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真空斷路器逐漸向高壓等級發(fā)展，工作時電弧等離子體幾何形態(tài)直接影響其開斷能力。本文利用高速攝像機(jī)對電弧幾何形態(tài)進(jìn)行數(shù)字采集，運用圖像去噪聲、選取合適閾值方法，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作，得到內(nèi)部高能等離子體及電弧外部輪廓的時間-面積變化曲線。從引弧、穩(wěn)定燃弧、熄弧及弧后介質(zhì)恢復(fù)四個角度，對不同階段的電弧面積變化做出定量分析，并探究電弧熄弧階段電弧內(nèi)外面積差變化。實驗表明，通過分析不同階段的等離子體形態(tài)變化，能夠找到電弧平穩(wěn)燃弧及弧后介質(zhì)恢復(fù)的關(guān)鍵點，為高壓等級真空斷路器研發(fā)設(shè)計及后期電弧形態(tài)診斷提供進(jìn)一步參考。

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，真空斷路器的生產(chǎn)數(shù)量逐漸超過中壓SF6開關(guān)。由于其體積小、開斷壽命長和電流容量大等優(yōu)點，真空斷路器的應(yīng)用范圍越來越多向高壓、超高壓擴(kuò)展。真空電弧是斷路器觸頭斷開時，依靠蒸發(fā)金屬蒸氣并電離來維持的低溫等離子體，其形成、發(fā)展和最后熄滅對開斷電路有著重要影響。研究真空電弧等離子體的形態(tài)特征，對斷路器電場、磁場設(shè)計有很好的指導(dǎo)作用。

觸頭在高真空中分離時，其電弧表現(xiàn)形式與外觀特性都與在空氣中的情形有較大區(qū)別。真空斷路器的擊穿機(jī)理目前主要有場致發(fā)射、微粒撞擊和粒子交換三種假說，在短間隙真空斷路器的相關(guān)研究中，通常由場致發(fā)射效應(yīng)占主導(dǎo)。在觸頭斷開時刻，整個陰極表面會產(chǎn)生金屬蒸氣。理論上是由于觸頭分開瞬間，電流集中在觸頭表面某點上，導(dǎo)致金屬橋熔化且部分金屬原子發(fā)生電離。隨著觸頭開距的增大，場致發(fā)射與間隙擊穿增強(qiáng)，觸頭表面金屬凸點不斷溶化并向觸頭間隙補(bǔ)充金屬粒子。此時陰極斑點會在陰極表面形成，并有更多的高能等離子體形成并擴(kuò)散至間隙內(nèi)。電弧引燃后，充滿等離子體的電極間隙變成良好導(dǎo)體，同時陽極開始向電弧提供粒子。在縱向磁場作用下，電弧等離子體由觸頭中心向周圍擴(kuò)散，此過程會維持一段時間。對于交流真空斷路器而言，電流到達(dá)峰值后會逐漸減小，兩觸頭向等離子體提供的粒子同樣減少，此時電極間隙內(nèi)主要為弧后殘存粒子，伴隨著觸頭完全斷開，殘存粒子逐漸擴(kuò)散至消失，斷路器完成開斷。

真空電弧等離子體的產(chǎn)生過程，可以表現(xiàn)為觸頭開距增大、觸頭表面金屬蒸發(fā)，伴隨場致發(fā)射效應(yīng)和金屬電離，由于兩極電子、金屬離子的不斷補(bǔ)充，最終形成電弧。在電弧等離子體的研究方面，王景、武建文等運用連續(xù)光譜法分析了電子溫度和電子密度，并討論了中頻情況下，電弧過渡及擴(kuò)散兩種形態(tài)。胡上茂、姚學(xué)玲等利用RC 阻容式電荷收集器，對初始等離子體的觸發(fā)特性進(jìn)行了研究。舒勝文、黃道春等通過對真空斷路器開斷過程的再研究，提出數(shù)值方針結(jié)合實驗的方法，給出開斷過程不同階段所需的數(shù)值仿真方法及關(guān)注點。趙子玉等通過CCD 攝像技術(shù)，分析了真空電弧的重燃及抑制措施。吳延清等提出了電弧面積的概念，并指出縱向磁場有利于電弧的空間分布，對真空斷路器開斷能力的提高有很大幫助。此外，在電弧圖像的邊緣提取方面以及電弧幾何特性的量化分析方面，也利用圖像序列提取技術(shù)進(jìn)行了初步的研究。

國外Isak I. Beilis 學(xué)者對兩極間等離子體的形成過程及大電流下徑向離子擴(kuò)張做了初步探討。但電弧等離子體在形成及演變過程中，伴隨著中間高濃度等離子的聚集和縱向磁場影響下的對外擴(kuò)散，在此方面的等離子體幾何形態(tài)研究尚有不足。為探究電弧等離子體的內(nèi)部及擴(kuò)散狀態(tài)，以及電弧熄弧階段電弧狀態(tài)與介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的關(guān)系，本文通過實驗對大電流縱向磁場作用下的真空等離子體形態(tài)進(jìn)行數(shù)字圖像采集，計算了高濃度等離子區(qū)的電弧面積以及對外擴(kuò)散量。結(jié)合觸頭開斷后的介質(zhì)恢復(fù)狀況，對等離子體的后續(xù)形態(tài)演變做出了補(bǔ)充。同時，通過對比小電流下的真空電弧形態(tài)變化，給出不同階段電弧演變趨勢的共性結(jié)論。

與真空斷路器開斷過程相對應(yīng)的為真空等離子體的燃弧過程，單純從電弧幾何形狀分析，向川學(xué)者將此過程定性地分為初始集聚、中間擴(kuò)散和最后熄滅三階段。本文研究中，主要分析電弧等離子體的面積形態(tài)以及擴(kuò)散狀態(tài)，需要結(jié)合電弧的物理變化特性，故參考Schade E. 學(xué)者相關(guān)研究，將此過程劃分為引弧、穩(wěn)定燃弧、熄滅和弧后介質(zhì)恢復(fù)四階段。通過對不同階段電弧面積的變化及擴(kuò)散狀況分析，找到電弧等離子體幾何形態(tài)規(guī)律，并在弧后介質(zhì)恢復(fù)階段分析其與電弧擴(kuò)散情況的關(guān)系。

我國交流電網(wǎng)頻率為50 Hz，要求真空斷路器在電流過零點之前完成開斷動作，即需在10 ms 內(nèi)完成熄弧。高速攝像機(jī)能夠在短時間內(nèi)對高速運動物體進(jìn)行多次采樣，十分適合對觸頭高速斷開時產(chǎn)生的電弧進(jìn)行圖像采集。本文借助高速攝像機(jī)，在交流電路下真空斷路器引弧、穩(wěn)定燃弧、熄滅及弧后介質(zhì)恢復(fù)階段等離子體形態(tài)進(jìn)行數(shù)字采集，并對不同階段等離子體的幾何形態(tài)進(jìn)行特征提取。通過對電弧內(nèi)部高能等離子體的面積變化分析以及外圍擴(kuò)散電弧的形態(tài)比較，掌握真空斷路器在整個開斷過程中的電弧幾何形態(tài)，為真空斷路器向高壓等級的整體設(shè)計方面提供一定的參考。其具體實驗流程如圖1。

圖1 實驗具體流程

本文在外加縱向磁場作用下，對大電流真空斷路器開斷圖像進(jìn)行數(shù)字采集，運用高速攝像機(jī)采集434 幀電弧圖像。對電弧等離子體外在輪廓進(jìn)行特征提取，并計算其面積。為保證對圖像面積提取的準(zhǔn)確性，消除t = 1.3 ～1.8 ms 和t = 2.～3. 4 ms 時間內(nèi)，因觸頭片對電弧光線反射帶來的噪聲影響，對電弧圖像進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域提取。圖2(a) 為含噪聲的電弧圖像，對其進(jìn)行二值操作，得到電弧面積形態(tài)如圖2(b) ?？梢郧逦吹椒瓷湓肼晫﹄娀∶娣e提取影響較大。又因噪聲與目標(biāo)點具有相同灰度級別，通過圖像增強(qiáng)的方法不能很好的對圖像進(jìn)行后期處理，故選擇圖像形態(tài)學(xué)處理，選擇中間電弧為特定提取目標(biāo)，提取邊緣后效果如圖2(c) 。

圖2 目標(biāo)區(qū)域提取

真空電弧幾何形態(tài)及其運動規(guī)律對真空斷路器可靠性有較大影響，而引弧與熄滅階段內(nèi)電弧特征直接影響真空斷路器的工作性能。電弧在引弧階段快速聚集，弧根處停滯性較強(qiáng)，因其對觸頭片表面的燒蝕作用，引弧階段直接影響弧后介質(zhì)恢復(fù)的初始條件。此階段外部表現(xiàn)為陰極斑點的形成及運動，其軌跡和速度直接決定宏觀粒子的參數(shù)，進(jìn)而影響電弧后期擴(kuò)散和介質(zhì)恢復(fù)速度。與引弧階段相對應(yīng)，熄滅階段電弧形態(tài)與特性同樣成為確定真空斷路器能否成功斷開的關(guān)鍵，這也是研究大電流下真空斷路器的主要工作內(nèi)容。

交流電弧過零點之后，陰極斑點在短時間內(nèi)會繼續(xù)向真空間隙提供金屬蒸氣。金屬顆粒以中性狀態(tài)懸浮于兩極之間，與殘存的電子、離子相互碰撞。若不能及時將此階段金屬顆粒擴(kuò)散，很有可能會因碰撞電離導(dǎo)致間隙擊穿，進(jìn)而引起電弧重燃。綜上所述，分析引弧與熄滅階段的電弧幾何形態(tài)對整個燃弧階段的面積提取有決定性作用。伴隨著金屬蒸氣的釋放，陰極斑點附近電弧等離子體濃度較高，且在磁場作用下會向周圍擴(kuò)散。陰極斑點釋放的高能等離子體與擴(kuò)散出的粒子共同組成真空電弧，前者即為文中的內(nèi)部電弧，后者為外部擴(kuò)散電弧。對于內(nèi)部電弧的特征提取，由于光強(qiáng)疊加，高能等離子體通過與周圍電弧的亮度差表現(xiàn)出來，識別此特征的關(guān)鍵在于選好合適的亮度閾值。運用MATLAB 圖像處理工具箱中contour函數(shù)，可得到電弧灰度圖像的灰度等值線分布。由于不同階段，等離子體中心光強(qiáng)飽和值不同，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum.com/)認(rèn)為通過計算灰度圖像下不同飽和灰度值可確定目標(biāo)被準(zhǔn)確提取。圖3(a) 為電弧引弧階段圖像，圖3(b) 為電弧熄滅階段圖像，于此相對應(yīng)的灰度等值線圖像分別為圖3(c) 和圖3(d) ?？梢钥闯霾煌A段的電弧灰度圖像，其灰度等值線跳躍較大，前者發(fā)生在249等值線處，后者發(fā)生在242 等值線處(總體灰度范圍為0 ～255) 。將灰度值轉(zhuǎn)換為二值圖像的亮度閾值，對灰度突變的目標(biāo)進(jìn)行采集，即能得到電弧內(nèi)部高能等離子體的分布。經(jīng)計算，電弧引弧階段亮度閾值選為0.98 較為合適，考慮熄弧階段陽極觸頭表面產(chǎn)生電荷鞘層，閾值選取0.95 較為準(zhǔn)確。

圖3 電弧等值線提取

3.1、真空等離子體形態(tài)變化趨勢

真空斷路器實際起弧為間隙絕緣擊穿，為便于采集電弧等離子體運動特性及幾何特征，文中采用施加輔助脈沖電壓來完成觸發(fā)起弧。具體操作是利用擊穿探針產(chǎn)生初始帶電粒子，在電場作用下轟擊陽極表面，進(jìn)而引發(fā)陽離子擴(kuò)散，使主間隙導(dǎo)通。在吳延清學(xué)者提出的電弧面積基礎(chǔ)上，文中探究了高能等離子體集中的內(nèi)部電弧面積與磁場影響下的外部擴(kuò)散面積，兩部分面積差值即為擴(kuò)散量大小。具體處理方法借助MATLAB 圖像處理工具箱，對真空電弧進(jìn)行數(shù)字采集后，選取圖像內(nèi)指定目標(biāo)輪廓，同時計算相鄰每幀的電弧面積差值。對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析后，得到時間-電弧面積曲線，如圖4。從圖中可以看出，外部與內(nèi)部電弧在完全起弧后，同時較為均勻地增大燃弧面積，然后在較短時間內(nèi)完成電弧熄滅。說明引弧后電弧等離子體集聚于觸頭表面，初始階段未向周圍發(fā)生明顯擴(kuò)散。在平穩(wěn)燃弧后，內(nèi)部等離子體首先達(dá)到面積峰值，隨后兩部分面積先后迅速下降。說明從陰極斑點發(fā)射出的電子和金屬蒸氣在內(nèi)部壓強(qiáng)與外部磁場作用下，直徑范圍不斷向外擴(kuò)張，當(dāng)?shù)入x子體填充整個觸頭后，隨著觸頭的分離縱向拉伸。峰值后電弧面積急劇下降，是由于電弧電流的不斷增大，內(nèi)部高能等離子體在陽極附近嚴(yán)重收縮直至斷開，這也導(dǎo)致電弧輪廓的減小。在電弧熄滅后期，內(nèi)部等離子體面積下降到一定范圍后有較長時間的平穩(wěn)維持階段，而外部輪廓則在內(nèi)部電弧降低后繼續(xù)保持其形態(tài)。說明此時陰極斑點數(shù)量不斷下降，蒸發(fā)的金屬粒子不斷減少，觸頭間隙內(nèi)電弧主要由剩余粒子構(gòu)成。在外部磁場與梯度壓力作用下，電弧密度迅速降低，最終使電弧完全熄滅。從剩余粒子擴(kuò)散角度看，其擴(kuò)散效率直接關(guān)系到真空斷路器能否完成正常開斷。

圖4 電弧面積變化曲線

為更好表現(xiàn)等離子體的擴(kuò)散效應(yīng)，了解弧后介質(zhì)恢復(fù)階段電弧形態(tài)變化，本文計算觸頭斷開過程中內(nèi)部電弧與外部擴(kuò)散電弧面積差值，如圖5。圖中在t = 7 ms 時有明顯的峰值，說明此時面積差值達(dá)到最大，這也是電弧進(jìn)入最后熄滅階段的標(biāo)志。圖中在t = 8 ～9 ms 時，電弧面積差值出現(xiàn)平緩趨勢，說明此時觸頭不再向間隙提供能量，觸頭間等離子體主要有剩余粒子構(gòu)成，在縱向磁場的作用下，不斷向周圍擴(kuò)散。t = 9 ms 以后電弧熄滅完全，電弧面積差維持在較低水平，說明內(nèi)外電弧逐漸達(dá)到統(tǒng)一，真空介質(zhì)恢復(fù)快速完成。

圖5 電弧面積差值變化曲線

3.2、真空等離子體形態(tài)說明

通過對高速攝像機(jī)采集到一組真空電弧分析，t= 0.2～6.8 ms 為引弧和穩(wěn)定燃弧階段，此階段電弧形態(tài)主要為陰極斑點形成和電弧等離子體充滿真?zhèn)€觸頭間隙，因此時兩極不斷向間隙補(bǔ)充電子及高能粒子，故此時雖電弧整體輪廓不斷增大，但擴(kuò)散現(xiàn)象并不明顯。為更加清晰地展示內(nèi)外電弧幾何形態(tài)區(qū)別，本文主要對熄滅階段及弧后介質(zhì)恢復(fù)階段的電弧形態(tài)做出后期處理，對穩(wěn)定燃弧階段的內(nèi)部高能等離子體形態(tài)未做出細(xì)節(jié)分析。t=6.9ms 開始為真空熄弧階段，內(nèi)外面積差開始激增，內(nèi)部高能等離子體面積逐漸減小，電弧外部輪廓在縱向磁場作用下維持?jǐn)U散狀態(tài)，其電弧原始圖像與內(nèi)部高能等離子體分布二值圖像如圖6。圖中可看出內(nèi)部高能電弧即將從兩極分?jǐn)嚅_來，外部電弧輪廓基本維持在穩(wěn)定擴(kuò)散狀態(tài)。

t = 7.5 ms 以后熄弧階段開始向弧后介質(zhì)恢復(fù)階段過渡，內(nèi)部等離子面積分布迅速減小，外部電弧輪廓也出現(xiàn)縮小現(xiàn)象，如圖7。圖7(b)中陽極表面為電荷鞘層，主要是由于觸頭分開后殘余粒子定向移動引起。經(jīng)過此階段后，內(nèi)部等離子體維持這一狀態(tài)而外部電弧開始對外擴(kuò)散，并在電流過零點以前擴(kuò)散完全。從二值圖像中可以看出，剩余粒子對電弧重燃起到很大作用。

3.3、對比實驗

文中高速攝像機(jī)采集的電弧圖像為垂直拍攝方式，其中涉及到光強(qiáng)疊加與電弧徑向分布不均等問題。在擴(kuò)散型電弧數(shù)字采集過程中，圖像中內(nèi)部電弧達(dá)到光強(qiáng)飽和邊緣，但未超出實驗可分析的灰度差范圍。為保證電弧等離子體幾何形態(tài)特征提取的準(zhǔn)確性，特采集小電流擴(kuò)散型電弧圖像作為對比實驗，這里只分析熄弧階段的電弧等離子體特征，電弧熄弧階段等離子體形態(tài)如圖8。經(jīng)過對電弧圖像去噪聲及形態(tài)學(xué)處理，計算外部輪廓與內(nèi)部高能等離子體形態(tài)分布，其時間-面積曲線如圖9。

圖7 介質(zhì)恢復(fù)階段電弧面積形態(tài)圖

圖8 集聚型電弧面積形態(tài)圖

圖9 集聚型電弧面積變化曲線

圖9 中可看出，內(nèi)部等離子體在t=6.2 ms 以后達(dá)到維持平穩(wěn)階段，而外部擴(kuò)散電弧繼續(xù)保持?jǐn)U散狀態(tài)，與擴(kuò)散型電弧具有相同的形態(tài)變化，說明用內(nèi)外電弧面積差來分析等離子體的幾何形態(tài)變化是合理的。

需要補(bǔ)充的是，在引弧及穩(wěn)定燃弧初期，因電弧主要由陰極斑點構(gòu)成，實驗測得的內(nèi)部電弧與外部輪廓基本重合，為更能清楚的表現(xiàn)內(nèi)外電弧差，本文在前期提取內(nèi)部電弧時，適當(dāng)增大閾值。此外，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum.com/)認(rèn)為觸頭分開的時間點設(shè)為交流電正弦波過零點處，便于說明引弧及弧后介質(zhì)恢復(fù)現(xiàn)象。

本文利用高速攝像機(jī)采集真空斷路器斷開時電弧形態(tài)，通過圖像去噪、數(shù)字圖像形態(tài)學(xué)操作，用選定特殊閾值的方法對電弧外在輪廓及內(nèi)部高能等離子幾何形狀(主要為面積形狀) 進(jìn)行統(tǒng)計說明，同時分析了內(nèi)部高能等離子體與電弧外在輪廓的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1)伴隨著真空電弧引弧、平穩(wěn)燃弧、熄弧及弧后介質(zhì)恢復(fù)四階段，電弧等離子體面積形態(tài)可分為平穩(wěn)擴(kuò)散、迅速減小和后期維持三個階段。在平穩(wěn)擴(kuò)散階段內(nèi)部高能等離子體不斷得到補(bǔ)充，與電弧輪廓同比例增加。面積迅速減小階段，觸頭逐漸停止向間隙提供粒子，內(nèi)部電弧在磁場作用下被擴(kuò)散至周圍，電弧開始熄滅。后期維持階段主要表現(xiàn)為殘余粒子和電荷鞘層。隨著殘余粒子的消散，介質(zhì)恢復(fù)不斷得到加強(qiáng)，此階段的電弧形態(tài)直接影響著重燃與否。

(2)通過電弧內(nèi)外面積差，可以看出真空斷路器是否熄弧完全。高效的分?jǐn)嚯娀”憩F(xiàn)為，電流過零點之后，面積差迅速增大，高能等離子體得不到有效補(bǔ)充; 達(dá)到峰值后，面積差迅速減小，使得殘余粒子快速擴(kuò)散，為介質(zhì)恢復(fù)提供條件。