為了對真空開關電弧燃燒過程及熱形態變化規律研究，本文采用粒子成像測速( PIV) 技術對短間隙真空開關電弧進行了實驗研究，觀察分析了電弧流場的信息，有明顯的漩渦區。實驗結果表明，運用PIV 技術能較好地獲取真空開關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，電弧加速向四周擴散運動，當電弧電流增大到一定值時，在電弧四周產生明顯的渦流區域; 電弧電流峰值過后，渦流區域不斷減小，當電弧電流減小到一定值時，電弧不再向外擴散，而是向弧柱中心做集聚運動。

　　真空滅弧室是真空開關的核心部件之一，深入研究真空滅弧室關鍵技術是促進真空開關發展的關鍵所在。開展真空電弧基礎理論研究，特別是對電弧燃燒分布及變化規律研究對真空滅弧室的設計制造有著重要的指導意義。由于真空開關電弧是在封閉的真空環境中產生，這就給真空電弧研究工作帶來困難和挑戰。自從開展真空滅弧室研究以來，在真空電弧研究領域主要是采用實驗診斷和仿真計算模擬兩種方法。在實驗診斷方面，國內外主要是采用光學技術實現電弧動態圖像采集，進而實現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變化; Heberlein利用高速攝像對平板結構觸頭的電弧進行了分析; 武建文采用自行設計的光纖陣列對真空電弧圖像進行了采集，并對中頻電弧形態進行了研究; 苑舜等對插接式真空滅弧室電弧形態進行了試驗研究; 董華軍運用高速CMOS 攝像機對短間隙真空開關電弧圖形進行了采集及分析。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態分析。這些研究分析了電弧燃燒過程，促進了對真空開關電弧物理特性的了解。但目前在真空開關電弧領域，依舊存在很多基礎理論未知領域，特別是在電弧燃燒過程中很多細節特征及流場特性無法掌握，不能實現對電弧有效調控，導致真空滅弧室設計缺少理論依據和技術支持，從而影響和制約了真空滅弧室的發展。

　　粒子成像測速( PIV，Particle Imaging Velocimetry)技術是在流動顯示技術的基礎上，利用圖像處理技術發展起來的一種非接觸式流場測量技術。PIV 技術具有以下顯著特點: ①能研究空間全流場的速度分布; ②可獲得流場隨時間的變化規律; ③對流場干擾小。國內引入PIV 測試技術已有十余年，在工農業機械、航空航天及醫學等諸多領域發揮著重要的作用。在燃燒診斷領域里張鴻雁等應用PIV 對二維溫室繞流流場進行了實驗研究，分析了繞流瞬態流場和時均流場的信息。顏應文等應用PIV 研究了具有兩級軸向旋流器的航空發動機燃燒室旋流流場特性( 包括冷態流場和燃燒流場) 。但在真空開關電弧研究領域應用報道不多，本文針對真空開關電弧研究現狀，開展了基于PIV 技術電弧實驗研究。獲得真空電弧的速度分布及粒子的運動軌跡，同時顯示了電弧在電磁作用下的渦流場，為真空開關電弧流場研究提供了新的試驗技術手段。

1、實驗裝置及PIV 系統

　　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，可上下調節保證觸頭陰極和陽極之間的開距，也可連接操動機構實現真空開關關合動作。以可拆滅弧室為主體的實驗電路如圖1 所示，實驗裝置主要有4 個組成部分，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，可產生工頻交流源; 第二部分是可拆滅弧室主體，主要包括兩個可視玻璃窗口;第三部分是真空單元，主要包括由機械泵，分子泵組成的抽氣系統，由電阻規和電離規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 才能進行真空電弧實驗; 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 真空電弧實驗裝置系統

　　二維PIV 測試系統一般包括光路系統、圖像采集系統、反映流場特性的示蹤粒子及圖像數據分析系統組成。真空開關電弧壽命較短，一般只有10ms 左右，因此需選用高速攝像機實現電弧圖像高分辨率的采集，實驗中選用型號為Cam Record 1000 C的高速攝像機，相機在1280 × 1024 分辨率下每秒采集速度可達1000 幀，并且相機帶了4 G 的緩存，在此條件下可以連續拍攝3. 2 s。在分辨率為1280 ×4 下每秒采集速度可達200 000 幀，在此條件下可以連續拍攝4. 2 s，可滿足實驗的需要。在真空開關電弧蒸氣里面，由于電弧等離子體中粒子是多相流動的一部分，因此電弧粒子本身就是研究對象，即示蹤粒子。光學系統，由于真空開關電弧本身產生很強的光亮，本實驗研究真空開關電弧流場特性，因此不需輔助光源。

2、實驗結果及分析

　　運用PIV 軟件對采集得到的電弧圖像進行分析，分別診斷起弧階段，電弧燃燒擴散階段及熄滅階段的粒子運行特征。圖2 為PIV 實驗診斷結果，圖中箭頭表示矢量運動方向，箭頭長短表示瞬時速度大小; 顏色只是為了顯示不同區域效果，無實際意義。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，電弧向外擴散速度不是很快，且由中心向四周較均勻擴散; 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，內部蒸氣壓力較大，電弧迅速向四周擴散運動，且由于電磁場作用，在電極觸頭邊緣區域產生渦流，渦流產生以后隨著電流減小，渦流區域變小，且有向弧柱中心運動趨勢; 在圖2( d) 中，電弧電流進一步減小，真空間隙中電弧不能形成橋，而是孤立的陰極斑團在陰極表面擴散運動，此時真空間隙中金屬蒸氣壓力變小，電弧粒子擴散速度也發生了改變，不再是由中心向四周擴散，而是由四周向中心集聚。

圖2 電弧流場PIV 診斷結果

3、結論

　　本文嘗試將PIV 技術應用到真空開關電弧流場診斷上，根據實驗結果可得到結論如下:

　　(1) 運用PIV 技術可實現真空開關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) 真空開關電弧產生后，金屬蒸氣迅速向四周做擴散運動，且弧柱中心由于金屬蒸氣壓力，相對擴散速度較慢，弧柱四周擴散速度相對較高; 當電弧電流值增大到一定值，在電弧弧柱周圍產生漩渦，電弧電流越大，漩渦越大，漩渦的產生抑制了電弧的擴散運動。隨著電弧的熄滅，漩渦由大變小，最終消失。同時在電弧電流小到一定程度時，金屬蒸氣電弧運動方向發生了改變，由四周向弧柱中心運動，這是由于弧柱中心金屬蒸氣密度降低，中心區域溫度降低，導致弧柱中心負壓，從而促使電弧向弧柱中心運動。