真空开关电弧等离子体几何形态研究
真空断路器逐渐向高压等级发展，工作时电弧等离子体几何形态直接影响其开断能力。本文利用高速摄像机对电弧几何形态进行数字采集，运用图像去噪声、选取合适阈值方法，对采集数据进行形态学操作，得到内部高能等离子体及电弧外部轮廓的时间-面积变化曲线。从引弧、稳定燃弧、熄弧及弧后介质恢复四个角度，对不同阶段的电弧面积变化做出定量分析，并探究电弧熄弧阶段电弧内外面积差变化。实验表明，通过分析不同阶段的等离子体形态变化，能够找到电弧平稳燃弧及弧后介质恢复的关键点，为高压等级真空断路器研发设计及后期电弧形态诊断提供进一步参考。
随着我国电力系统的不断发展，真空断路器的生产数量逐渐超过中压SF6开关。由于其体积小、开断寿命长和电流容量大等优点，真空断路器的应用范围越来越多向高压、超高压扩展。真空电弧是断路器触头断开时，依靠蒸发金属蒸气并电离来维持的低温等离子体，其形成、发展和最后熄灭对开断电路有着重要影响。研究真空电弧等离子体的形态特征，对断路器电场、磁场设计有很好的指导作用。
触头在高真空中分离时，其电弧表现形式与外观特性都与在空气中的情形有较大区别。真空断路器的击穿机理目前主要有场致发射、微粒撞击和粒子交换三种假说，在短间隙真空断路器的相关研究中，通常由场致发射效应占主导。在触头断开时刻，整个阴极表面会产生金属蒸气。理论上是由于触头分开瞬间，电流集中在触头表面某点上，导致金属桥熔化且部分金属原子发生电离。随着触头开距的增大，场致发射与间隙击穿增强，触头表面金属凸点不断溶化并向触头间隙补充金属粒子。此时阴极斑点会在阴极表面形成，并有更多的高能等离子体形成并扩散至间隙内。电弧引燃后，充满等离子体的电极间隙变成良好导体，同时阳极开始向电弧提供粒子。在纵向磁场作用下，电弧等离子体由触头中心向周围扩散，此过程会维持一段时间。对于交流真空断路器而言，电流到达峰值后会逐渐减小，两触头向等离子体提供的粒子同样减少，此时电极间隙内主要为弧后残存粒子，伴随着触头完全断开，残存粒子逐渐扩散至消失，断路器完成开断。
真空电弧等离子体的产生过程，可以表现为触头开距增大、触头表面金属蒸发，伴随场致发射效应和金属电离，由于两极电子、金属离子的不断补充，最终形成电弧。在电弧等离子体的研究方面，王景、武建文等运用连续光谱法分析了电子温度和电子密度，并讨论了中频情况下，电弧过渡及扩散两种形态。胡上茂、姚学玲等利用RC 阻容式电荷收集器，对初始等离子体的触发特性进行了研究。舒胜文、黄道春等通过对真空断路器开断过程的再研究，提出数值方针结合实验的方法，给出开断过程不同阶段所需的数值仿真方法及关注点。赵子玉等通过CCD 摄像技术，分析了真空电弧的重燃及抑制措施。吴延清等提出了电弧面积的概念，并指出纵向磁场有利于电弧的空间分布，对真空断路器开断能力的提高有很大帮助。此外，在电弧图像的边缘提取方面以及电弧几何特性的量化分析方面，也利用图像序列提取技术进行了初步的研究。
国外Isak I. Beilis 学者对两极间等离子体的形成过程及大电流下径向离子扩张做了初步探讨。但电弧等离子体在形成及演变过程中，伴随着中间高浓度等离子的聚集和纵向磁场影响下的对外扩散，在此方面的等离子体几何形态研究尚有不足。为探究电弧等离子体的内部及扩散状态，以及电弧熄弧阶段电弧状态与介质恢复强度的关系，本文通过实验对大电流纵向磁场作用下的真空等离子体形态进行数字图像采集，计算了高浓度等离子区的电弧面积以及对外扩散量。结合触头开断后的介质恢复状况，对等离子体的后续形态演变做出了补充。同时，通过对比小电流下的真空电弧形态变化，给出不同阶段电弧演变趋势的共性结论。
1、电弧图像采集过程
与真空断路器开断过程相对应的为真空等离子体的燃弧过程，单纯从电弧几何形状分析，向川学者将此过程定性地分为初始集聚、中间扩散和最后熄灭三阶段。本文研究中，主要分析电弧等离子体的面积形态以及扩散状态，需要结合电弧的物理变化特性，故参考Schade E. 学者相关研究，将此过程划分为引弧、稳定燃弧、熄灭和弧后介质恢复四阶段。通过对不同阶段电弧面积的变化及扩散状况分析，找到电弧等离子体几何形态规律，并在弧后介质恢复阶段分析其与电弧扩散情况的关系。
我国交流电网频率为50 Hz，要求真空断路器在电流过零点之前完成开断动作，即需在10 ms 内完成熄弧。高速摄像机能够在短时间内对高速运动物体进行多次采样，十分适合对触头高速断开时产生的电弧进行图像采集。本文借助高速摄像机，在交流电路下真空断路器引弧、稳定燃弧、熄灭及弧后介质恢复阶段等离子体形态进行数字采集，并对不同阶段等离子体的几何形态进行特征提取。通过对电弧内部高能等离子体的面积变化分析以及外围扩散电弧的形态比较，掌握真空断路器在整个开断过程中的电弧几何形态，为真空断路器向高压等级的整体设计方面提供一定的参考。其具体实验流程如图1。
图1 实验具体流程
2、形态特征提取方法
本文在外加纵向磁场作用下，对大电流真空断路器开断图像进行数字采集，运用高速摄像机采集434 帧电弧图像。对电弧等离子体外在轮廓进行特征提取，并计算其面积。为保证对图像面积提取的准确性，消除t = 1.3 ～1.8 ms 和t = 2.～3. 4 ms 时间内，因触头片对电弧光线反射带来的噪声影响，对电弧图像进行目标区域提取。图2(a) 为含噪声的电弧图像，对其进行二值操作，得到电弧面积形态如图2(b) 。可以清晰看到反射噪声对电弧面积提取影响较大。又因噪声与目标点具有相同灰度级别，通过图像增强的方法不能很好的对图像进行后期处理，故选择图像形态学处理，选择中间电弧为特定提取目标，提取边缘后效果如图2(c) 。
图2 目标区域提取
真空电弧几何形态及其运动规律对真空断路器可靠性有较大影响，而引弧与熄灭阶段内电弧特征直接影响真空断路器的工作性能。电弧在引弧阶段快速聚集，弧根处停滞性较强，因其对触头片表面的烧蚀作用，引弧阶段直接影响弧后介质恢复的初始条件。此阶段外部表现为阴极斑点的形成及运动，其轨迹和速度直接决定宏观粒子的参数，进而影响电弧后期扩散和介质恢复速度。与引弧阶段相对应，熄灭阶段电弧形态与特性同样成为确定真空断路器能否成功断开的关键，这也是研究大电流下真空断路器的主要工作内容。
交流电弧过零点之后，阴极斑点在短时间内会继续向真空间隙提供金属蒸气。金属颗粒以中性状态悬浮于两极之间，与残存的电子、离子相互碰撞。若不能及时将此阶段金属颗粒扩散，很有可能会因碰撞电离导致间隙击穿，进而引起电弧重燃。综上所述，分析引弧与熄灭阶段的电弧几何形态对整个燃弧阶段的面积提取有决定性作用。伴随着金属蒸气的释放，阴极斑点附近电弧等离子体浓度较高，且在磁场作用下会向周围扩散。阴极斑点释放的高能等离子体与扩散出的粒子共同组成真空电弧，前者即为文中的内部电弧，后者为外部扩散电弧。对于内部电弧的特征提取，由于光强叠加，高能等离子体通过与周围电弧的亮度差表现出来，识别此特征的关键在于选好合适的亮度阈值。运用MATLAB 图像处理工具箱中contour函数，可得到电弧灰度图像的灰度等值线分布。由于不同阶段，等离子体中心光强饱和值不同，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为通过计算灰度图像下不同饱和灰度值可确定目标被准确提取。图3(a) 为电弧引弧阶段图像，图3(b) 为电弧熄灭阶段图像，于此相对应的灰度等值线图像分别为图3(c) 和图3(d) 。可以看出不同阶段的电弧灰度图像，其灰度等值线跳跃较大，前者发生在249等值线处，后者发生在242 等值线处(总体灰度范围为0 ～255) 。将灰度值转换为二值图像的亮度阈值，对灰度突变的目标进行采集，即能得到电弧内部高能等离子体的分布。经计算，电弧引弧阶段亮度阈值选为0.98 较为合适，考虑熄弧阶段阳极触头表面产生电荷鞘层，阈值选取0.95 较为准确。
图3 电弧等值线提取
3、实验结果分析
3.1、真空等离子体形态变化趋势
真空断路器实际起弧为间隙绝缘击穿，为便于采集电弧等离子体运动特性及几何特征，文中采用施加辅助脉冲电压来完成触发起弧。具体操作是利用击穿探针产生初始带电粒子，在电场作用下轰击阳极表面，进而引发阳离子扩散，使主间隙导通。在吴延清学者提出的电弧面积基础上，文中探究了高能等离子体集中的内部电弧面积与磁场影响下的外部扩散面积，两部分面积差值即为扩散量大小。具体处理方法借助MATLAB 图像处理工具箱，对真空电弧进行数字采集后，选取图像内指定目标轮廓，同时计算相邻每帧的电弧面积差值。对结果进行统计分析后，得到时间-电弧面积曲线，如图4。从图中可以看出，外部与内部电弧在完全起弧后，同时较为均匀地增大燃弧面积，然后在较短时间内完成电弧熄灭。说明引弧后电弧等离子体集聚于触头表面，初始阶段未向周围发生明显扩散。在平稳燃弧后，内部等离子体首先达到面积峰值，随后两部分面积先后迅速下降。说明从阴极斑点发射出的电子和金属蒸气在内部压强与外部磁场作用下，直径范围不断向外扩张，当等离子体填充整个触头后，随着触头的分离纵向拉伸。峰值后电弧面积急剧下降，是由于电弧电流的不断增大，内部高能等离子体在阳极附近严重收缩直至断开，这也导致电弧轮廓的减小。在电弧熄灭后期，内部等离子体面积下降到一定范围后有较长时间的平稳维持阶段，而外部轮廓则在内部电弧降低后继续保持其形态。说明此时阴极斑点数量不断下降，蒸发的金属粒子不断减少，触头间隙内电弧主要由剩余粒子构成。在外部磁场与梯度压力作用下，电弧密度迅速降低，最终使电弧完全熄灭。从剩余粒子扩散角度看，其扩散效率直接关系到真空断路器能否完成正常开断。
图4 电弧面积变化曲线
为更好表现等离子体的扩散效应，了解弧后介质恢复阶段电弧形态变化，本文计算触头断开过程中内部电弧与外部扩散电弧面积差值，如图5。图中在t = 7 ms 时有明显的峰值，说明此时面积差值达到最大，这也是电弧进入最后熄灭阶段的标志。图中在t = 8 ～9 ms 时，电弧面积差值出现平缓趋势，说明此时触头不再向间隙提供能量，触头间等离子体主要有剩余粒子构成，在纵向磁场的作用下，不断向周围扩散。t = 9 ms 以后电弧熄灭完全，电弧面积差维持在较低水平，说明内外电弧逐渐达到统一，真空介质恢复快速完成。
图5 电弧面积差值变化曲线
3.2、真空等离子体形态说明
通过对高速摄像机采集到一组真空电弧分析，t= 0.2～6.8 ms 为引弧和稳定燃弧阶段，此阶段电弧形态主要为阴极斑点形成和电弧等离子体充满真个触头间隙，因此时两极不断向间隙补充电子及高能粒子，故此时虽电弧整体轮廓不断增大，但扩散现象并不明显。为更加清晰地展示内外电弧几何形态区别，本文主要对熄灭阶段及弧后介质恢复阶段的电弧形态做出后期处理，对稳定燃弧阶段的内部高能等离子体形态未做出细节分析。t=6.9ms 开始为真空熄弧阶段，内外面积差开始激增，内部高能等离子体面积逐渐减小，电弧外部轮廓在纵向磁场作用下维持扩散状态，其电弧原始图像与内部高能等离子体分布二值图像如图6。图中可看出内部高能电弧即将从两极分断开来，外部电弧轮廓基本维持在稳定扩散状态。
t = 7.5 ms 以后熄弧阶段开始向弧后介质恢复阶段过渡，内部等离子面积分布迅速减小，外部电弧轮廓也出现缩小现象，如图7。图7(b)中阳极表面为电荷鞘层，主要是由于触头分开后残余粒子定向移动引起。经过此阶段后，内部等离子体维持这一状态而外部电弧开始对外扩散，并在电流过零点以前扩散完全。从二值图像中可以看出，剩余粒子对电弧重燃起到很大作用。
3.3、对比实验
文中高速摄像机采集的电弧图像为垂直拍摄方式，其中涉及到光强叠加与电弧径向分布不均等问题。在扩散型电弧数字采集过程中，图像中内部电弧达到光强饱和边缘，但未超出实验可分析的灰度差范围。为保证电弧等离子体几何形态特征提取的准确性，特采集小电流扩散型电弧图像作为对比实验，这里只分析熄弧阶段的电弧等离子体特征，电弧熄弧阶段等离子体形态如图8。经过对电弧图像去噪声及形态学处理，计算外部轮廓与内部高能等离子体形态分布，其时间-面积曲线如图9。
图7 介质恢复阶段电弧面积形态图
图8 集聚型电弧面积形态图
图9 集聚型电弧面积变化曲线
图9 中可看出，内部等离子体在t=6.2 ms 以后达到维持平稳阶段，而外部扩散电弧继续保持扩散状态，与扩散型电弧具有相同的形态变化，说明用内外电弧面积差来分析等离子体的几何形态变化是合理的。
需要补充的是，在引弧及稳定燃弧初期，因电弧主要由阴极斑点构成，实验测得的内部电弧与外部轮廓基本重合，为更能清楚的表现内外电弧差，本文在前期提取内部电弧时，适当增大阈值。此外，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为触头分开的时间点设为交流电正弦波过零点处，便于说明引弧及弧后介质恢复现象。
4、结论
本文利用高速摄像机采集真空断路器断开时电弧形态，通过图像去噪、数字图像形态学操作，用选定特殊阈值的方法对电弧外在轮廓及内部高能等离子几何形状(主要为面积形状) 进行统计说明，同时分析了内部高能等离子体与电弧外在轮廓的关系，得到以下结论：
(1)伴随着真空电弧引弧、平稳燃弧、熄弧及弧后介质恢复四阶段，电弧等离子体面积形态可分为平稳扩散、迅速减小和后期维持三个阶段。在平稳扩散阶段内部高能等离子体不断得到补充，与电弧轮廓同比例增加。面积迅速减小阶段，触头逐渐停止向间隙提供粒子，内部电弧在磁场作用下被扩散至周围，电弧开始熄灭。后期维持阶段主要表现为残余粒子和电荷鞘层。随着残余粒子的消散，介质恢复不断得到加强，此阶段的电弧形态直接影响着重燃与否。
(2)通过电弧内外面积差，可以看出真空断路器是否熄弧完全。高效的分断电弧表现为，电流过零点之后，面积差迅速增大，高能等离子体得不到有效补充; 达到峰值后，面积差迅速减小，使得残余粒子快速扩散，为介质恢复提供条件。
