(jī)電控制器M3的壓力信號輸入端連接至所述第三氣壓傳感器V3的輸出端，所述第三機(jī)電控 制器M3的第一控制信號輸出端連接至S5的控制端，所述第三機(jī)電控制器M3的第二控制信號 輸出端連接至S6的控制端，所述第三機(jī)電控制器M3的壓力信號輸出端和控制信號輸入端均 連接至所述充氣配比控制裝置中所述控制終端C1的第三端。8. 如權(quán)利要求6所述的充氣裝置，其特征在于，工作時，根據(jù)實(shí)際工況獲得開關(guān)工作的 氣壓值，判斷第三氣壓傳感器V3實(shí)時檢測的氣體開關(guān)T1的壓力值是否大于所述氣壓值，若 是，則關(guān)閉第五可控壓力閥S5并打開第六可控壓力閥S6;若否，則關(guān)閉第六可控壓力閥S6并 打開第五可控壓力閥S5，并完成對氣體開關(guān)T1的充氣。9. 一種基于權(quán)利要求4所述的充氣裝置的充氣方法，其特征在于，包括下述步驟： S1:根據(jù)氣體開關(guān)T1的轉(zhuǎn)移電荷量Q計(jì)算每次放電石墨電極的碳消耗質(zhì)量M=qm · Q; S2:將所述碳消耗質(zhì)量Μ除以碳的原子量12后獲得所述碳消耗的摩爾數(shù)，并根據(jù)所述碳 消耗的摩爾數(shù)獲得所需氧氣的摩爾數(shù)Dm; 根據(jù)碳與氧氣生成二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)式，可知所需氧氣的摩爾數(shù)Dm和石墨碳相同； S3:根據(jù)摩爾數(shù)Dm獲得所需氧氣的氣體體積VQ1 = DMX22.4;并根據(jù)所需氧氣的氣體體積 乂01和第一緩沖氣室A1的容積VA1獲得第一緩沖氣室A1的第一壓力值.根據(jù)惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k獲得第二緩沖氣室A2的第二壓力值PQ2 = kP01; S4:判斷第一氣壓傳感器VI實(shí)時檢測的第一緩沖氣室A1的壓力值是否大于1.5PQ1，若 是，則關(guān)閉第一可控壓力閥S1并打開第二可控壓力閥S2;若否，則關(guān)閉第二可控壓力閥S2并 打開第一可控壓力閥S1; 判斷第二氣壓傳感器V2實(shí)時檢測的緩沖氣室A2的壓力值是否大于1.5PQ2,若是，則關(guān)閉 第三可控壓力閥S3并打開第四可控壓力閥S4;若否，則關(guān)閉第四可控壓力閥S4并打開第三 可控壓力閥S3; S5:當(dāng)?shù)谝痪彌_氣室A1的壓力值等于所述第一壓力值，且第二緩沖氣室A2的壓力值等 于所述第二壓力值時，打開第二可控壓力閥S2和第四可控壓力閥S4,并在所述混合氣室XI 中獲得完成配比后所需的混合氣體； S6:根據(jù)實(shí)際工況獲得開關(guān)工作的第三氣壓值，判斷第三氣壓傳感器V3實(shí)時檢測的氣 體開關(guān)T1的壓力值是否大于所述第三氣壓值，若是，則關(guān)閉第五可控壓力閥S5并打開第六 可控壓力閥S6,多余氣體流入廢氣回收管道;若否，則關(guān)閉第六可控壓力閥S6并打開第五可 控壓力閥S5,混合氣室XI中完成配比的混合氣體充入氣體開關(guān)T1中，并最終完成對氣體開 關(guān)T1的充氣。10.如權(quán)利要求9所述的充氣方法，其特征在于，所述惰性氣體與氧氣的配比關(guān)系k為： 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量低于100C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在4:1至3:1之間； 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在100C~180C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在3:1至2:1之 間； 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量在180C~300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在2:1至1:1之 間； 當(dāng)單次轉(zhuǎn)移電荷量大于300C時，惰性氣體的體積與氧氣體積的比例在1:1左右。
【文檔編號】H01T1/20GK106058644SQ201610421740
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】李黎, 彭明洋, 程勇
【申請人】華中科技大學(xué)