真空斷路器逐漸向高壓等級(jí)發(fā)展，工作時(shí)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(duì)電弧幾何形態(tài)進(jìn)行數(shù)字采集，運(yùn)用圖像去噪聲、選取合適閾值方法，對(duì)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(shí)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(gè)角度，對(duì)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(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)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(diǎn)，為高壓等級(jí)真空斷路器研發(fā)設(shè)計(jì)及后期電弧形態(tài)診斷提供進(jìn)一步參考。

　　隨著我國(guó)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(guò)中壓SF6開關(guān)。由于其體積小、開斷壽命長(zhǎng)和電流容量大等優(yōu)點(diǎn)，真空斷路器的應(yīng)用范圍越來(lái)越多向高壓、超高壓擴(kuò)展。真空電弧是斷路器觸頭斷開時(shí)，依靠蒸發(fā)金屬蒸氣并電離來(lái)維持的低溫等離子體，其形成、發(fā)展和最后熄滅對(duì)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(duì)斷路器電場(chǎng)、磁場(chǎng)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。

　　觸頭在高真空中分離時(shí)，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(chǎng)致發(fā)射、微粒撞擊和粒子交換三種假說(shuō)，在短間隙真空斷路器的相關(guān)研究中，通常由場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)占主導(dǎo)。在觸頭斷開時(shí)刻，整個(gè)陰極表面會(huì)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(diǎn)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(chǎng)致發(fā)射與間隙擊穿增強(qiáng)，觸頭表面金屬凸點(diǎn)不斷溶化并向觸頭間隙補(bǔ)充金屬粒子。此時(shí)陰極斑點(diǎn)會(huì)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(shí)陽(yáng)極開始向電弧提供粒子。在縱向磁場(chǎng)作用下，電弧等離子體由觸頭中心向周圍擴(kuò)散，此過(guò)程會(huì)維持一段時(shí)間。對(duì)于交流真空斷路器而言，電流到達(dá)峰值后會(huì)逐漸減小，兩觸頭向等離子體提供的粒子同樣減少，此時(shí)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(guò)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(chǎng)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(yùn)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(guò)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(duì)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(guò)對(duì)真空斷路器開斷過(guò)程的再研究，提出數(shù)值方針結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法，給出開斷過(guò)程不同階段所需的數(shù)值仿真方法及關(guān)注點(diǎn)。趙子玉等通過(guò)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(chǎng)有利于電弧的空間分布，對(duì)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(guó)外Isak I. Beilis 學(xué)者對(duì)兩極間等離子體的形成過(guò)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(guò)程中，伴隨著中間高濃度等離子的聚集和縱向磁場(chǎng)影響下的對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)大電流縱向磁場(chǎng)作用下的真空等離子體形態(tài)進(jìn)行數(shù)字圖像采集，計(jì)算了高濃度等離子區(qū)的電弧面積以及對(duì)外擴(kuò)散量。結(jié)合觸頭開斷后的介質(zhì)恢復(fù)狀況，對(duì)等離子體的后續(xù)形態(tài)演變做出了補(bǔ)充。同時(shí)，通過(guò)對(duì)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(shì)的共性結(jié)論。

1、電弧圖像采集過(guò)程

　　與真空斷路器開斷過(guò)程相對(duì)應(yīng)的為真空等離子體的燃弧過(guò)程，單純從電弧幾何形狀分析，向川學(xué)者將此過(guò)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(guò)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(guò)對(duì)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(guó)交流電網(wǎng)頻率為50 Hz，要求真空斷路器在電流過(guò)零點(diǎn)之前完成開斷動(dòng)作，即需在10 ms 內(nèi)完成熄弧。高速攝像機(jī)能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行多次采樣，十分適合對(duì)觸頭高速斷開時(shí)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(duì)不同階段等離子體的幾何形態(tài)進(jìn)行特征提取。通過(guò)對(duì)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(gè)開斷過(guò)程中的電弧幾何形態(tài)，為真空斷路器向高壓等級(jí)的整體設(shè)計(jì)方面提供一定的參考。其具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)具體流程

2、形態(tài)特征提取方法

　　本文在外加縱向磁場(chǎng)作用下，對(duì)大電流真空斷路器開斷圖像進(jìn)行數(shù)字采集，運(yùn)用高速攝像機(jī)采集434 幀電弧圖像。對(duì)電弧等離子體外在輪廓進(jìn)行特征提取，并計(jì)算其面積。為保證對(duì)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(shí)間內(nèi)，因觸頭片對(duì)電弧光線反射帶來(lái)的噪聲影響，對(duì)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(duì)其進(jìn)行二值操作，得到電弧面積形態(tài)如圖2(b) 。可以清晰看到反射噪聲對(duì)電弧面積提取影響較大。又因噪聲與目標(biāo)點(diǎn)具有相同灰度級(jí)別，通過(guò)圖像增強(qiáng)的方法不能很好的對(duì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)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(duì)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(diǎn)的形成及運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(guò)零點(diǎn)之后，陰極斑點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)會(huì)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(shí)將此階段金屬顆粒擴(kuò)散，很有可能會(huì)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(duì)整個(gè)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(diǎn)附近電弧等離子體濃度較高，且在磁場(chǎng)作用下會(huì)向周圍擴(kuò)散。陰極斑點(diǎn)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(duì)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(guò)與周圍電弧的亮度差表現(xiàn)出來(lái)，識(shí)別此特征的關(guān)鍵在于選好合適的亮度閾值。運(yùn)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(guò)計(jì)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(duì)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(duì)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(jì)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(yáng)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、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1、真空等離子體形態(tài)變化趨勢(shì)

　　真空斷路器實(shí)際起弧為間隙絕緣擊穿，為便于采集電弧等離子體運(yùn)動(dòng)特性及幾何特征，文中采用施加輔助脈沖電壓來(lái)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(chǎng)作用下轟擊陽(yáng)極表面，進(jìn)而引發(fā)陽(yáng)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(chǎng)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(duì)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(shí)計(jì)算相鄰每幀的電弧面積差值。對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，得到時(shí)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(shí)較為均勻地增大燃弧面積，然后在較短時(shí)間內(nèi)完成電弧熄滅。說(shuō)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(shuō)明從陰極斑點(diǎn)發(fā)射出的電子和金屬蒸氣在內(nèi)部壓強(qiáng)與外部磁場(chǎng)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(gè)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(yáng)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(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)維持階段，而外部輪廓?jiǎng)t在內(nèi)部電弧降低后繼續(xù)保持其形態(tài)。說(shuō)明此時(shí)陰極斑點(diǎn)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(chǎng)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(jì)算觸頭斷開過(guò)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(shí)有明顯的峰值，說(shuō)明此時(shí)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(shí)，電弧面積差值出現(xiàn)平緩趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)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(chǎng)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(shuō)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。

　　3.2、真空等離子體形態(tài)說(shuō)明

　　通過(guò)對(duì)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(diǎn)形成和電弧等離子體充滿真?zhèn)€觸頭間隙，因此時(shí)兩極不斷向間隙補(bǔ)充電子及高能粒子，故此時(shí)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(lái)，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(guò)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(yáng)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(dòng)引起。經(jīng)過(guò)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(duì)外擴(kuò)散，并在電流過(guò)零點(diǎn)以前擴(kuò)散完全。從二值圖像中可以看出，剩余粒子對(duì)電弧重燃起到很大作用。

　　3.3、對(duì)比實(shí)驗(yàn)

　　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(guò)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(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(guò)對(duì)電弧圖像去噪聲及形態(tài)學(xué)處理，計(jì)算外部輪廓與內(nèi)部高能等離子體形態(tài)分布，其時(shí)間-面積曲線如圖9。

　　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(shuō)明用內(nèi)外電弧面積差來(lái)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(diǎn)構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)，適當(dāng)增大閾值。

4、結(jié)論

　　本文利用高速攝像機(jī)采集真空斷路器斷開時(shí)電弧形態(tài)，通過(guò)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(duì)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(jì)說(shuō)明，同時(shí)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(gè)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(chǎng)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(guò)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(guò)零點(diǎn)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。