真空開關電弧電子溫度診斷原理
真空開關作為電力系統(tǒng)中的控制和保護設備,其主要特點是利用真空作為主觸頭間的絕緣介質和滅弧介質,真空的優(yōu)異絕緣強度和滅弧能力給真空開關帶來眾多優(yōu)點,真空開關在多種領域得到了廣泛的應用,特別是在我國電力系統(tǒng)中壓領域占有絕對的統(tǒng)治地位。
為了提高真空開關的電壓等級和電流等級,這就需要對其相關特性進行深入的研究,特別是真空開關電弧基礎物理理論的研究至關重要。目前在電弧等離子體進行有效診斷的基礎上對其進行調控是真空開關領域重要的任務之一,把有效的調控手段應用到真空開關的設計中,就可以大大提高裝置的工作性能和指標,完成電力系統(tǒng)短路保護的苛刻任務。國內外目前許多學者對真空開關電弧在不同的電參數(shù)下的形態(tài)變化規(guī)律及電弧模擬仿真作了大量的研究 ,在電弧等離子體參數(shù)診斷方面報道不是很多,國內曾有對電子溫度和電子密度的變化趨勢作了定性的研究 。
本文建立了真空開關電弧實驗模型,通過設計的圖像采集系統(tǒng)對真空電弧進行了采集,在此基礎上結合圖像處理和二比色測溫原理,繪制了真空開關電弧的溫度場,計算了電子溫度,旨在為真空開關的心臟———真空滅弧室的設計和制造提供理論依據(jù),促進真空開關在高電壓、大電流領域的應用。
診斷原理
等離子體中存在著大量的帶電粒子,它們之有著各種復雜的相互作用,它們所輻射的電磁波具有很廣闊的頻率范圍。如何通過這些輻射得到等離子體的成分(電子密度、電子溫度、離子溫度、離子密度等) 及其分布是等離子體診斷的一個重要方面。對于黑體來說,不必知道輻射的詳細過程,可直接采用普朗克輻射公式來描述各種溫度下的輻射譜。但在真空中的等離子體,不是完全吸收體,須考察其具體的輻射過程。輻射過程有軔致輻射和復合輻射兩種。軔致輻射就是由作熱運動的電子和離子碰撞時電子在庫侖場中被加速或減速產(chǎn)生的輻射。復合輻射是通過電子和離子的碰撞使彼此間結合起來而生的輻射。等離子體的連續(xù)輻射總強度是由軔致輻射強度和復合輻射強度組成的。在真空開關電弧中,等離子體輻射主要是由軔致輻射決定的,且自由電子的速度遠遠大于離子速度,韌致輻射主要由電子產(chǎn)生。采用量子力學方法及Abel 變換處理可得到電子密度的表達式 :
式中:
;Lu:鏡頭光圈系數(shù);La:透光及采集系統(tǒng)轉換系數(shù);Ω:被觀測點對透鏡所張的立體角; S:象元所對應的被觀測點的面積;Kf:濾光片光譜特性;Ne:電子密度;g:量子力學效應所引起的修正因子,稱為崗特因子;z:原子序數(shù);h:普朗克常數(shù);k:玻爾茲曼常數(shù);Tki:Abel逆變換系數(shù)。
試驗過程中利用兩個不同中心波長, 相應中心頻率為f1,f2分別測得沿y軸電弧輻射強度為I1,2,分別代入式(1) 可得:
對比式(2),式(3)可得:
由式(4)可看出, 只要求出不同頻率(f1,f2)的相對光強值,便可求得其電子溫度,這便是利用二比色法即不同頻率下光強求得電子溫度的方法。
若等離子體是均勻的, 即沿著軸向的電子溫度是相等的,則不用Abel變換,可求得:
因此測得連續(xù)輻射強度比γ, 由上式就可以求出電子溫度kTe,同時可看出,當
時, 強度比γ隨kTe 的變化不太靈敏,因此,該方法可測的電子溫度范圍為
。
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