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真空开关电弧形态研究及其等离子体参数诊断

董华军  
【摘要】: 真空开关是电力系统中的控制和保护设备之一,相对其它介质开关,真空开关具有很多优点,目前在我国中压电力系统领域的应用已达到80%以上。多断口真空开关和相控开关是真空开关两个重要的发展方向,而制约两种开关发展的一个共同技术难题就是小开距真空电弧相关理论及其调控规律的研究,从而引出了本文的研究对象。电弧形态是真空电弧的外在重要特征,电弧等离子体是电弧的内在重要特征,将电弧的外在特征变化规律和其内在特征变化规律有效的结合一起并加以控制是真空开关电弧领域的重要研究课题。基于此,本文提出了基于高速摄像机CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)电弧形态外在特性研究及基于数字图像处理技术CCD(Charge CoupledDevices)电弧等离子体参数诊断,为下一步电弧调控理论的研究奠定了实验基础。 为了从电弧图像中提取真空电弧信息特征,对电弧图像实施数字图像处理技术是必不可少的环节。首先对图像数字处理识别中的图像格式和精度等相关技术进行了叙述,运用中值滤波方法对CCD图像进行噪声滤波;然后直方图均衡化对电弧图像进行增强处理,运用Canny算子对电弧的轮廓进行提取,对电弧的几何特征面积和周长进行分析;为了增加电弧图像的视觉效果,对电弧图像的灰度等值线进行了绘制;且对电弧图像进行了伪彩色显示,这些工作可为真空开关电弧图像的数据信息的挖掘提供有力的工具。 为了实现对真空开关电弧形态的研究,本文根据真空开关灭弧室模型,建立真空开关电弧的实验装置,包括可拆真空灭弧室,频率约为50Hz的电源回路,电弧伏安特性的检测装置等;建立了一套基于CMOS高速图像采集系统,对真空电弧进行高分辨率的高速图像采集。结合采集的图像,对真空电弧燃烧过程进行研究,提出真空电弧图像轴向截面积扩散速度概念,分析电弧燃烧过程中电弧轴向截面积变化过程及影响其变化的三大因素:真空间隙、电压等级和磁场。 为了从图像信息中得到电弧等离子体的参数,本研究选用了高精度的CCD相机,建立了基于数字图像处理技术CCD电弧等离子体参数的诊断系统。基于辐射理论建立了真空开关电弧等离子体参数诊断数学模型,结合Abel逆变换计算,通过该实验装置及诊断模型,对真空开关电弧等离子体参数——电子温度和电子密度进行诊断。 最后本文为了验证光学方法诊断的实验结果,利用Langmuir探针诊断系统对真空开关电弧等离子体参数诊断,对两种方法得到的实验结果进行对比分析研究。 本文探讨真空开关电弧外部形态特征和内部等离子体参数的诊断,旨在提出相应的调控理论以提高开关装置的工作性能和指标,完成电力系统的保护和控制任务。本课题作为国家自然科学基金重点项目“金属蒸气电弧等离子体调控理论及在高压断路器领域中的应用”(No.50537010)的一部分,开展了真空开关电弧形态特征和其等离子参数特征研究,完成了相应的实验理论计算,并为进一步的调控理论提出提供了实验基础。


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