真空开关电弧实验结果与分析
真空开关电弧灰度等值曲线
图4是在不同的滤光片所得到的真空开关电弧图像。图5是借助MATLAB 软件处理得到的电弧的灰度等值曲线图像。通过曲线,可清楚看到电弧弧柱中心区域灰度值最大,达到饱和值,沿着径向灰度值不断降低,这说明弧柱区域的等离子体密度和温度都较高,且由于等离子体内部压力梯度的作用,弧柱等离子体不断向外扩散,弧柱侧面等离子体相对稀薄,从而灰度值也低。还可发现阳极灰度值分布很不均匀,中心灰度值很大而两边很小,这是由于阳极前等离子体密度径向梯度很大,由电子和离子迁移所引起的流入阳极中心的能流密度较高引起的。等值线图能很好地给出开关电弧的位置和强度分布,可为真空灭弧室的设计人员提供帮助,使其对真空开关触头间的温度分布情况有了初步的了解。
图4 不同滤光片下的电弧图像
真空开关电弧等离子体电子温度
根据放电气压条件的不同,等离子体分热等子体和冷等离子体。真空开关电弧等离子体是在高真空中产生的,等离子体处于非热平衡状态,此时电子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,故电子温度远远大于离子、中性粒子温度,电弧的燃炽和熄灭与电子温度水平及其分布规律有很大的关系 ,从而电子温度是真空开关电弧等离子体的一个重要参数,也是我们重点诊断的对象。
图5 真空开关电弧的灰度等值曲线
图6是假设电弧等离子体是均匀的,根据式(5),运用二比色测温原理测得的电子温度在距离阳极表面2mm 处的径向分布曲线。由图不难看出,电子温度沿着径向不断降低。同时可看出最高电子温度为3197×104K,约等于3142eV ,这与以往中测得的电子温度范围018～410eV 在数量级上是一致的。
图6 电子温度径向分布曲线
金属蒸气等离子体是开关电弧的基本状态,在研究真空开关电弧等离子体参数的基础上,对其进行调控,是开关电器领域重要的研究任务之一。本文运用CCD光学方法实现了真空开关电弧等离子体温度诊断,得到了真空开关电弧的图像和相应的灰度等值曲线,通过二比色测温原理得到了真空开关电子温度的分布曲线。在此实验基础上,需要进一步考虑开关电弧的动态特性、电极材料及形状、电路和流场与磁场条件等多种因素,从而得到具有普遍意义的金属蒸气电弧等离子体模型和实用有效的电弧调控措施,为指导新型开关电器的设计服务。
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