真空開關電弧實驗系統設計如圖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, 并且有兩個玻璃窗口, 以便觀察真空電弧圖像及對其特性檢測。在可拆滅弧室內上下各固定有一個可拆卸的電極觸頭, 上端為陽極觸頭, 經陶瓷與可拆滅弧室上端蓋固定, 下端為陰極觸頭, 經波紋管與瓷套相連, 其上下位置可調節, 以改變觸頭開距。

       觸發電極固定在陰極觸頭上, 經與下端蓋絕緣的接線柱引出, 觸發電路設計見參考文獻[9]。機械泵和擴散泵構成真空排氣系統。試驗過程中, 機械泵和擴散泵始終處于工作狀態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高壓脈沖輔助電極觸發方式完成, 該輔助電極被設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得。

圖1：真空電弧實驗裝置系統

圖像采集系統

      真空開關電弧圖像采集系統由光學鏡片, CMOS 相機, 圖像采集卡及計算機組成。實驗過程中, 由同步觸發電路同時觸發控制真空電弧的觸發電路和高速攝像機CMOS,電弧圖像通過光學系統凸鏡成像于相機中, 在通過1394 卡, 將采集得到的圖像保存在計算機, 然后借助圖像分析軟件MATLAB 對真空電弧圖像進行分析和研究。

實驗結果及分析

      實驗條件如下: 主電路中電容兩端電壓為120 V, 電極觸頭為CuCr 合金, 結構為1/3 匝縱磁場, 開距為10 mm, 高速相機采用Optronis 公司生產的CamRacord 1000 高速CMOS 相機, 最大分辨率可達1280×1024, 最大采樣頻率可達200,000 fps。圖3是在此實驗條件下得到的真空電弧圖片。

圖3：真空電弧形態

       根據圖3 可將燃弧過程分為: 1 起弧階段( 見1, 2, 3) , 2 擴散階段( 見4, 5, 6) , 3 集聚階段( 見7, 8, 9) , 4 擴散階段( 見10, 11, 12) , 5 熄滅階段( 見13, 14, 15) 。圖4 中1 為觸發電極在陰極觸頭觸發起弧, 為主間隙的導通提供了初始等離子體; 從2, 3 可以看出, 點火電極瞬間產生的等離子體球在電場里作用下噴向并撞擊陽極, 能量很高, 電弧迅速在陰陽電極之間擴散, 并且在陽極表面形成了集聚電弧; 由4, 5, 6 可以看出在陽極表面光亮區域迅速增加, 同時由于電動力作用電弧在陰極表面做高速向左偏移運動, 導致陽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 出現收縮, 電弧由擴散形態轉為集聚形態, 并且在陽極表面形成陽極斑點; 電流出現峰值以后, 電弧由集聚狀態過渡到擴散形態, 并且弧柱在不斷變小至斷開, 如10, 11, 12 所示; 在弧柱斷開以后, 隨著電流進一步的降低, 陽極表面光亮區域消失, 并且在陰極表面出現很多不斷運動的陰極斑點, 數量在不斷減少, 最后在陰極表面出現一個亮點, 并且熄滅, 如13, 14, 15所表示。

結論

        真空電弧在燃燒過程中由于其電、熱、磁參量及斷路器機械參量的變化, 將導致其燃弧形態發生變化, 特別是在磁場的控制下, 電弧的形態和運動性質各不同。借助高速攝像設備研究不同的控制方式下的電弧運動規律對了解真空電弧的穩定性、開發大容量的真空開關具有重要的理論意義和使用價值。