基于PIV技术真空开关电弧流场实验研究

　　为了对真空开关电弧燃烧过程及热形态变化规律研究，本文采用粒子成像测速( PIV) 技术对短间隙真空开关电弧进行了实验研究，观察分析了电弧流场的信息，有明显的漩涡区。实验结果表明，运用PIV 技术能较好地获取真空开关电弧燃烧二维速度场分布; 随着电弧电流不断增大，真空间隙中金属蒸气压力不断增大，电弧加速向四周扩散运动，当电弧电流增大到一定值时，在电弧四周产生明显的涡流区域; 电弧电流峰值过后，涡流区域不断减小，当电弧电流减小到一定值时，电弧不再向外扩散，而是向弧柱中心做集聚运动。

　　真空灭弧室是真空开关的核心部件之一，深入研究真空灭弧室关键技术是促进真空开关发展的关键所在。开展真空电弧基础理论研究，特别是对电弧燃烧分布及变化规律研究对真空灭弧室的设计制造有着重要的指导意义。由于真空开关电弧是在封闭的真空环境中产生，这就给真空电弧研究工作带来困难和挑战。自从开展真空灭弧室研究以来，在真空电弧研究领域主要是采用实验诊断和仿真计算模拟两种方法。在实验诊断方面，国内外主要是采用光学技术实现电弧动态图像采集，进而实现对电弧燃烧过程的分析。如P. G. Slade研究了真空电弧起弧和燃弧过程中弧柱形态变化; Heberlein利用高速摄像对平板结构触头的电弧进行了分析; 武建文采用自行设计的光纤阵列对真空电弧图像进行了采集，并对中频电弧形态进行了研究; 苑舜等对插接式真空灭弧室电弧形态进行了试验研究; 董华军运用高速CMOS 摄像机对短间隙真空开关电弧图形进行了采集及分析。在电流流场仿真方面，吴翊等对触头打开过程中低压空气电弧等离子体的动态分析。这些研究分析了电弧燃烧过程，促进了对真空开关电弧物理特性的了解。但目前在真空开关电弧领域，依旧存在很多基础理论未知领域，特别是在电弧燃烧过程中很多细节特征及流场特性无法掌握，不能实现对电弧有效调控，导致真空灭弧室设计缺少理论依据和技术支持，从而影响和制约了真空灭弧室的发展。

　　粒子成像测速( PIV，Particle Imaging Velocimetry)技术是在流动显示技术的基础上，利用图像处理技术发展起来的一种非接触式流场测量技术。PIV 技术具有以下显著特点: ①能研究空间全流场的速度分布; ②可获得流场随时间的变化规律; ③对流场干扰小。国内引入PIV 测试技术已有十余年，在工农业机械、航空航天及医学等诸多领域发挥着重要的作用。在燃烧诊断领域里张鸿雁等应用PIV 对二维温室绕流流场进行了实验研究，分析了绕流瞬态流场和时均流场的信息。颜应文等应用PIV 研究了具有两级轴向旋流器的航空发动机燃烧室旋流流场特性( 包括冷态流场和燃烧流场) 。但在真空开关电弧研究领域应用报道不多，本文针对真空开关电弧研究现状，开展了基于PIV 技术电弧实验研究。获得真空电弧的速度分布及粒子的运动轨迹，同时显示了电弧在电磁作用下的涡流场，为真空开关电弧流场研究提供了新的试验技术手段。

1、实验装置及PIV 系统

　　可拆灭弧室上端为电极阳极，下端为电极阴极，阴极通过金属波纹管连接，可上下调节保证触头阴极和阳极之间的开距，也可连接操动机构实现真空开关关合动作。以可拆灭弧室为主体的实验电路如图1 所示，实验装置主要有4 个组成部分，第一部分是由电容C0、L0及二极管D 组成的电源部分，合适的选择电容、电感参数，可产生工频交流源; 第二部分是可拆灭弧室主体，主要包括两个可视玻璃窗口;第三部分是真空单元，主要包括由机械泵，分子泵组成的抽气系统，由电阻规和电离规组成的真空度检测部分，确定真空腔体的真空度高于10 ^-2 Pa 才能进行真空电弧实验; 第四部分是真空电弧伏安特性检测单元，主要包括分压器和分流器，通过示波器采集信号可得到电弧伏安特性。

图1 真空电弧实验装置系统

　　二维PIV 测试系统一般包括光路系统、图像采集系统、反映流场特性的示踪粒子及图像数据分析系统组成。真空开关电弧寿命较短，一般只有10ms 左右，因此需选用高速摄像机实现电弧图像高分辨率的采集，实验中选用型号为Cam Record 1000 C的高速摄像机，相机在1280 × 1024 分辨率下每秒采集速度可达1000 帧，并且相机带了4 G 的缓存，在此条件下可以连续拍摄3. 2 s。在分辨率为1280 ×4 下每秒采集速度可达200 000 帧，在此条件下可以连续拍摄4. 2 s，可满足实验的需要。在真空开关电弧蒸气里面，由于电弧等离子体中粒子是多相流动的一部分，因此电弧粒子本身就是研究对象，即示踪粒子。光学系统，由于真空开关电弧本身产生很强的光亮，本实验研究真空开关电弧流场特性，因此不需辅助光源。

2、实验结果及分析

　　运用PIV 软件对采集得到的电弧图像进行分析，分别诊断起弧阶段，电弧燃烧扩散阶段及熄灭阶段的粒子运行特征。图2 为PIV 实验诊断结果，图中箭头表示矢量运动方向，箭头长短表示瞬时速度大小; 颜色只是为了显示不同区域效果，无实际意义。由图2( a) 所示可看出，在起弧阶段，真空间隙中金属蒸气压力较低，电弧向外扩散速度不是很快，且由中心向四周较均匀扩散; 图2( b) 、( c) 中电弧电流增大到一定程度，金属蒸气充满了真空间隙，内部蒸气压力较大，电弧迅速向四周扩散运动，且由于电磁场作用，在电极触头边缘区域产生涡流，涡流产生以后随着电流减小，涡流区域变小，且有向弧柱中心运动趋势; 在图2( d) 中，电弧电流进一步减小，真空间隙中电弧不能形成桥，而是孤立的阴极斑团在阴极表面扩散运动，此时真空间隙中金属蒸气压力变小，电弧粒子扩散速度也发生了改变，不再是由中心向四周扩散，而是由四周向中心集聚。

图2 电弧流场PIV 诊断结果

3、结论

　　本文尝试将PIV 技术应用到真空开关电弧流场诊断上，根据实验结果可得到结论如下:

　　(1) 运用PIV 技术可实现真空开关电弧燃烧二维速度场分布图绘制，取得了很好的效果，有效的分析了电弧流场及涡流特征。

　　(2) 真空开关电弧产生后，金属蒸气迅速向四周做扩散运动，且弧柱中心由于金属蒸气压力，相对扩散速度较慢，弧柱四周扩散速度相对较高; 当电弧电流值增大到一定值，在电弧弧柱周围产生漩涡，电弧电流越大，漩涡越大，漩涡的产生抑制了电弧的扩散运动。随着电弧的熄灭，漩涡由大变小，最终消失。同时在电弧电流小到一定程度时，金属蒸气电弧运动方向发生了改变，由四周向弧柱中心运动，这是由于弧柱中心金属蒸气密度降低，中心区域温度降低，导致弧柱中心负压，从而促使电弧向弧柱中心运动。