真空開(kāi)關(guān)電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。圖中電抗器L0、C0 及二極管VD 組成工頻電流源。可拆滅弧室由不銹鋼做成, 并且有兩個(gè)玻璃窗口, 以便觀察真空電弧圖像及對(duì)其特性檢測(cè)。在可拆滅弧室內(nèi)上下各固定有一個(gè)可拆卸的電極觸頭, 上端為陽(yáng)極觸頭, 經(jīng)陶瓷與可拆滅弧室上端蓋固定, 下端為陰極觸頭, 經(jīng)波紋管與瓷套相連, 其上下位置可調(diào)節(jié), 以改變觸頭開(kāi)距。

       觸發(fā)電極固定在陰極觸頭上, 經(jīng)與下端蓋絕緣的接線柱引出, 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。機(jī)械泵和擴(kuò)散泵構(gòu)成真空排氣系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中, 機(jī)械泵和擴(kuò)散泵始終處于工作狀態(tài)以維持滅弧室真空度要高于6.66×10- 2 Pa。真空電弧的引燃是通過(guò)高壓脈沖輔助電極觸發(fā)方式完成, 該輔助電極被設(shè)置在陰極的中心位置。電弧的伏安特性由分壓器和分流器測(cè)得。

圖1：真空電弧實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)

      真空開(kāi)關(guān)電弧圖像采集系統(tǒng)由光學(xué)鏡片, CMOS 相機(jī), 圖像采集卡及計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 由同步觸發(fā)電路同時(shí)觸發(fā)控制真空電弧的觸發(fā)電路和高速攝像機(jī)CMOS,電弧圖像通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)凸鏡成像于相機(jī)中, 在通過(guò)1394 卡, 將采集得到的圖像保存在計(jì)算機(jī), 然后借助圖像分析軟件MATLAB 對(duì)真空電弧圖像進(jìn)行分析和研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

      實(shí)驗(yàn)條件如下: 主電路中電容兩端電壓為120 V, 電極觸頭為CuCr 合金, 結(jié)構(gòu)為1/3 匝縱磁場(chǎng), 開(kāi)距為10 mm, 高速相機(jī)采用Optronis 公司生產(chǎn)的CamRacord 1000 高速CMOS 相機(jī), 最大分辨率可達(dá)1280×1024, 最大采樣頻率可達(dá)200,000 fps。圖3是在此實(shí)驗(yàn)條件下得到的真空電弧圖片。

圖3：真空電弧形態(tài)

       根據(jù)圖3 可將燃弧過(guò)程分為: 1 起弧階段( 見(jiàn)1, 2, 3) , 2 擴(kuò)散階段( 見(jiàn)4, 5, 6) , 3 集聚階段( 見(jiàn)7, 8, 9) , 4 擴(kuò)散階段( 見(jiàn)10, 11, 12) , 5 熄滅階段( 見(jiàn)13, 14, 15) 。圖4 中1 為觸發(fā)電極在陰極觸頭觸發(fā)起弧, 為主間隙的導(dǎo)通提供了初始等離子體; 從2, 3 可以看出, 點(diǎn)火電極瞬間產(chǎn)生的等離子體球在電場(chǎng)里作用下噴向并撞擊陽(yáng)極, 能量很高, 電弧迅速在陰陽(yáng)電極之間擴(kuò)散, 并且在陽(yáng)極表面形成了集聚電弧; 由4, 5, 6 可以看出在陽(yáng)極表面光亮區(qū)域迅速增加, 同時(shí)由于電動(dòng)力作用電弧在陰極表面做高速向左偏移運(yùn)動(dòng), 導(dǎo)致陽(yáng)極表面亮度左邊比右邊高; 隨著電弧電流的增加, 電弧弧柱在7, 8, 9 出現(xiàn)收縮, 電弧由擴(kuò)散形態(tài)轉(zhuǎn)為集聚形態(tài), 并且在陽(yáng)極表面形成陽(yáng)極斑點(diǎn); 電流出現(xiàn)峰值以后, 電弧由集聚狀態(tài)過(guò)渡到擴(kuò)散形態(tài), 并且弧柱在不斷變小至斷開(kāi), 如10, 11, 12 所示; 在弧柱斷開(kāi)以后, 隨著電流進(jìn)一步的降低, 陽(yáng)極表面光亮區(qū)域消失, 并且在陰極表面出現(xiàn)很多不斷運(yùn)動(dòng)的陰極斑點(diǎn), 數(shù)量在不斷減少, 最后在陰極表面出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn), 并且熄滅, 如13, 14, 15所表示。

結(jié)論

        真空電弧在燃燒過(guò)程中由于其電、熱、磁參量及斷路器機(jī)械參量的變化, 將導(dǎo)致其燃弧形態(tài)發(fā)生變化, 特別是在磁場(chǎng)的控制下, 電弧的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)各不同。借助高速攝像設(shè)備研究不同的控制方式下的電弧運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)了解真空電弧的穩(wěn)定性、開(kāi)發(fā)大容量的真空開(kāi)關(guān)具有重要的理論意義和使用價(jià)值。