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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，觸頭表面金屬凸點不斷溶化并向觸頭間隙補充金屬粒子。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，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，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散。陰極斑點釋放的高能等離子體與擴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，后者為外部擴散電弧。對于內(nèi)部電弧的特征提取，由于光強疊加，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) 。可以看出不同階段的電弧灰度圖像，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散面積，兩部分面積差值即為擴散量大小。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)部壓強與外部磁場作用下，直徑范圍不斷向外擴張，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。從剩余粒子擴散角度看，其擴散效率直接關(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充電子及高能粒子，故此時雖電弧整體輪廓不斷增大，但擴散現(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散，并在電流過零點以前擴散完全。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

文中高速攝像機采集的電弧圖像為垂直拍攝方式，其中涉及到光強疊加與電弧徑向分布不均等問題。在擴散型電弧數(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，而外部擴散電弧繼續(xù)保持?jǐn)U散狀態(tài)，與擴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)擴散、迅速減小和后期維持三個階段。在平穩(wěn)擴散階段內(nèi)部高能等離子體不斷得到補充，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，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充; 達(dá)到峰值后，面積差迅速減小，使得殘余粒子快速擴散，為介質(zhì)恢復(fù)提供條件。