真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)幾何特性量化實(shí)驗研究
真空電弧在燃燒過(guò)程中的形態(tài)變化特性及其發(fā)生發(fā)展在圖像上所表現出來(lái)的趨勢特征對真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力有著(zhù)重要影響，為了研究真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)特性，針對真空開(kāi)關(guān)電弧特點(diǎn)和電弧特性，設計并建立了一套以可拆卸真空滅弧室的真空開(kāi)關(guān)電弧實(shí)驗系統。利用圖像處理技術(shù)對真空間隙長(cháng)度為6 mm，電壓60 V 為條件下真空開(kāi)關(guān)電弧幾何特性(面積、周長(cháng)) 進(jìn)行了診斷。實(shí)驗結果表明運用該技術(shù)可實(shí)現真空開(kāi)關(guān)電弧在真空間隙幾何特征的量化測量，可應用于真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)特征實(shí)時(shí)在線(xiàn)診斷，為真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)調控規律研究提供了新的技術(shù)手段。
真空開(kāi)關(guān)電弧和其它電弧原理和物理過(guò)程基本相同，但由于產(chǎn)生條件和實(shí)際使用目的不同，具有自身特點(diǎn)和規律，因此它們在關(guān)注的側面上各有不相同的。對于電器開(kāi)關(guān)電弧主要關(guān)心如何盡快熄滅電弧，可靠的開(kāi)斷電路；同時(shí)也考慮如何利用電弧自身的能量來(lái)提高開(kāi)斷能力。目前真空開(kāi)關(guān)由于自身具有很多優(yōu)點(diǎn)而在中壓領(lǐng)域占有絕對的地位，同時(shí)由于真空開(kāi)關(guān)具有向高壓、超高壓及大容量發(fā)展潛力，為此國內外在真空開(kāi)關(guān)研究領(lǐng)域投入了大量人力和物力。真空滅弧室是真空開(kāi)關(guān)的心臟，因此深入研究主導真空滅弧室性能的真空開(kāi)關(guān)電弧特性對真空開(kāi)關(guān)的發(fā)展有著(zhù)至關(guān)重要的作用。目前國內外在真空開(kāi)關(guān)電弧特性研究領(lǐng)域主要圍繞電弧形態(tài)特征、宏觀(guān)粒子及等離子體特征三個(gè)方面，而研究方法主要有實(shí)驗方法和計算機仿真技術(shù)。在真空開(kāi)關(guān)形態(tài)研究領(lǐng)域，國外代表研究有Schulman 等運用高速攝像機對電弧圖像進(jìn)行了采集分析，結合電弧電壓曲線(xiàn)對電弧形態(tài)( 擴散態(tài)、收縮態(tài)及噴發(fā)態(tài)等) 進(jìn)行了分類(lèi)；國內近幾年在電弧形態(tài)領(lǐng)域研究較多，趙子玉等運用設計制作的真空電弧圖像瞬時(shí)攝像系統對長(cháng)間隙(40 mm) 不同時(shí)刻的真空電弧圖像進(jìn)行了拍攝，獲得了真空電弧形態(tài)演變過(guò)程，對不同時(shí)刻下電弧形態(tài)特征進(jìn)行了分析；朱立穎等對橫向磁場(chǎng)下中頻( 400~ 800 Hz) 真空電弧形態(tài)及電弧電壓特性進(jìn)行了研究分析；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，主要也是結合電弧電壓特性對電弧形態(tài)特征進(jìn)行分析；作者利用數字圖像處理技術(shù)對真空開(kāi)關(guān)電弧圖像進(jìn)行了處理，為電弧圖像的幾何特征分析建立了一定基礎。綜合上述學(xué)者的研究，他們主要是結合電弧的伏安特性對電弧形態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行分析，得到了電弧形態(tài)變化規律；但他們對電弧形態(tài)進(jìn)行分類(lèi)存在一定主觀(guān)性，有時(shí)因不同環(huán)境或不同研究者，會(huì )得到不同的研究結果，而不能從電弧圖像去對電弧宏觀(guān)形態(tài)本質(zhì)特征進(jìn)行研究，從而影響了實(shí)驗結果。為此，本文在前人工作的基礎上，以可拆滅弧室為實(shí)驗模型，結合高速攝像設備對真空開(kāi)關(guān)電弧圖形進(jìn)行采集，利用數字圖像處理技術(shù)對電弧圖像進(jìn)行了數字分析，可準確地得到真空開(kāi)關(guān)電弧的宏觀(guān)幾何形態(tài)特征，實(shí)現了電弧形態(tài)特征量化描述，為真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)研究提供新的思路。
1、實(shí)驗設計
真空開(kāi)關(guān)電弧實(shí)驗系統主要包括三部分，第一部分是以可拆滅弧室為主體的真空開(kāi)關(guān)電弧裝置，第二部分是固定開(kāi)距觸發(fā)起弧所需的觸發(fā)電路，第三部分是電弧圖像采集系統，下面對每個(gè)部分進(jìn)行介紹。
1.1、電弧實(shí)驗裝置
可拆滅弧室模型如圖1 所示，上面為陽(yáng)極，下面為陰極，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)現模擬真空開(kāi)關(guān)操動(dòng)過(guò)程。以可拆滅弧室為主體的實(shí)驗電路如圖2 所示，實(shí)驗裝置主要由4 個(gè)組成部分，第一是由電容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;第二是可拆滅弧室主體；第三是真空單元，主要包括由機械泵、分子泵組成的抽氣系統，以保證真空腔體的真空度，另外就是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 可拆真空滅弧室
圖2 真空電弧實(shí)驗裝置系統
1.2、觸發(fā)電路設計
觸發(fā)電路的設計主要是為了在進(jìn)行固定開(kāi)距電弧實(shí)驗時(shí)，在真空間隙中產(chǎn)生初始等離子體，以便于在真空間隙中形成等離子體通道，保證真空電弧的產(chǎn)生。初始等離子體的產(chǎn)生取決于兩個(gè)條件，第一必須有脈沖高壓擊穿真空間隙，第二是有能量注入,維持電弧的燃燒。圖3 是設計的實(shí)驗用的觸發(fā)電路原理圖。該電路包括兩個(gè)部分，即高壓觸發(fā)部分和能量續流部分。第一部分由T1，R 1，D1，C1，SCR,R 4，E ，SB，T2，D2 組成，該部分主要是通過(guò)電容C1放電，在點(diǎn)火線(xiàn)圈T2 副邊即A ，B 間產(chǎn)生高壓，從而擊穿真空間隙。第二部分由R2，C2，D3，R 3，T3 組成，該部分主要是在真空間隙被擊穿以后，通入大電流作為電弧能量的補充，形成金屬蒸氣。
圖3 觸發(fā)電路原理圖
1.3、采集系統設計
真空開(kāi)關(guān)電弧整個(gè)燃燒時(shí)間很短，一般只有10ms 左右，要研究其燃燒變化過(guò)程，就得在這么短時(shí)間內采集更多的電弧照片。近幾年隨著(zhù)高速相機CMOS 出現，給真空開(kāi)關(guān)電弧診斷帶來(lái)了極大方便。圖4 是采集系統，需要注意的是在進(jìn)行采集時(shí)，需要保證采集和觸發(fā)的同步性，要不就采集不到電弧圖像。
圖4 真空開(kāi)關(guān)電弧采集系統
2、電弧形態(tài)幾何特征量化分析
真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)的幾何特征隨著(zhù)時(shí)間變化而變化。真空開(kāi)關(guān)電弧的面積分布用A 來(lái)描述，真空開(kāi)關(guān)電弧周長(cháng)用P 來(lái)描述，有時(shí)為了準確判斷電弧形態(tài)種類(lèi)，還得需要真空間隙弧柱中心徑向電弧半徑Rc，這些參數和電極材料及形狀、電路和流場(chǎng)與磁場(chǎng)條件等多種因素密切相關(guān)。為了提高真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷能力，就有必要研究真空開(kāi)關(guān)電弧和這些參數的關(guān)系，進(jìn)而對真空開(kāi)關(guān)電弧實(shí)施有效的調控，確保真空開(kāi)關(guān)在電力系統中的控制和保護能力。在應用數字圖像處理技術(shù)對電弧形態(tài)幾何特征進(jìn)行計算時(shí)，面積用電弧圖像區域的像素計數，電弧區域R 的面積A 可按公式A = E( x，y ) I RL ( x ，y ) 計算得到，即等于L (x ，y ) 中屬于電弧區域R 的像素點(diǎn)的個(gè)數；周長(cháng)P ，即電弧區域的邊界長(cháng)度，如將像素看作一個(gè)個(gè)點(diǎn)，則周長(cháng)可用鏈碼表示，可用P = Ne+2No 計算，式中Ne ，No 分別是邊界鏈碼中走偶數與走奇數步的數目。
在進(jìn)行電弧圖像幾何特征參數量化分析過(guò)程中，由于此時(shí)只關(guān)心其幾何特征，為了方便特征提取，需要對電弧圖像進(jìn)行二值化處理，然后計算出相應的幾何特征參數，表1 是對采集得到的真空開(kāi)關(guān)電弧圖像的幾何特征提取結果。
圖5 真空開(kāi)關(guān)電弧圖像
結合表1 可看出，在t = 0.031 ms，是由觸發(fā)電極在陰極觸頭表面形成初始等離子體，并產(chǎn)生一定光暈，此時(shí)電弧的幾何參數特征不是很明顯；在t=0.931 ms 時(shí)，真空間隙中產(chǎn)生強烈的電弧，此時(shí)陰極表面徑向直徑較大，且陰極表面光強較強烈，在弧柱區形成兩道并列的弧，縱向半徑值為真空間隙值，此時(shí)幾何特征明顯；在t = 1.831 ms 以后，電弧在陰極，陽(yáng)極表面做迅速擴散運動(dòng)，弧柱區開(kāi)始收縮，在t= 4.531 ms，電弧出現穩定燃燒，此時(shí)電弧陽(yáng)極表面直徑達到最大值，陰極表面陰極斑點(diǎn)運動(dòng)相對出現收縮現象，此時(shí)容易在陽(yáng)極表面產(chǎn)生陽(yáng)極斑點(diǎn)，導致觸頭表面溫度過(guò)高，從而產(chǎn)生表面燒蝕現象，破壞了觸頭表面，影響了真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷能力和使用壽命,為此，此時(shí)的電弧形態(tài)幾何特征尤為重要，必須采取有效措施避免集聚形態(tài)產(chǎn)生；在電流峰值過(guò)后，電弧電流將逐漸減小，在t = 5.431 ms 時(shí)，陰極斑點(diǎn)開(kāi)始做急劇擴散運動(dòng)，弧柱區域半徑不斷縮小，在t =6.331 ms 后，弧柱斷裂，最后在陰極表面出現陰極斑團，電弧幾何特征逐漸消失。
表1 電弧圖像幾何特征值
3、結論
真空電弧在燃燒過(guò)程中的形態(tài)變化及由此引起的電熱過(guò)程變化對電路電流過(guò)零后電弧能否可靠的熄滅有著(zhù)很大的影響。本文以可拆真空滅弧室為實(shí)驗模型，運用數字圖像處理技術(shù)對采集得到的真空開(kāi)關(guān)形態(tài)幾何特征參數進(jìn)行了檢測，通過(guò)該方法可實(shí)現電弧燃燒過(guò)程中形態(tài)變化的量化描述，避免了主觀(guān)判斷帶來(lái)的實(shí)驗誤差，為真空開(kāi)關(guān)電弧形態(tài)深入分析提供了一種新的思路。
