真空开关电弧形态几何特性量化实验研究
真空电弧在燃烧过程中的形态变化特性及其发生发展在图像上所表现出来的趋势特征对真空开关的开断能力有着重要影响，为了研究真空开关电弧形态特性，针对真空开关电弧特点和电弧特性，设计并建立了一套以可拆卸真空灭弧室的真空开关电弧实验系统。利用图像处理技术对真空间隙长度为6 mm，电压60 V 为条件下真空开关电弧几何特性(面积、周长) 进行了诊断。实验结果表明运用该技术可实现真空开关电弧在真空间隙几何特征的量化测量，可应用于真空开关电弧形态特征实时在线诊断，为真空开关电弧形态调控规律研究提供了新的技术手段。
真空开关电弧和其它电弧原理和物理过程基本相同，但由于产生条件和实际使用目的不同，具有自身特点和规律，因此它们在关注的侧面上各有不相同的。对于电器开关电弧主要关心如何尽快熄灭电弧，可靠的开断电路；同时也考虑如何利用电弧自身的能量来提高开断能力。目前真空开关由于自身具有很多优点而在中压领域占有绝对的地位，同时由于真空开关具有向高压、超高压及大容量发展潜力，为此国内外在真空开关研究领域投入了大量人力和物力。真空灭弧室是真空开关的心脏，因此深入研究主导真空灭弧室性能的真空开关电弧特性对真空开关的发展有着至关重要的作用。目前国内外在真空开关电弧特性研究领域主要围绕电弧形态特征、宏观粒子及等离子体特征三个方面，而研究方法主要有实验方法和计算机仿真技术。在真空开关形态研究领域，国外代表研究有Schulman 等运用高速摄像机对电弧图像进行了采集分析，结合电弧电压曲线对电弧形态( 扩散态、收缩态及喷发态等) 进行了分类；国内近几年在电弧形态领域研究较多，赵子玉等运用设计制作的真空电弧图像瞬时摄像系统对长间隙(40 mm) 不同时刻的真空电弧图像进行了拍摄，获得了真空电弧形态演变过程，对不同时刻下电弧形态特征进行了分析；朱立颖等对横向磁场下中频( 400~ 800 Hz) 真空电弧形态及电弧电压特性进行了研究分析；苑舜等对插接式真空灭弧室电弧形态进行了试验研究，主要也是结合电弧电压特性对电弧形态特征进行分析；作者利用数字图像处理技术对真空开关电弧图像进行了处理，为电弧图像的几何特征分析建立了一定基础。综合上述学者的研究，他们主要是结合电弧的伏安特性对电弧形态变化过程进行分析，得到了电弧形态变化规律；但他们对电弧形态进行分类存在一定主观性，有时因不同环境或不同研究者，会得到不同的研究结果，而不能从电弧图像去对电弧宏观形态本质特征进行研究，从而影响了实验结果。为此，本文在前人工作的基础上，以可拆灭弧室为实验模型，结合高速摄像设备对真空开关电弧图形进行采集，利用数字图像处理技术对电弧图像进行了数字分析，可准确地得到真空开关电弧的宏观几何形态特征，实现了电弧形态特征量化描述，为真空开关电弧形态研究提供新的思路。
1、实验设计
真空开关电弧实验系统主要包括三部分，第一部分是以可拆灭弧室为主体的真空开关电弧装置，第二部分是固定开距触发起弧所需的触发电路，第三部分是电弧图像采集系统，下面对每个部分进行介绍。
1.1、电弧实验装置
可拆灭弧室模型如图1 所示，上面为阳极，下面为阴极，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模拟真空开关操动过程。以可拆灭弧室为主体的实验电路如图2 所示，实验装置主要由4 个组成部分，第一是由电容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;第二是可拆灭弧室主体；第三是真空单元，主要包括由机械泵、分子泵组成的抽气系统，以保证真空腔体的真空度，另外就是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 可拆真空灭弧室
图2 真空电弧实验装置系统
1.2、触发电路设计
触发电路的设计主要是为了在进行固定开距电弧实验时，在真空间隙中产生初始等离子体，以便于在真空间隙中形成等离子体通道，保证真空电弧的产生。初始等离子体的产生取决于两个条件，第一必须有脉冲高压击穿真空间隙，第二是有能量注入,维持电弧的燃烧。图3 是设计的实验用的触发电路原理图。该电路包括两个部分，即高压触发部分和能量续流部分。第一部分由T1，R 1，D1，C1，SCR,R 4，E ，SB，T2，D2 组成，该部分主要是通过电容C1放电，在点火线圈T2 副边即A ，B 间产生高压，从而击穿真空间隙。第二部分由R2，C2，D3，R 3，T3 组成，该部分主要是在真空间隙被击穿以后，通入大电流作为电弧能量的补充，形成金属蒸气。
图3 触发电路原理图
1.3、采集系统设计
真空开关电弧整个燃烧时间很短，一般只有10ms 左右，要研究其燃烧变化过程，就得在这么短时间内采集更多的电弧照片。近几年随着高速相机CMOS 出现，给真空开关电弧诊断带来了极大方便。图4 是采集系统，需要注意的是在进行采集时，需要保证采集和触发的同步性，要不就采集不到电弧图像。
图4 真空开关电弧采集系统
2、电弧形态几何特征量化分析
真空开关电弧形态的几何特征随着时间变化而变化。真空开关电弧的面积分布用A 来描述，真空开关电弧周长用P 来描述，有时为了准确判断电弧形态种类，还得需要真空间隙弧柱中心径向电弧半径Rc，这些参数和电极材料及形状、电路和流场与磁场条件等多种因素密切相关。为了提高真空开关开断能力，就有必要研究真空开关电弧和这些参数的关系，进而对真空开关电弧实施有效的调控，确保真空开关在电力系统中的控制和保护能力。在应用数字图像处理技术对电弧形态几何特征进行计算时，面积用电弧图像区域的像素计数，电弧区域R 的面积A 可按公式A = E( x，y ) I RL ( x ，y ) 计算得到，即等于L (x ，y ) 中属于电弧区域R 的像素点的个数；周长P ，即电弧区域的边界长度，如将像素看作一个个点，则周长可用链码表示，可用P = Ne+2No 计算，式中Ne ，No 分别是边界链码中走偶数与走奇数步的数目。
在进行电弧图像几何特征参数量化分析过程中，由于此时只关心其几何特征，为了方便特征提取，需要对电弧图像进行二值化处理，然后计算出相应的几何特征参数，表1 是对采集得到的真空开关电弧图像的几何特征提取结果。
图5 真空开关电弧图像
结合表1 可看出，在t = 0.031 ms，是由触发电极在阴极触头表面形成初始等离子体，并产生一定光晕，此时电弧的几何参数特征不是很明显；在t=0.931 ms 时，真空间隙中产生强烈的电弧，此时阴极表面径向直径较大，且阴极表面光强较强烈，在弧柱区形成两道并列的弧，纵向半径值为真空间隙值，此时几何特征明显；在t = 1.831 ms 以后，电弧在阴极，阳极表面做迅速扩散运动，弧柱区开始收缩，在t= 4.531 ms，电弧出现稳定燃烧，此时电弧阳极表面直径达到最大值，阴极表面阴极斑点运动相对出现收缩现象，此时容易在阳极表面产生阳极斑点，导致触头表面温度过高，从而产生表面烧蚀现象，破坏了触头表面，影响了真空开关开断能力和使用寿命,为此，此时的电弧形态几何特征尤为重要，必须采取有效措施避免集聚形态产生；在电流峰值过后，电弧电流将逐渐减小，在t = 5.431 ms 时，阴极斑点开始做急剧扩散运动，弧柱区域半径不断缩小，在t =6.331 ms 后，弧柱断裂，最后在阴极表面出现阴极斑团，电弧几何特征逐渐消失。
表1 电弧图像几何特征值
3、结论
真空电弧在燃烧过程中的形态变化及由此引起的电热过程变化对电路电流过零后电弧能否可靠的熄灭有着很大的影响。本文以可拆真空灭弧室为实验模型，运用数字图像处理技术对采集得到的真空开关形态几何特征参数进行了检测，通过该方法可实现电弧燃烧过程中形态变化的量化描述，避免了主观判断带来的实验误差，为真空开关电弧形态深入分析提供了一种新的思路。
