一种基于激光阴影技术的真空灭弧室用微粒观测系统

本申请涉及灭弧室技术领域，具体地说涉及一种基于激光阴影技术的真空灭弧室用微粒观测系统。

背景技术：

断路器是用来开断或关合电力系统电流的器件，是电力网络的重要组成部分。真空断路器因其开断能力强、电寿命长、可维护性好、环境友好等优点在电力系统中有着非常广泛的应用，尤其是在72kv以的中压电力系统中几乎占据着主导地位。然而在工程应用中真空断路器在开断操作之后特别是开断大电流和容性负载之后有一定的重击穿风险，重击穿会导致开断失败，在某些工况下重击穿还会导致高幅值的过电压，对电力设备的绝缘和供电质量造成直接威胁，严重影响电力系统的安全可靠运行。因此真空断路器弧后重击穿是真空开关领域的重要研究方向。导致真空断路器弧后重击穿的影响因素众多，如金属蒸气、残余等离子体、场致发射电流等，微粒是其中一个非常重要的因素。

当前的研究中，观测真空电弧开断过程中产生的微粒多使用高速相机对灭弧室触头间隙进行直接拍摄，但是真空电弧是一种剧烈的放电现象，同时伴随着非常强烈的光发射，这种强光会对电弧熄灭前的金属微粒的观测产生干扰。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于激光阴影技术的真空灭弧室用微粒观测系统，当前系统通过使用激光阴影技术使微粒产生投影，并使用滤光片滤除真空电弧的自发光的影响，可以直接观测真空电弧开断过程中微粒的产生及运动状态。

本发明的技术方案如下：

一种基于激光阴影技术的真空灭弧室用微粒观测系统，所述系统包括光学发射单元、光学接收单元和控制单元；所述光学发射单元放置在真空灭弧室7触头外窗口一侧，光学发射单元发射一束激光束并将其扩束为圆形激光光斑，圆形激光光斑通过真空灭弧室7窗口穿过触头间隙，照射在放电过程中触头间隙生成的金属微粒上，被金属微粒阻挡产生阴影；所述光学接收单元对通过触头间隙的光束进行过滤去除真空电弧自发光的干扰，并生成金属微粒阴影图像；所述控制单元对真空灭弧室7内真空电弧的点燃和光学接收单元的成像进行时序控制。

所述光学发射单元包括激光器1和扩束器2；激光器1发射的点状激光经由所述扩束器2生成一个圆形激光光斑，圆形激光光斑直径需能够覆盖触头间隙中的整个区域。

所述激光器1发射的激光波长为550nm，该波长与真空灭弧室7中各种合金材料触头产生的真空电弧的自发光波长均不相同。

所述光学接收单元包括凸透镜3、滤光片4、第一高速相机5和第二高速相机6；所述凸透镜3放置在真空灭弧室7触头外窗口另一侧与光学发射单元发射的光路对应位置处，对从真空灭弧室7射出的圆形激光光斑进行聚焦，使其更易于成像，所述滤光片4放置在所述凸透镜3的焦点处，所述第一高速相机5放置于所述滤光片(4)前方进行拍摄，第一高速相机5能够捕捉滤除了真空电弧自发光的只剩下激光阴影的图像，图像中的阴影即在放电过程中产生的金属微粒；所述第二高速相机6放置于垂直于光学发射单元发射的光路的真空灭弧室7窗口对电弧形态进行直接拍摄，通过分析两台高速相机拍摄的图像，得到动态的真空电弧开断过程。

所述滤光片4为波长550nm的窄带滤光片，该滤光片能够滤除真空电弧的自发光，只留下激光器1发射的波长550nm的激光。

所述控制单元包括信号发生器8和光电触发装置9；所述信号发生器8直接向第一高速相机5和第二高速相机6发射触发信号控制第一高速相机5和第二高速相机6进行拍摄；所述信号发生器8向光电触发装置9发射触发信号，光电触发装置9再通过光纤将光信号传输至真空灭弧室7控制真空电弧的点燃。

与现有技术相比较，本发明具体如下优点：

1)、扩束器将激光器发出的波长550nm的激光生成圆形激光光斑，光斑通过真空灭弧室的窗口后照射在间隙中的微粒产生阴影，随后光斑通过凸透镜和550nm窄带滤光片后由高速相机成像，高速相机捕捉到的图像就是微粒的阴影图像；

2)、通过550nm窄带滤光片，可以滤除绝大部分触头材料条件下的真空电弧的光发射产生的杂散光，只留下550nm激光器发射的激光，所述第一高速相机拍摄得到的图像就是圆形激光光斑在触头间隙因金属微粒产生的阴影图像。

附图说明

图1为本申请提出的一种基于激光阴影技术的真空灭弧室用微粒观测系统的结构示意框图；

图2为本申请提出的一种基于激光阴影技术的真空灭弧室用微粒观测系统的示意图；

其中：1-激光器，2-扩束器，3-凸透镜，4-滤光片，5-第一高速相机，6-第二高速相机，7-真空灭弧室，8-信号发生器，9-光电触发装置。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；

如图1所述，本发明一种基于激光阴影技术的真空灭弧室用微粒观测系统，所述系统包括光学发射单元、光学接收单元和控制单元；所述光学发射单元放置在真空灭弧室7触头外窗口一侧，光学发射单元发射一束激光束并将其扩束为圆形激光光斑，圆形激光光斑通过真空灭弧室7窗口穿过触头间隙，照射在放电过程中触头间隙生成的金属微粒上，被金属微粒阻挡产生阴影；所述光学接收单元对通过触头间隙的光束进行过滤去除真空电弧自发光的干扰，并生成金属微粒阴影图像；所述控制单元对真空灭弧室7内真空电弧的点燃和光学接收单元的成像进行时序控制。

如图2所示，所述光学发射单元包括激光器1和扩束器2。

所述激光器为高斯激光器，型号为mgl-ⅲ-532，发射的激光波长为550nm。

所述扩束器2将激光器1发射的点状激光扩为一个直径为50mm的圆形激光光斑，光斑的大小足以覆盖触头间隙中的整个区域，圆形激光光斑通过窗口进入真空灭弧室7，从触头间隙中穿过，由于金属微粒的作用产生阴影。

如图2所示，所述光学接收单元包括凸透镜3、滤光片4、第一高速相机5和第二高速相机6。

所述凸透镜3直径为100mm，焦距为1000mm，放置于真空灭弧室7后方的窗口，对透过真空灭弧室7的圆形激光光斑聚焦，使其更易于成像。

所述滤光片4为波长550nm的窄带滤光片，由于常用合金触头材料如铜、铬、钨等金属真空电弧的自发光波长均不在550nm窄带滤光片的允许通过范围之内，因此都会被所述滤光片4滤除，通过滤光片4的光只剩下所述激光器1发射的550nm的激光。

所述第一高速相机5放置在所述滤光片4的后方进行拍摄，由于真空电弧的光发射造成的杂散光都已经被所述滤光片4滤除，拍摄得到的图像就是激光光斑被金属微粒遮挡生成的阴影图，图像中的阴影即在放电过程中产生的金属微粒。

所述第二高速相机6布置在与激光光路垂直的灭弧室窗口直接拍摄真空电弧形态，所得图像与第一高速相机5得到的图像进行对比，得到动态的真空电弧开断过程和金属微粒运动过程。

所述控制单元包括信号发生器8和光电触发装置9，对灭弧室7内的电弧点燃和第一高速相机5、第二高速相机6进行时序控制，第一高速相机5、第二高速相机6在电弧点燃之前同时触发开始拍摄，随后在真空灭弧室7中点燃电弧击穿间隙。

所述信号发生器8直接向第一高速相机5和第二高速相机6发射触发信号，控制二者进行拍摄操作。

所述信号发生器8向所述光电触发装置9发射电信号，所述光电触发装置9将电信号转换为光信号，并通过光纤将光信号传输至真空灭弧室7，控制真空电弧的产生。

优选地，所述第一高速相机和第二高速相机的型号为photronuv50。所述信号发生器的型号为srsdg645。

本实例通过发射550nm激光并使用550nm窄带滤光片滤除杂散光，排除了真空电弧自发光的影响，实现了对真空电弧开断过程中产生的微粒的直接观测。