真空電弧在燃燒過程中的形態變化特性及其發生發展在圖像上所表現出來的趨勢特征對真空開關的開斷能力有著重要影響，為了研究真空開關電弧形態特性，針對真空開關電弧特點和電弧特性，設計并建立了一套以可拆卸真空滅弧室的真空開關電弧實驗系統。利用圖像處理技術對真空間隙長度為6 mm，電壓60 V 為條件下真空開關電弧幾何特性(面積、周長) 進行了診斷。實驗結果表明運用該技術可實現真空開關電弧在真空間隙幾何特征的量化測量，可應用于真空開關電弧形態特征實時在線診斷，為真空開關電弧形態調控規律研究提供了新的技術手段。

　　真空開關電弧和其它電弧原理和物理過程基本相同，但由于產生條件和實際使用目的不同，具有自身特點和規律，因此它們在關注的側面上各有不相同的。對于電器開關電弧主要關心如何盡快熄滅電弧，可靠的開斷電路；同時也考慮如何利用電弧自身的能量來提高開斷能力。目前真空開關由于自身具有很多優點而在中壓領域占有絕對的地位，同時由于真空開關具有向高壓、超高壓及大容量發展潛力，為此國內外在真空開關研究領域投入了大量人力和物力。真空滅弧室是真空開關的心臟，因此深入研究主導真空滅弧室性能的真空開關電弧特性對真空開關的發展有著至關重要的作用。目前國內外在真空開關電弧特性研究領域主要圍繞電弧形態特征、宏觀粒子及等離子體特征三個方面，而研究方法主要有實驗方法和計算機仿真技術。在真空開關形態研究領域，國外代表研究有Schulman 等運用高速攝像機對電弧圖像進行了采集分析，結合電弧電壓曲線對電弧形態( 擴散態、收縮態及噴發態等) 進行了分類；國內近幾年在電弧形態領域研究較多，趙子玉等運用設計制作的真空電弧圖像瞬時攝像系統對長間隙(40 mm) 不同時刻的真空電弧圖像進行了拍攝，獲得了真空電弧形態演變過程，對不同時刻下電弧形態特征進行了分析；朱立穎等對橫向磁場下中頻( 400~ 800 Hz) 真空電弧形態及電弧電壓特性進行了研究分析；苑舜等對插接式真空滅弧室電弧形態進行了試驗研究，主要也是結合電弧電壓特性對電弧形態特征進行分析；作者利用數字圖像處理技術對真空開關電弧圖像進行了處理，為電弧圖像的幾何特征分析建立了一定基礎。綜合上述學者的研究，他們主要是結合電弧的伏安特性對電弧形態變化過程進行分析，得到了電弧形態變化規律；但他們對電弧形態進行分類存在一定主觀性，有時因不同環境或不同研究者，會得到不同的研究結果，而不能從電弧圖像去對電弧宏觀形態本質特征進行研究，從而影響了實驗結果。為此，本文在前人工作的基礎上，以可拆滅弧室為實驗模型，結合高速攝像設備對真空開關電弧圖形進行采集，利用數字圖像處理技術對電弧圖像進行了數字分析，可準確地得到真空開關電弧的宏觀幾何形態特征，實現了電弧形態特征量化描述，為真空開關電弧形態研究提供新的思路。

1、實驗設計

　　真空開關電弧實驗系統主要包括三部分，第一部分是以可拆滅弧室為主體的真空開關電弧裝置，第二部分是固定開距觸發起弧所需的觸發電路，第三部分是電弧圖像采集系統，下面對每個部分進行介紹。

1.1、電弧實驗裝置

　　可拆滅弧室模型如圖1 所示，上面為陽極，下面為陰極，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模擬真空開關操動過程。以可拆滅弧室為主體的實驗電路如圖2 所示，實驗裝置主要由4 個組成部分，第一是由電容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;第二是可拆滅弧室主體；第三是真空單元，主要包括由機械泵、分子泵組成的抽氣系統，以保證真空腔體的真空度，另外就是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 可拆真空滅弧室

圖2 真空電弧實驗裝置系統

1.2、觸發電路設計

　　觸發電路的設計主要是為了在進行固定開距電弧實驗時，在真空間隙中產生初始等離子體，以便于在真空間隙中形成等離子體通道，保證真空電弧的產生。初始等離子體的產生取決于兩個條件，第一必須有脈沖高壓擊穿真空間隙，第二是有能量注入,維持電弧的燃燒。圖3 是設計的實驗用的觸發電路原理圖。該電路包括兩個部分，即高壓觸發部分和能量續流部分。第一部分由T1，R 1，D1，C1，SCR,R 4，E ，SB，T2，D2 組成，該部分主要是通過電容C1放電，在點火線圈T2 副邊即A ，B 間產生高壓，從而擊穿真空間隙。第二部分由R2，C2，D3，R 3，T3 組成，該部分主要是在真空間隙被擊穿以后，通入大電流作為電弧能量的補充，形成金屬蒸氣。

圖3 觸發電路原理圖

1.3、采集系統設計

　　真空開關電弧整個燃燒時間很短，一般只有10ms 左右，要研究其燃燒變化過程，就得在這么短時間內采集更多的電弧照片。近幾年隨著高速相機CMOS 出現，給真空開關電弧診斷帶來了極大方便。圖4 是采集系統，需要注意的是在進行采集時，需要保證采集和觸發的同步性，要不就采集不到電弧圖像。

圖4 真空開關電弧采集系統

2、電弧形態幾何特征量化分析

　　真空開關電弧形態的幾何特征隨著時間變化而變化。真空開關電弧的面積分布用A 來描述，真空開關電弧周長用P 來描述，有時為了準確判斷電弧形態種類，還得需要真空間隙弧柱中心徑向電弧半徑Rc，這些參數和電極材料及形狀、電路和流場與磁場條件等多種因素密切相關。為了提高真空開關開斷能力，就有必要研究真空開關電弧和這些參數的關系，進而對真空開關電弧實施有效的調控，確保真空開關在電力系統中的控制和保護能力。在應用數字圖像處理技術對電弧形態幾何特征進行計算時，面積用電弧圖像區域的像素計數，電弧區域R 的面積A 可按公式A = E( x，y ) I RL ( x ，y ) 計算得到，即等于L (x ，y ) 中屬于電弧區域R 的像素點的個數；周長P ，即電弧區域的邊界長度，如將像素看作一個個點，則周長可用鏈碼表示，可用P = Ne+2No 計算，式中Ne ，No 分別是邊界鏈碼中走偶數與走奇數步的數目。

　　在進行電弧圖像幾何特征參數量化分析過程中，由于此時只關心其幾何特征，為了方便特征提取，需要對電弧圖像進行二值化處理，然后計算出相應的幾何特征參數，表1 是對采集得到的真空開關電弧圖像的幾何特征提取結果。

圖5 真空開關電弧圖像

　　結合表1 可看出，在t = 0.031 ms，是由觸發電極在陰極觸頭表面形成初始等離子體，并產生一定光暈，此時電弧的幾何參數特征不是很明顯；在t=0.931 ms 時，真空間隙中產生強烈的電弧，此時陰極表面徑向直徑較大，且陰極表面光強較強烈，在弧柱區形成兩道并列的弧，縱向半徑值為真空間隙值，此時幾何特征明顯；在t = 1.831 ms 以后，電弧在陰極，陽極表面做迅速擴散運動，弧柱區開始收縮，在t= 4.531 ms，電弧出現穩定燃燒，此時電弧陽極表面直徑達到最大值，陰極表面陰極斑點運動相對出現收縮現象，此時容易在陽極表面產生陽極斑點，導致觸頭表面溫度過高，從而產生表面燒蝕現象，破壞了觸頭表面，影響了真空開關開斷能力和使用壽命,為此，此時的電弧形態幾何特征尤為重要，必須采取有效措施避免集聚形態產生；在電流峰值過后，電弧電流將逐漸減小，在t = 5.431 ms 時，陰極斑點開始做急劇擴散運動，弧柱區域半徑不斷縮小，在t =6.331 ms 后，弧柱斷裂，最后在陰極表面出現陰極斑團，電弧幾何特征逐漸消失。

表1 電弧圖像幾何特征值

3、結論

　　真空電弧在燃燒過程中的形態變化及由此引起的電熱過程變化對電路電流過零后電弧能否可靠的熄滅有著很大的影響。本文以可拆真空滅弧室為實驗模型，運用數字圖像處理技術對采集得到的真空開關形態幾何特征參數進行了檢測，通過該方法可實現電弧燃燒過程中形態變化的量化描述，避免了主觀判斷帶來的實驗誤差，為真空開關電弧形態深入分析提供了一種新的思路。