基于PIV技術(shù)真空開關(guān)電弧流場實(shí)驗(yàn)研究

　　為了對真空開關(guān)電弧燃燒過程及熱形態(tài)變化規(guī)律研究，本文采用粒子成像測速( PIV) 技術(shù)對短間隙真空開關(guān)電弧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，觀察分析了電弧流場的信息，有明顯的漩渦區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用PIV 技術(shù)能較好地獲取真空開關(guān)電弧燃燒二維速度場分布; 隨著電弧電流不斷增大，真空間隙中金屬蒸氣壓力不斷增大，電弧加速向四周擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電弧電流增大到一定值時(shí)，在電弧四周產(chǎn)生明顯的渦流區(qū)域; 電弧電流峰值過后，渦流區(qū)域不斷減小，當(dāng)電弧電流減小到一定值時(shí)，電弧不再向外擴(kuò)散，而是向弧柱中心做集聚運(yùn)動(dòng)。

　　真空滅弧室是真空開關(guān)的核心部件之一，深入研究真空滅弧室關(guān)鍵技術(shù)是促進(jìn)真空開關(guān)發(fā)展的關(guān)鍵所在。開展真空電弧基礎(chǔ)理論研究，特別是對電弧燃燒分布及變化規(guī)律研究對真空滅弧室的設(shè)計(jì)制造有著重要的指導(dǎo)意義。由于真空開關(guān)電弧是在封閉的真空環(huán)境中產(chǎn)生，這就給真空電弧研究工作帶來困難和挑戰(zhàn)。自從開展真空滅弧室研究以來，在真空電弧研究領(lǐng)域主要是采用實(shí)驗(yàn)診斷和仿真計(jì)算模擬兩種方法。在實(shí)驗(yàn)診斷方面，國內(nèi)外主要是采用光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電弧動(dòng)態(tài)圖像采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電弧燃燒過程的分析。如P. G. Slade研究了真空電弧起弧和燃弧過程中弧柱形態(tài)變化; Heberlein利用高速攝像對平板結(jié)構(gòu)觸頭的電弧進(jìn)行了分析; 武建文采用自行設(shè)計(jì)的光纖陣列對真空電弧圖像進(jìn)行了采集，并對中頻電弧形態(tài)進(jìn)行了研究; 苑舜等對插接式真空滅弧室電弧形態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究; 董華軍運(yùn)用高速CMOS 攝像機(jī)對短間隙真空開關(guān)電弧圖形進(jìn)行了采集及分析。在電流流場仿真方面，吳翊等對觸頭打開過程中低壓空氣電弧等離子體的動(dòng)態(tài)分析。這些研究分析了電弧燃燒過程，促進(jìn)了對真空開關(guān)電弧物理特性的了解。但目前在真空開關(guān)電弧領(lǐng)域，依舊存在很多基礎(chǔ)理論未知領(lǐng)域，特別是在電弧燃燒過程中很多細(xì)節(jié)特征及流場特性無法掌握，不能實(shí)現(xiàn)對電弧有效調(diào)控，導(dǎo)致真空滅弧室設(shè)計(jì)缺少理論依據(jù)和技術(shù)支持，從而影響和制約了真空滅弧室的發(fā)展。

　　粒子成像測速( PIV，Particle Imaging Velocimetry)技術(shù)是在流動(dòng)顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的一種非接觸式流場測量技術(shù)。PIV 技術(shù)具有以下顯著特點(diǎn): ①能研究空間全流場的速度分布; ②可獲得流場隨時(shí)間的變化規(guī)律; ③對流場干擾小。國內(nèi)引入PIV 測試技術(shù)已有十余年，在工農(nóng)業(yè)機(jī)械、航空航天及醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。在燃燒診斷領(lǐng)域里張鴻雁等應(yīng)用PIV 對二維溫室繞流流場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了繞流瞬態(tài)流場和時(shí)均流場的信息。顏應(yīng)文等應(yīng)用PIV 研究了具有兩級軸向旋流器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室旋流流場特性( 包括冷態(tài)流場和燃燒流場) 。但在真空開關(guān)電弧研究領(lǐng)域應(yīng)用報(bào)道不多，本文針對真空開關(guān)電弧研究現(xiàn)狀，開展了基于PIV 技術(shù)電弧實(shí)驗(yàn)研究。獲得真空電弧的速度分布及粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)顯示了電弧在電磁作用下的渦流場，為真空開關(guān)電弧流場研究提供了新的試驗(yàn)技術(shù)手段。

1、實(shí)驗(yàn)裝置及PIV 系統(tǒng)

　　可拆滅弧室上端為電極陽極，下端為電極陰極，陰極通過金屬波紋管連接，可上下調(diào)節(jié)保證觸頭陰極和陽極之間的開距，也可連接操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)關(guān)合動(dòng)作。以可拆滅弧室為主體的實(shí)驗(yàn)電路如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要有4 個(gè)組成部分，第一部分是由電容C0、L0及二極管D 組成的電源部分，合適的選擇電容、電感參數(shù)，可產(chǎn)生工頻交流源; 第二部分是可拆滅弧室主體，主要包括兩個(gè)可視玻璃窗口;第三部分是真空單元，主要包括由機(jī)械泵，分子泵組成的抽氣系統(tǒng)，由電阻規(guī)和電離規(guī)組成的真空度檢測部分，確定真空腔體的真空度高于10 ^-2 Pa 才能進(jìn)行真空電弧實(shí)驗(yàn); 第四部分是真空電弧伏安特性檢測單元，主要包括分壓器和分流器，通過示波器采集信號可得到電弧伏安特性。

圖1 真空電弧實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

　　二維PIV 測試系統(tǒng)一般包括光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、反映流場特性的示蹤粒子及圖像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。真空開關(guān)電弧壽命較短，一般只有10ms 左右，因此需選用高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)電弧圖像高分辨率的采集，實(shí)驗(yàn)中選用型號為Cam Record 1000 C的高速攝像機(jī)，相機(jī)在1280 × 1024 分辨率下每秒采集速度可達(dá)1000 幀，并且相機(jī)帶了4 G 的緩存，在此條件下可以連續(xù)拍攝3. 2 s。在分辨率為1280 ×4 下每秒采集速度可達(dá)200 000 幀，在此條件下可以連續(xù)拍攝4. 2 s，可滿足實(shí)驗(yàn)的需要。在真空開關(guān)電弧蒸氣里面，由于電弧等離子體中粒子是多相流動(dòng)的一部分，因此電弧粒子本身就是研究對象，即示蹤粒子。光學(xué)系統(tǒng)，由于真空開關(guān)電弧本身產(chǎn)生很強(qiáng)的光亮，本實(shí)驗(yàn)研究真空開關(guān)電弧流場特性，因此不需輔助光源。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　運(yùn)用PIV 軟件對采集得到的電弧圖像進(jìn)行分析，分別診斷起弧階段，電弧燃燒擴(kuò)散階段及熄滅階段的粒子運(yùn)行特征。圖2 為PIV 實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果，圖中箭頭表示矢量運(yùn)動(dòng)方向，箭頭長短表示瞬時(shí)速度大小; 顏色只是為了顯示不同區(qū)域效果，無實(shí)際意義。由圖2( a) 所示可看出，在起弧階段，真空間隙中金屬蒸氣壓力較低，電弧向外擴(kuò)散速度不是很快，且由中心向四周較均勻擴(kuò)散; 圖2( b) 、( c) 中電弧電流增大到一定程度，金屬蒸氣充滿了真空間隙，內(nèi)部蒸氣壓力較大，電弧迅速向四周擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，且由于電磁場作用，在電極觸頭邊緣區(qū)域產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生以后隨著電流減小，渦流區(qū)域變小，且有向弧柱中心運(yùn)動(dòng)趨勢; 在圖2( d) 中，電弧電流進(jìn)一步減小，真空間隙中電弧不能形成橋，而是孤立的陰極斑團(tuán)在陰極表面擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，此時(shí)真空間隙中金屬蒸氣壓力變小，電弧粒子擴(kuò)散速度也發(fā)生了改變，不再是由中心向四周擴(kuò)散，而是由四周向中心集聚。

圖2 電弧流場PIV 診斷結(jié)果

3、結(jié)論

　　本文嘗試將PIV 技術(shù)應(yīng)用到真空開關(guān)電弧流場診斷上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到結(jié)論如下:

　　(1) 運(yùn)用PIV 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)電弧燃燒二維速度場分布圖繪制，取得了很好的效果，有效的分析了電弧流場及渦流特征。

　　(2) 真空開關(guān)電弧產(chǎn)生后，金屬蒸氣迅速向四周做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，且弧柱中心由于金屬蒸氣壓力，相對擴(kuò)散速度較慢，弧柱四周擴(kuò)散速度相對較高; 當(dāng)電弧電流值增大到一定值，在電弧弧柱周圍產(chǎn)生漩渦，電弧電流越大，漩渦越大，漩渦的產(chǎn)生抑制了電弧的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著電弧的熄滅，漩渦由大變小，最終消失。同時(shí)在電弧電流小到一定程度時(shí)，金屬蒸氣電弧運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了改變，由四周向弧柱中心運(yùn)動(dòng)，這是由于弧柱中心金屬蒸氣密度降低，中心區(qū)域溫度降低，導(dǎo)致弧柱中心負(fù)壓，從而促使電弧向弧柱中心運(yùn)動(dòng)。