真空开关电弧实验装置及相关研究

      真空开关电弧实验系统设计如图1 所示。图中电抗器L0、C0 及二极管VD 组成工频电流源。可拆灭弧室由不锈钢做成, 并且有两个玻璃窗口, 以便观察真空电弧图像及对其特性检测。在可拆灭弧室内上下各固定有一个可拆卸的电极触头, 上端为阳极触头, 经陶瓷与可拆灭弧室上端盖固定, 下端为阴极触头, 经波纹管与瓷套相连, 其上下位置可调节, 以改变触头开距。

       触发电极固定在阴极触头上, 经与下端盖绝缘的接线柱引出, 触发电路设计见参考文献[9]。机械泵和扩散泵构成真空排气系统。试验过程中, 机械泵和扩散泵始终处于工作状态以维持灭弧室真空度要高于6.66×10- 2 Pa。真空电弧的引燃是通过高压脉冲辅助电极触发方式完成, 该辅助电极被设置在阴极的中心位置。电弧的伏安特性由分压器和分流器测得。

图1：真空电弧实验装置系统

图像采集系统

      真空开关电弧图像采集系统由光学镜片, CMOS 相机, 图像采集卡及计算机组成。实验过程中, 由同步触发电路同时触发控制真空电弧的触发电路和高速摄像机CMOS,电弧图像通过光学系统凸镜成像于相机中, 在通过1394 卡, 将采集得到的图像保存在计算机, 然后借助图像分析软件MATLAB 对真空电弧图像进行分析和研究。

实验结果及分析

      实验条件如下: 主电路中电容两端电压为120 V, 电极触头为CuCr 合金, 结构为1/3 匝纵磁场, 开距为10 mm, 高速相机采用Optronis 公司生产的CamRacord 1000 高速CMOS 相机, 最大分辨率可达1280×1024, 最大采样频率可达200,000 fps。图3是在此实验条件下得到的真空电弧图片。

图3：真空电弧形态

       根据图3 可将燃弧过程分为: 1 起弧阶段( 见1, 2, 3) , 2 扩散阶段( 见4, 5, 6) , 3 集聚阶段( 见7, 8, 9) , 4 扩散阶段( 见10, 11, 12) , 5 熄灭阶段( 见13, 14, 15) 。图4 中1 为触发电极在阴极触头触发起弧, 为主间隙的导通提供了初始等离子体; 从2, 3 可以看出, 点火电极瞬间产生的等离子体球在电场里作用下喷向并撞击阳极, 能量很高, 电弧迅速在阴阳电极之间扩散, 并且在阳极表面形成了集聚电弧; 由4, 5, 6 可以看出在阳极表面光亮区域迅速增加, 同时由于电动力作用电弧在阴极表面做高速向左偏移运动, 导致阳极表面亮度左边比右边高; 随着电弧电流的增加, 电弧弧柱在7, 8, 9 出现收缩, 电弧由扩散形态转为集聚形态, 并且在阳极表面形成阳极斑点; 电流出现峰值以后, 电弧由集聚状态过渡到扩散形态, 并且弧柱在不断变小至断开, 如10, 11, 12 所示; 在弧柱断开以后, 随着电流进一步的降低, 阳极表面光亮区域消失, 并且在阴极表面出现很多不断运动的阴极斑点, 数量在不断减少, 最后在阴极表面出现一个亮点, 并且熄灭, 如13, 14, 15所表示。

结论

        真空电弧在燃烧过程中由于其电、热、磁参量及断路器机械参量的变化, 将导致其燃弧形态发生变化, 特别是在磁场的控制下, 电弧的形态和运动性质各不同。借助高速摄像设备研究不同的控制方式下的电弧运动规律对了解真空电弧的稳定性、开发大容量的真空开关具有重要的理论意义和使用价值。