為了對真空開關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(qū)。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(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(fā)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(guī)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(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(nèi)外主要是采用光學技術實現(xiàn)電弧動態(tài)圖像采集，進而實現(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(tài)進行了研究; 苑舜等對插接式真空滅弧室電弧形態(tài)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(tài)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(jié)特征及流場特性無法掌握，不能實現(xiàn)對電弧有效調(diào)控，導致真空滅弧室設計缺少理論依據(jù)和技術支持，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)技術是在流動顯示技術的基礎上，利用圖像處理技術發(fā)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(guī)律; ③對流場干擾小。國內(nèi)引入PIV 測試技術已有十余年，在工農(nóng)業(yè)機械、航空航天及醫(yī)學等諸多領域發(fā)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(tài)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(fā)動機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(xiàn)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(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，也可連接操動機構實現(xiàn)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(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(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(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(xiàn)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(xù)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(xù)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(tǒng)，由于真空開關電弧本身產(chǎn)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(qū)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(nèi)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(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(fā)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(jù)實驗結果可得到結論如下:

　　(1) 運用PIV 技術可實現(xiàn)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(chǎn)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(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(fā)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(qū)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。