基于PIV技術(shù)真空開(kāi)關(guān)電弧流場(chǎng)實(shí)驗研究

　　為了對真空開(kāi)關(guān)電弧燃燒過(guò)程及熱形態(tài)變化規律研究，本文采用粒子成像測速( PIV) 技術(shù)對短間隙真空開(kāi)關(guān)電弧進(jìn)行了實(shí)驗研究，觀(guān)察分析了電弧流場(chǎng)的信息，有明顯的漩渦區。實(shí)驗結果表明，運用PIV 技術(shù)能較好地獲取真空開(kāi)關(guān)電弧燃燒二維速度場(chǎng)分布; 隨著(zhù)電弧電流不斷增大，真空間隙中金屬蒸氣壓力不斷增大，電弧加速向四周擴散運動(dòng)，當電弧電流增大到一定值時(shí)，在電弧四周產(chǎn)生明顯的渦流區域; 電弧電流峰值過(guò)后，渦流區域不斷減小，當電弧電流減小到一定值時(shí)，電弧不再向外擴散，而是向弧柱中心做集聚運動(dòng)。

　　真空滅弧室是真空開(kāi)關(guān)的核心部件之一，深入研究真空滅弧室關(guān)鍵技術(shù)是促進(jìn)真空開(kāi)關(guān)發(fā)展的關(guān)鍵所在。開(kāi)展真空電弧基礎理論研究，特別是對電弧燃燒分布及變化規律研究對真空滅弧室的設計制造有著(zhù)重要的指導意義。由于真空開(kāi)關(guān)電弧是在封閉的真空環(huán)境中產(chǎn)生，這就給真空電弧研究工作帶來(lái)困難和挑戰。自從開(kāi)展真空滅弧室研究以來(lái)，在真空電弧研究領(lǐng)域主要是采用實(shí)驗診斷和仿真計算模擬兩種方法。在實(shí)驗診斷方面，國內外主要是采用光學(xué)技術(shù)實(shí)現電弧動(dòng)態(tài)圖像采集，進(jìn)而實(shí)現對電弧燃燒過(guò)程的分析。如P. G. Slade研究了真空電弧起弧和燃弧過(guò)程中弧柱形態(tài)變化; Heberlein利用高速攝像對平板結構觸頭的電弧進(jìn)行了分析; 武建文采用自行設計的光纖陣列對真空電弧圖像進(jìn)行了采集，并對中頻電弧形態(tài)進(jìn)行了研究; 苑舜等對插接式真空滅弧室電弧形態(tài)進(jìn)行了試驗研究; 董華軍運用高速CMOS 攝像機對短間隙真空開(kāi)關(guān)電弧圖形進(jìn)行了采集及分析。在電流流場(chǎng)仿真方面，吳翊等對觸頭打開(kāi)過(guò)程中低壓空氣電弧等離子體的動(dòng)態(tài)分析。這些研究分析了電弧燃燒過(guò)程，促進(jìn)了對真空開(kāi)關(guān)電弧物理特性的了解。但目前在真空開(kāi)關(guān)電弧領(lǐng)域，依舊存在很多基礎理論未知領(lǐng)域，特別是在電弧燃燒過(guò)程中很多細節特征及流場(chǎng)特性無(wú)法掌握，不能實(shí)現對電弧有效調控，導致真空滅弧室設計缺少理論依據和技術(shù)支持，從而影響和制約了真空滅弧室的發(fā)展。

　　粒子成像測速( PIV，Particle Imaging Velocimetry)技術(shù)是在流動(dòng)顯示技術(shù)的基礎上，利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種非接觸式流場(chǎng)測量技術(shù)。PIV 技術(shù)具有以下顯著(zhù)特點(diǎn): ①能研究空間全流場(chǎng)的速度分布; ②可獲得流場(chǎng)隨時(shí)間的變化規律; ③對流場(chǎng)干擾小。國內引入PIV 測試技術(shù)已有十余年，在工農業(yè)機械、航空航天及醫學(xué)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要的作用。在燃燒診斷領(lǐng)域里張鴻雁等應用PIV 對二維溫室繞流流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗研究，分析了繞流瞬態(tài)流場(chǎng)和時(shí)均流場(chǎng)的信息。顏應文等應用PIV 研究了具有兩級軸向旋流器的航空發(fā)動(dòng)機燃燒室旋流流場(chǎng)特性( 包括冷態(tài)流場(chǎng)和燃燒流場(chǎng)) 。但在真空開(kāi)關(guān)電弧研究領(lǐng)域應用報道不多，本文針對真空開(kāi)關(guān)電弧研究現狀，開(kāi)展了基于PIV 技術(shù)電弧實(shí)驗研究。獲得真空電弧的速度分布及粒子的運動(dòng)軌跡，同時(shí)顯示了電弧在電磁作用下的渦流場(chǎng)，為真空開(kāi)關(guān)電弧流場(chǎng)研究提供了新的試驗技術(shù)手段。

1、實(shí)驗裝置及PIV 系統

　　可拆滅弧室上端為電極陽(yáng)極，下端為電極陰極，陰極通過(guò)金屬波紋管連接，可上下調節保證觸頭陰極和陽(yáng)極之間的開(kāi)距，也可連接操動(dòng)機構實(shí)現真空開(kāi)關(guān)關(guān)合動(dòng)作。以可拆滅弧室為主體的實(shí)驗電路如圖1 所示，實(shí)驗裝置主要有4 個(gè)組成部分，第一部分是由電容C0、L0及二極管D 組成的電源部分，合適的選擇電容、電感參數，可產(chǎn)生工頻交流源; 第二部分是可拆滅弧室主體，主要包括兩個(gè)可視玻璃窗口;第三部分是真空單元，主要包括由機械泵，分子泵組成的抽氣系統，由電阻規和電離規組成的真空度檢測部分，確定真空腔體的真空度高于10 ^-2 Pa 才能進(jìn)行真空電弧實(shí)驗; 第四部分是真空電弧伏安特性檢測單元，主要包括分壓器和分流器，通過(guò)示波器采集信號可得到電弧伏安特性。

圖1 真空電弧實(shí)驗裝置系統

　　二維PIV 測試系統一般包括光路系統、圖像采集系統、反映流場(chǎng)特性的示蹤粒子及圖像數據分析系統組成。真空開(kāi)關(guān)電弧壽命較短，一般只有10ms 左右，因此需選用高速攝像機實(shí)現電弧圖像高分辨率的采集，實(shí)驗中選用型號為Cam Record 1000 C的高速攝像機，相機在1280 × 1024 分辨率下每秒采集速度可達1000 幀，并且相機帶了4 G 的緩存，在此條件下可以連續拍攝3. 2 s。在分辨率為1280 ×4 下每秒采集速度可達200 000 幀，在此條件下可以連續拍攝4. 2 s，可滿(mǎn)足實(shí)驗的需要。在真空開(kāi)關(guān)電弧蒸氣里面，由于電弧等離子體中粒子是多相流動(dòng)的一部分，因此電弧粒子本身就是研究對象，即示蹤粒子。光學(xué)系統，由于真空開(kāi)關(guān)電弧本身產(chǎn)生很強的光亮，本實(shí)驗研究真空開(kāi)關(guān)電弧流場(chǎng)特性，因此不需輔助光源。

2、實(shí)驗結果及分析

　　運用PIV 軟件對采集得到的電弧圖像進(jìn)行分析，分別診斷起弧階段，電弧燃燒擴散階段及熄滅階段的粒子運行特征。圖2 為PIV 實(shí)驗診斷結果，圖中箭頭表示矢量運動(dòng)方向，箭頭長(cháng)短表示瞬時(shí)速度大小; 顏色只是為了顯示不同區域效果，無(wú)實(shí)際意義。由圖2( a) 所示可看出，在起弧階段，真空間隙中金屬蒸氣壓力較低，電弧向外擴散速度不是很快，且由中心向四周較均勻擴散; 圖2( b) 、( c) 中電弧電流增大到一定程度，金屬蒸氣充滿(mǎn)了真空間隙，內部蒸氣壓力較大，電弧迅速向四周擴散運動(dòng)，且由于電磁場(chǎng)作用，在電極觸頭邊緣區域產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生以后隨著(zhù)電流減小，渦流區域變小，且有向弧柱中心運動(dòng)趨勢; 在圖2( d) 中，電弧電流進(jìn)一步減小，真空間隙中電弧不能形成橋，而是孤立的陰極斑團在陰極表面擴散運動(dòng)，此時(shí)真空間隙中金屬蒸氣壓力變小，電弧粒子擴散速度也發(fā)生了改變，不再是由中心向四周擴散，而是由四周向中心集聚。

圖2 電弧流場(chǎng)PIV 診斷結果

3、結論

　　本文嘗試將PIV 技術(shù)應用到真空開(kāi)關(guān)電弧流場(chǎng)診斷上，根據實(shí)驗結果可得到結論如下:

　　(1) 運用PIV 技術(shù)可實(shí)現真空開(kāi)關(guān)電弧燃燒二維速度場(chǎng)分布圖繪制，取得了很好的效果，有效的分析了電弧流場(chǎng)及渦流特征。

　　(2) 真空開(kāi)關(guān)電弧產(chǎn)生后，金屬蒸氣迅速向四周做擴散運動(dòng)，且弧柱中心由于金屬蒸氣壓力，相對擴散速度較慢，弧柱四周擴散速度相對較高; 當電弧電流值增大到一定值，在電弧弧柱周?chē)�產(chǎn)生漩渦，電弧電流越大，漩渦越大，漩渦的產(chǎn)生抑制了電弧的擴散運動(dòng)。隨著(zhù)電弧的熄滅，漩渦由大變小，最終消失。同時(shí)在電弧電流小到一定程度時(shí)，金屬蒸氣電弧運動(dòng)方向發(fā)生了改變，由四周向弧柱中心運動(dòng)，這是由于弧柱中心金屬蒸氣密度降低，中心區域溫度降低，導致弧柱中心負壓，從而促使電弧向弧柱中心運動(dòng)。