真空開(kāi)關(guān)電弧電子溫度診斷原理

2009-02-27 鄒積巖大連理工大學(xué)電氣工程及應(yīng)用電子技術(shù)系

　真空開(kāi)關(guān)作為電力系統(tǒng)中的控制和保護(hù)設(shè)備,其主要特點(diǎn)是利用真空作為主觸頭間的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì),真空的優(yōu)異絕緣強(qiáng)度和滅弧能力給真空開(kāi)關(guān)帶來(lái)眾多優(yōu)點(diǎn),真空開(kāi)關(guān)在多種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在我國(guó)電力系統(tǒng)中壓領(lǐng)域占有絕對(duì)的統(tǒng)治地位。

為了提高真空開(kāi)關(guān)的電壓等級(jí)和電流等級(jí),這就需要對(duì)其相關(guān)特性進(jìn)行深入的研究,特別是真空開(kāi)關(guān)電弧基礎(chǔ)物理理論的研究至關(guān)重要。目前在電弧等離子體進(jìn)行有效診斷的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行調(diào)控是真空開(kāi)關(guān)領(lǐng)域重要的任務(wù)之一,把有效的調(diào)控手段應(yīng)用到真空開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中,就可以大大提高裝置的工作性能和指標(biāo),完成電力系統(tǒng)短路保護(hù)的苛刻任務(wù)。國(guó)內(nèi)外目前許多學(xué)者對(duì)真空開(kāi)關(guān)電弧在不同的電參數(shù)下的形態(tài)變化規(guī)律及電弧模擬仿真作了大量的研究 ,在電弧等離子體參數(shù)診斷方面報(bào)道不是很多,國(guó)內(nèi)曾有對(duì)電子溫度和電子密度的變化趨勢(shì)作了定性的研究。

本文建立了真空開(kāi)關(guān)電弧實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過(guò)設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)對(duì)真空電弧進(jìn)行了采集,在此基礎(chǔ)上結(jié)合圖像處理和二比色測(cè)溫原理,繪制了真空開(kāi)關(guān)電弧的溫度場(chǎng),計(jì)算了電子溫度,旨在為真空開(kāi)關(guān)的心臟———真空滅弧室的設(shè)計(jì)和制造提供理論依據(jù),促進(jìn)真空開(kāi)關(guān)在高電壓、大電流領(lǐng)域的應(yīng)用。

診斷原理

等離子體中存在著大量的帶電粒子,它們之有著各種復(fù)雜的相互作用,它們所輻射的電磁波具有很廣闊的頻率范圍。如何通過(guò)這些輻射得到等離子體的成分(電子密度、電子溫度、離子溫度、離子密度等) 及其分布是等離子體診斷的一個(gè)重要方面。對(duì)于黑體來(lái)說(shuō),不必知道輻射的詳細(xì)過(guò)程,可直接采用普朗克輻射公式來(lái)描述各種溫度下的輻射譜。但在真空中的等離子體,不是完全吸收體,須考察其具體的輻射過(guò)程。輻射過(guò)程有軔致輻射和復(fù)合輻射兩種。軔致輻射就是由作熱運(yùn)動(dòng)的電子和離子碰撞時(shí)電子在庫(kù)侖場(chǎng)中被加速或減速產(chǎn)生的輻射。復(fù)合輻射是通過(guò)電子和離子的碰撞使彼此間結(jié)合起來(lái)而生的輻射。等離子體的連續(xù)輻射總強(qiáng)度是由軔致輻射強(qiáng)度和復(fù)合輻射強(qiáng)度組成的。在真空開(kāi)關(guān)電弧中,等離子體輻射主要是由軔致輻射決定的,且自由電子的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子速度,韌致輻射主要由電子產(chǎn)生。采用量子力學(xué)方法及Abel 變換處理可得到電子密度的表達(dá)式 :

式中: ;Lu:鏡頭光圈系數(shù);La:透光及采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系數(shù);Ω:被觀測(cè)點(diǎn)對(duì)透鏡所張的立體角; S:象元所對(duì)應(yīng)的被觀測(cè)點(diǎn)的面積;Kf:濾光片光譜特性;Ne:電子密度;g:量子力學(xué)效應(yīng)所引起的修正因子,稱為崗特因子;z:原子序數(shù);h:普朗克常數(shù);k:玻爾茲曼常數(shù);Tki:Abel逆變換系數(shù)。