真空開關電弧實驗結果與分析
真空開關電弧灰度等值曲線
圖4是在不同的濾光片所得到的真空開關電弧圖像。圖5是借助MATLAB 軟件處理得到的電弧的灰度等值曲線圖像。通過曲線,可清楚看到電弧弧柱中心區域灰度值最大,達到飽和值,沿著徑向灰度值不斷降低,這說明弧柱區域的等離子體密度和溫度都較高,且由于等離子體內部壓力梯度的作用,弧柱等離子體不斷向外擴散,弧柱側面等離子體相對稀薄,從而灰度值也低。還可發現陽極灰度值分布很不均勻,中心灰度值很大而兩邊很小,這是由于陽極前等離子體密度徑向梯度很大,由電子和離子遷移所引起的流入陽極中心的能流密度較高引起的。等值線圖能很好地給出開關電弧的位置和強度分布,可為真空滅弧室的設計人員提供幫助,使其對真空開關觸頭間的溫度分布情況有了初步的了解。
圖4 不同濾光片下的電弧圖像
真空開關電弧等離子體電子溫度
根據放電氣壓條件的不同,等離子體分熱等子體和冷等離子體。真空開關電弧等離子體是在高真空中產生的,等離子體處于非熱平衡狀態,此時電子在與離子或中性粒子的碰撞過程中幾乎不損失能量,故電子溫度遠遠大于離子、中性粒子溫度,電弧的燃熾和熄滅與電子溫度水平及其分布規律有很大的關系 ,從而電子溫度是真空開關電弧等離子體的一個重要參數,也是我們重點診斷的對象。
圖5 真空開關電弧的灰度等值曲線
圖6是假設電弧等離子體是均勻的,根據式(5),運用二比色測溫原理測得的電子溫度在距離陽極表面2mm 處的徑向分布曲線。由圖不難看出,電子溫度沿著徑向不斷降低。同時可看出最高電子溫度為3197×104K,約等于3142eV ,這與以往中測得的電子溫度范圍018～410eV 在數量級上是一致的。
圖6 電子溫度徑向分布曲線
金屬蒸氣等離子體是開關電弧的基本狀態,在研究真空開關電弧等離子體參數的基礎上,對其進行調控,是開關電器領域重要的研究任務之一。本文運用CCD光學方法實現了真空開關電弧等離子體溫度診斷,得到了真空開關電弧的圖像和相應的灰度等值曲線,通過二比色測溫原理得到了真空開關電子溫度的分布曲線。在此實驗基礎上,需要進一步考慮開關電弧的動態特性、電極材料及形狀、電路和流場與磁場條件等多種因素,從而得到具有普遍意義的金屬蒸氣電弧等離子體模型和實用有效的電弧調控措施,為指導新型開關電器的設計服務。
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