图1 真空电弧轨迹追踪系统的结构框图
Fig.1 Block diagram of the structure of the measurement system
摘要 控弧的目的是使电弧平稳、快速地离开触头表面，从而有利于提高真空开关的开断能力。不同控弧措施对真空电弧燃弧过程有不同的影响。触头旋转影响真空电弧燃弧期间的弧根状态，进而改变真空电弧在触头表面及触头间的运动特性。该文基于可拆卸式真空灭弧室和非对称平板触头进行了直拉、旋转分离方式下的电弧拉弧实验。使用高速摄相机采集燃弧过程中不同分离方式的真空电弧图像。利用Lucas-Kanade光流法目标追踪技术对真空电弧标定，追踪到真空电弧运动轨迹。通过图像处理技术，得到触头不同分离方式下真空电弧运动轨迹和触头之间的电弧面积，进而得到电弧特性的演变过程。分析结果表明，在相同实验条件下，触头旋转分离加速真空电弧由限制型电弧向扩散型电弧转变，导致扩散型电弧沿径向运动范围增大，使电弧能量尽快消散。
关键词：真空电弧 旋转分离 运动轨迹 电弧特性
真空开关因为熄弧性能优异、使用寿命长和弧后介质恢复能力好，已经广泛应用于中低压输配电系统中。真空开关触头刚分开时刻，触头表面金属熔化向间隙提供金属粒子，在阴极形成阴极斑点，同时高能等离子体形成并向间隙扩散。在电弧引弧阶段，局部电流密度最大处将形成限制型电弧[1-2]，外观为桥接在两触头间的一个圆柱。由于此时开距小，限制型电弧在触头表面停滞并产生烧蚀。若通过某种方式能快速打破真空电弧的初期限制状态，限制型电弧在触头表面快速移动，迅速转变为扩散型，触头表面阴极斑点数量减小，使电弧快速熄灭，是从源头上抑制真空电弧产生，控制真空电弧发展的手段之一[3-5]。在真空开关动触头系统的传统机械直动基础上增加旋转运动提高了触头之间电弧的活跃程度，真空电弧特性得以迅速转变，使得电弧能量在有限的空间中得到更高效率的逸散。燃弧过程中限制型电弧特性转变与真空电弧是否成功开断息息相关，因此，在燃弧过程中追踪真空电弧轨迹，研究不同触头运动方式下真空电弧特性转变，对探索真空熄弧机理具有重要意义。
国内外学者对真空电弧形态与特性做了很多工作。董华军等[6-8]利用高速摄影机对电弧的几何形态进行采集，从引弧、稳定燃烧、熄弧以及弧后介质恢复四个方面，对不同阶段的电弧内外面积进行定量研究，通过分析电弧形态变化找到电弧平稳燃烧与介质恢复的关键因素；刘路辉等[9]基于强迫式换流的混合型直流真空断路器开断电弧过程，对平板触头在1～8 kA的恒定直流电源强迫式开断过程中的真空电弧形态的变化和电弧的电压特性进行了分析，表明电流低于5 kA时，电弧在触头表面呈扩散状态，随着触头开距的增加，扩散效果愈加明显；电流高于5 kA时，电弧扩散到充满触头表面，在电弧初始引燃位置形成阳极亮斑，同时指出实际电弧放电过程中弧柱区的阴极斑点分布与弧柱分布直径基本相同，因此可以认为，弧柱扩散速度与阴极斑点扩散速度几乎一致。王立军、邓杰等[10]通过仿真得到在大开断电流条件下，线圈电极电弧初始扩散阶段比杯状电极沿径向扩散更明显，并且将仿真结果与弧柱图像对比，计算光强的变化与弧柱亮度一致；M. S. Agarwal和R. Holmes[11]研究表明，纵向磁场作用能够使触头表面阴极高亮区扩散过程呈均匀分布，但未考虑电流参数对阴极斑点扩散的影响；田微等[12]将轴向放电的真空电弧等离子体阴极改成径向放电型，得到了较好的发射稳定性，电子发射效率的变化很小；向川等[13]建立改进脉冲耦合神经网络模型，利用形态学技术，分析认为不同峰值电弧电流对电弧面积、电弧最大面积出现时刻、电弧各燃烧阶段持续时间和转变过程均有很大影响；Yang Lin等[14]研究了大电流下真空电弧在阴极表面出现大量阴极斑点，提出局部载流效应；T. Rettenmaier等[15]开发了一种能够检测径向磁场接触系统中电弧运动的测量系统，通过分析几个外部感应线圈的磁场信号，检测旋转电弧产生的磁场变化，从而测量电弧的运动轨迹，并未给出电流变化对旋转电弧运动轨迹的影响；宋鑫等[16]研究了磁场分量对阴极斑点运动轨迹的影响，将电磁线圈和永磁体安装在阴极表面不同位置，随着线圈电流的增加，阴极光斑运动轨迹半径逐渐减小，从0 A时的40 mm减小到2.7 A时的10 mm；张程煜等[17]使用高速摄影机记录在45 A电流下真空电弧阴极斑点在Cu阴极表面做随机运动的轨迹，分析了不同阴极材料下阴极斑点最大承载电流的关系；Ma Hui等[18]研究旋转横向磁场下小电流直流真空电弧瞬态行为与电压特性之间的关系，随着旋转横向磁场磁通密度的增加，开断过程的持续时间缩短，这主要影响直流真空电弧收缩和运动阶段的持续时间；Pang Xianhai等[19]实验结果表明，阴极斑点扩散过程分为初始扩散阶段、不稳定运动阶段和熄灭过程。以上研究对象均为传统触头直拉运动燃弧过程，本文重点研究直拉触头分离和旋转触头分离在燃弧过程中的电弧特性。
课题组前期研究结果得到在燃弧过程中真空旋转电弧弧根分裂加剧，电弧高能区得到更快的逸散，证明了触头旋转对真空电弧燃弧过程中电弧形态转变的影响。同时，课题组通过大量实验数据分析得到真空直拉电弧与真空旋转电弧在燃弧过程中轨迹趋势的不同，并从电压、电流曲线中发现电弧轨迹与电弧特性转变的关系。课题组实验中所定义的电弧轨迹，实为燃弧过程中触头表面大量电弧斑点聚合成的高能亮斑。电弧斑点是真空电弧产生的源头，所以探究真空电弧轨迹与电弧特性关系，是对真空电弧机理研究的有效补充。
综上所述，对于本文所研究的真空旋转电弧轨迹与电弧特性转变关系，目前国内外尚未有相应的研究成果。为探明燃弧过程中电弧运动轨迹与电弧面积对真空电弧演变过程的影响，本文使用高速摄像机采集图像，采用Lucas-Kanade光流法的真空电弧轨迹追踪技术跟踪触头表面电弧弧根位置，研究触头在直拉和旋转分离下，电弧运动轨迹和电弧面积变化对发展阶段电弧的影响。实验中，高速摄影机俯拍真空腔采集图像，对称触头结构会受到上方触头遮挡和真空电弧光强的干扰，不能很好地观测电弧运动轨迹，为便于观测电弧在触头分离过程中电弧的运动趋势，采用非对称平板触头结构。
本文提出一种基于Lucas-Kanade光流法的真空电弧轨迹追踪技术，通过分析电弧图像中像素点在相邻帧之间的变化来确定电弧的位置变化，从而得到下一帧的坐标信息。Lucas-Kanade光流法是一种密集光流估计方法，用于计算每个像素的运动向量，可以直观表述追踪物体运动模式，并且不易受到运动体状态的干扰[20]。假设在相邻帧之间，像素点的颜色不会发生太大变化，因此可以通过最小化像素值残差的二次方来求解运动向量。这种算法主要可以实现对采集电弧图像进行预处理、位置标定、轨迹追踪的功能。
真空电弧轨迹追踪系统的结构框图如图1所示，主要分为数据采集、数据处理和数据输出三大部分。其中，数据采集是指使用高速摄影机设备采集真空电弧图像；数据处理包括图像预处理、位置标定和绘制轨迹三个环节；数据输出是将电弧的坐标等参数保存在文件中，便于实验数据后期处理。
图1 真空电弧轨迹追踪系统的结构框图
Fig.1 Block diagram of the structure of the measurement system
实验中由高速摄影机拍摄的两帧之间时间间隔恒定，忽略光线误差，则
（1）
按一级泰勒级数展开
（2）
化简得
（3）
令
，光流约束方程为
（4）
式中，O(dt2)为泰勒级数展开的余项；
为图像中像素点
在
刻的灰度值；
和
分别为该像素点在
和
方向上的两个分量；Ix、Iy、It分别为在、、三个方向上对点的灰度值求偏导，求解可以得到像素点在相邻帧之间坐标的变化，即可相对得出电弧在触头表面上的运动轨迹。
本文侧重分析电弧运动轨迹特性，详细算法流程如图2所示。
图2 物体追踪器算法流程
Fig.2 Flow chart of the object tracker algorithm
真空电弧轨迹追踪算法主要功能如下：
（1）图像预处理。利用特征匹配，检测每帧图像中的电弧特征点，计算匹配的特征点在每一帧图像中的位置，并利用其周围像素点计算一个局部的图像灰度值梯度。在下一帧图像中以第一帧电弧的位置作为初始位置，并沿着它的梯度方向进行迭代，进而找到一个在两个图像之间的像素残差最小位置。
（2）创建物体追踪器。根据Lucas-Kanade光流法追踪图像序列中电弧弧根的位置，统计其像素点并计算其坐标。其中，通过判断图像中像素点颜色和个数来统计各个像素点的颜色和面积信息。坐标的计算则可以作为运动过程参考点的确定依据。
（3）标定位置。根据追踪弧根的像素点坐标以及触头的实际尺寸的比例换算关系，可以确定图像中电弧弧柱面积的相对几何位置和大小。考虑到光照及相机设置参数等问题，本文得到的电弧面积大小为相对值。根据规定的时间段内的标点坐标，通过计算相同相机帧时间间隔下参考点位移的变化，进而获得真空电弧运动轨迹。
本文中的实验均在课题组搭建的触头旋转真空拉弧实验系统上进行，实验系统主要由可拆卸式真空灭弧室、真空系统、机械传动机构、采集信号系统和电气传动控制系统构成。真空系统主要由旋片式真空泵、涡轮分子泵、前级阀、预抽阀、插板阀等部分组成。除此之外，真空测量部分采用真空计和真空规管构成。实验准备阶段，将灭弧室真空压力维持在2×10-4 Pa以上。电气传动控制系统通过PLC完成两种运动方式的独立操作和合并操作，从而实现系统的合闸、分闸动作，本实验平台分别设计直拉同步分离+旋转分离，直拉异步分离+旋转分离。
系统使用大功率可编程IT6000D系列直流电源，实验中设置回路电压为50 V、电流为60 A；灭弧室内触头最大开距为10 mm、触头直动分离速度为1 m/s，在分离时动触头旋转速度设置为2 °/ms。课题组前期进行大量实验，针对不对称触头结构（静触头直径15 mm-动触头直径45 mm，30 mm-45 mm，40 mm- 45 mm）、对称触头进行电弧轨迹追踪，使用PHANTOM V711系列高速摄影机，分辨率设置为1 024×512，在该分辨率下最大帧速率为7 500 fps，帧间时间为0.133 ms，曝光时间为10 μs，并加有可调节滤光片。在拉弧初期，开距较小，架设高速摄影机在真空腔外俯角拍摄，采用对称触头结构电弧图像受到遮挡并对拉弧过程中真空电弧光强产生干扰，真空电弧的光亮很大程度上又遮盖了电弧轨迹，不能很好地观测电弧运动轨迹。对比分析拍摄图像，最终确定不对称触头结构（静触头直径15 mm-动触头直径45 mm）采集到的真空电弧弧根运动图像清晰，更利于应用目标追踪技术追踪真空电弧运动轨迹。触头旋转真空拉弧实验系统示意图如图3a所示。
旋动永磁机构传动系统在可拆卸真空灭弧室下左侧方，永磁机构动连杆推动直动转旋动联动件将直动动能转变为旋动动能，以轴承带动不同传动比的齿轮组，经由同步带与磁流体动密封中穿过的动连杆联动，以实现动触头旋动能量的传递。如图3b触头旋转真空拉弧实验系统，上触头为静触头，下触头为动触头。真空拉弧实验系统中，静触头为阳极，动触头为阴极，产品出厂时导电杆与触头片为一体结构，实验中触头间开距为10 mm。如图4a所示，直动分离下，动触头向下沿直线运动；如图4b所示，旋转分离下，动触头向下沿直线运动并沿自身中轴顺时针旋转。
图3 触头旋转真空拉弧实验系统
Fig.3 Contact rotating vacuum arc drawing test system
图4 触头分离模型示意图
Fig.4 Schematic diagram of contact separation model
电弧整个燃弧过程分为三个阶段：起弧阶段、电弧发展阶段和熄灭阶段。在真空电弧发展阶段，电弧比较明亮且在触头表面停滞，并产生烧蚀，在弧柱内部金属蒸气压力作用下[21-22]，电弧转向扩散状态，电弧变暗，对触头烧蚀作用减小。为探求真空电弧在发展阶段的演变过程，有必要追踪电弧弧根轨迹，分析弧根运动对电弧演变的影响。
使用高速摄影机采取长曝光的方式采集图像，相机采用俯角拍摄阴极表面，并安装滤光片观察电弧运动过程。实验中采用非对称触头结构，在刚分瞬间，静触头边缘与动触点接触处电场畸变很大，电流密度极高，非对称触头结构在动、静触头接触处容易产生局部发热以及相对较高的电场强度，具备形成电弧条件[23-25]。
实验中分别采集到了直拉、旋转分离下整个燃弧期间各阶段真空电弧与示波器曲线对应图像。直拉电弧长曝光图像如图5所示，直拉电弧在起弧阶段由于开距较小[26-27]，电弧亮度较暗，当电弧开始初始扩散时，直拉电弧呈现出不规则运动状态至电弧熄灭；旋转电弧长曝光图像如图6所示，触头旋转电弧在初始扩散时呈环形扩散状态，此时触头开距较大[28]，电弧持续形成直径更大的运动轨迹直至电弧熄灭。触头旋转运动贯穿整个开断始终，在此作用下电弧弧根快速运动，使扩散型电弧沿触头表面径向位移增大，减少电弧在触头蚀坑处持续燃烧时间，有效提高熄弧效率[29]。
图5 直拉电弧长曝光图像
Fig.5 Straight pull arc long exposure image
长曝光模式采集的图像可以简单、快速观察电弧运动轨迹，但电弧燃弧时间通常为ms级别，这种方式对电弧燃弧过程采集的图像数量过少，为进一步探究电弧演变过程，采用帧速率为7 500 fps的拍摄模式，利用Lucas-Kanade光流法追踪电弧在阴极表面的运动轨迹，在直拉、旋转分离方式下分别进行100次拉弧实验，采集每一次实验的电弧电压电流波形，并从中挑取多组具有代表性的实验数据进行对比分析，再按照统一处理方式提取电弧图像特征信息。
图6 旋转电弧长曝光图像
Fig.6 Rotating arc long exposure image
真空电弧扩散型运动轨迹对比如图7～图9所示，点画线为动触头阴极表面轮廓，触头直径为45 mm。直拉真空电弧弧根随机无规则运动，且在电弧扩散阶段位移较小，而旋转电弧在阴极表面上快速移动并且轨迹沿触头表面径向分布。为更清晰地描述电弧弧根轨迹情况，本文以弧根近似环形、弧根环形向内这两种轨迹来区分，其中图7为弧根环形向内轨迹，图8、图9为弧根近似环形轨迹。图10所示为100次旋转电弧对比实验中主要观察到的两种扩散轨迹，有75次近似环形和25次环形向内扩散轨迹，图中纵坐标为旋转电弧径向扩散的燃弧时间，近似环形轨迹扩散时间基本小于环形向内轨迹扩散时间，前者能更快到达熄弧阶段。本文着重研究电弧发展阶段直拉电弧和旋转电弧演变过程，结合电弧特性、电流波形以及电弧图像进行分析，选择直拉、旋转电弧轨迹对比图9进一步分析。
图7 真空电弧扩散型运动轨迹对比1
Fig.7 Comparison of vacuum arc diffusion state trajectories1
图8 真空电弧扩散型运动轨迹对比2
Fig.8 Comparison of vacuum arc diffusion state trajectories2
图9 真空电弧扩散型运动轨迹对比3
Fig.9 Comparison of vacuum arc diffusion state trajectories3
图10 真空旋转电弧径向不同扩散时间数据统计
Fig.10 Vacuum rotating arc radial different diffusion time data
根据图9真空电弧扩散型运动轨迹，应用比色测温法，对旋转电弧轨迹中从3.458～3.990 ms、4.123～4.655 ms期间进行图像处理。图11a、图11b为电弧伪色彩图像，图中点画线为动触头表面位置标定，处理过后的电弧图像的内部有多条灰度等高线，根据电弧图像不同灰度值来划分不同的温度区域，将灰度值在23～100的区域划分为低温区、灰度值在100～200的区域划分为中温区、灰度值高于200的区域划分为高温区。真空电弧灰度值区域面积示意图如图11c所示。
图11 旋转电弧扩散型时期电弧图像处理
Fig.11 Image processing of arcs during the diffuse state of rotating arcs
由于在触头分离过程中，电弧逐渐拉长，电弧电阻也相应增大，当电弧被拉到一定长度时，电弧能量有足够空间释放，电弧电流急剧减小。实验所采集到的数据表明，电弧发展阶段在电压电流波形中体现为电弧电流骤降阶段与电弧电流缓慢振荡阶段。实验初期观察到的电弧为限制型，大多呈现桥柱形，中间有明显的导电通道。电弧开断过程，直拉电弧燃弧时间为8.57 ms，旋转电弧燃弧时间为6.45 ms。图12点画线选中的电流波形区域为电弧电流骤降阶段，对应的电弧图像时间分别为4.123～4.665 ms、3.192～3.724 ms，如图13所示，旋转电弧比直拉电弧的电流骤降阶段时间更短。当电流骤降时，阴极向弧隙发射的金属蒸气变少，电弧能量变小，从而打破电弧限制状态，使其快速进入扩散状态。
图12 电弧电流骤降阶段直拉、旋转电弧波形
Fig.12 Straight pulling and rotating arc waveforms at the stage of arc current dip
图13 电弧电流骤降阶段直拉、旋转电弧图像
Fig.13 Image of straight pulling and rotating arc at the stage of arc current plunge
实验中，电弧电流骤降阶段即为限制型电弧开始转化为扩散型电弧阶段。由图12a的直拉电弧电流波形放大图可见，电流骤降的波峰、波谷分别在4.123 ms和4.8 ms处。由图12b的旋转电流波形放大图可见，电流骤降的波峰、波谷分别在3.192 ms和3.72 ms处，骤降持续时间为0.528 ms。直拉电弧电流骤降曲线下降更为陡峭，而旋转电弧电流骤降曲线呈阶梯式下降，将导致在相同的电流下，旋转电弧电流比直拉电弧电流变化更剧烈。图13所示红色虚线为触头中轴线，根据图13a、图13b直拉、旋转电弧图像也可以看到在电流骤降阶段，直拉电弧比旋转电弧在平面上运动幅度更大，旋转电弧单独导电通道弧柱扩散空间更大，将更快速地向扩散型电弧转变。
而实验曲线中所指电弧电流缓慢振荡阶段即电弧的扩散阶段。由图14a和图14b所示，直拉、旋转电弧电流在缓慢振荡阶段电弧图像对应的时间分别为4.921～6.118 ms、3.458～4.655 ms，点画线选中的电流波形区域小幅度振荡。当限制型电弧转化为扩散型电弧之后，由触头中心向边缘运动，使电弧弯曲，导致电弧变细变长。电弧自身运动和触头旋转作用下会使电弧扩散效果更明显，形态呈辐射状。当电弧持续运动后，形成多个独立的电弧通道，在阴极表面可以观测到多个弧根，随着电流继续减小，电弧导电通道随之减少，直至电弧无法维持自身能量，进而熄灭。
图14 电弧电流缓慢振荡阶段直拉、旋转电弧波形
Fig.14 Straight pulling and rotating arc waveforms during the slow oscillation phase of the arc current
如图14a所示直拉电弧电流波形，电流在到达电流波谷之后持续大幅度振荡，直至8.57 ms熄弧。图14b旋转电弧电流波形中，电流波谷之后持续小幅度振荡，振荡持续时间为3.72～6.45 ms熄弧结束。直拉、旋转电弧电流缓慢振荡阶段对应电弧扩散图像，如图15所示，直拉电弧在平面运动随机性更大，因此在扩散阶段电流波形振荡幅度大；而旋转电弧在触头旋转作用下，沿触头中轴线对称平稳扩散，电流波形振荡幅度小。同时结合图9电弧运动轨迹可知，电弧扩散阶段，直拉电弧在触头表面不规则运动，而旋转电弧沿触头表面径向扩散。
图15 电弧电流缓慢振荡阶段直拉、旋转电弧图像
Fig.15 Image of straight pulling and rotating arc during the slow oscillation phase of the arc current
为更直观呈现限制型电弧向扩散型电弧的转变，研究电弧电流骤降阶段与电弧电流缓慢振荡阶段电弧形态变化，利用图像处理技术将直拉、旋转电弧图像转化为面积图。如图16中a、b区域所示，在电流骤降阶段，随触头分离距离增大，限制型电弧开始向扩散型电弧转变，此阶段直拉电弧停滞时间较长。而旋转电弧在电流骤降阶段电弧停滞时间较短，在此阶段直拉电弧与旋转电弧相比，电弧运动随机性更大，限制型电弧存在的时间更长，涉及此阶段的电弧面积大。由图16中c和d区域可知，当达到电流缓慢振荡阶段时，结合3.1节中轨迹图分布，直拉电弧在阴极表面随机运动，而旋转电弧在阴极表面沿径向运动。由于旋转电弧更早进入到此阶段，则此时触头分离距离较大，电弧表面积不再随开距的增大而拉长，但旋转带动电弧大范围运动，电弧被扭曲拉长，旋转电弧扩散明显增强，比直拉电弧更弯曲，旋转电弧呈现的空间面积增大。结合3.2节的实验曲线，旋转电弧能量耗散快，熄弧时间短，电弧面积进一步地反映了电弧在燃烧过程中能量耗散的变化。
图16 直拉、旋转电弧面积对比
Fig.16 Comparison of the area of current plunge in straight pull and rotating arcs
本文通过Lucas-Kanade光流法电弧轨迹追踪技术，分析直拉和旋转分离方式下电流的变化对真空电弧运动轨迹和面积变化的影响，得到以下结论：
1）在电弧电流骤降阶段，旋转电弧电流呈阶梯式下降，直拉电弧电流呈陡峭式下降，旋转电弧比直拉电弧变化更剧烈，更快速打破电弧在触头表面的停滞状态，向扩散型电弧快速地转变；在电流缓慢振荡阶段，直拉电弧电流振荡幅度较大，电弧在触头表面呈现不规则随机运动，而旋转电弧电流趋于平稳，电弧在旋转作用下更加平顺地沿触头边缘快速扩散。
2）结合直拉电弧与旋转电弧弧根运动轨迹，在电弧发展阶段，直拉电弧在触头表面运动随机性更大，在文中所述限制型电弧转变阶段，电弧能量相对集中时，电弧面积较大；而在电弧扩散阶段，电弧能量相对较弱，由于其运动的分散性，电弧扩散面积并不大；而旋转电弧在触头旋转运动作用下，沿触头径向运动，旋转电弧扩散效果更明显。
3）在触头旋转真空实验过程中，触头旋转影响电弧的特性转变，加速了电弧熄灭。
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Abstract The entire arcing process of a vacuum arc can be divided into three stages: arc initiation stage, arc development stage, and arc extinction stage. Different arc control measures have varying effects on the arcing process. Contact rotation influences the arc root state during the ignition of the vacuum arc, thereby altering the motion characteristics of the vacuum arc both on the contact surface and in the inter-contact region. Introducing rotational motion to the conventional mechanically linear-motion-based vacuum switch electrode system enhances the activity of the arc between the contacts. This rapidly transforming the characteristics of the vacuum arc leads to a more efficient dissipation of arc energy within a limited space. The Lucas-Kanade optical flow method is used to track the root position of the arc on the contact surface during the contacts separation scenarios. By analyzing voltage and current curves, the relationship between arc trajectory and arc characteristic transitions is derived.
Firstly, this paper presents a vacuum arc trajectory tracking technique founded upon the Lucas-Kanade optical flow method. Position changes of the arc in the next frame are determined by analyzing pixel point variations in arc images between adjacent frames. Secondly, both straight-pull and rotational arcs using the constructed contact-rotation vacuum arc experiment system were conducted. Thirdly, external to the vacuum chamber, inclined-angle recordings were conducted to capture motion images of the vacuum arc root. These images were obtained using an asymmetric contact structure (with a static contact diameter of 15mm and a moving contact diameter of 45 mm). Target tracking technique is applied to monitor the motion trajectory of the vacuum arc. Finally, a comparative analysis of the motion trajectories and area variations of the vacuum arc under both straight-pull and rotational operations is conducted using a colorimetric temperature measurement method.
The research conclusions reveal that: (1) During the rapid drop phase in arc current, the current in the rotating arc demonstrates a stepwise reduction, whereas the straight-pull arc exhibits a steep decline. The rotational arc undergoes more intense and rapid variations compared to the straight-pull arc, effectively disrupting the stagnation of arc on the contact surface and facilitating a swift transition to a diffusive arc; during the slow oscillation phase of current, the straight-pull arc displays a larger amplitude of oscillation, leading to irregular and random motion of the arc on the contact surface. In contrast, the rotational arc current tends to stabilize, promoting a smoother and rapid diffusion of the arc along the contact's edge due to the rotational effect. (2) Combining the arc root motion trajectories of straight-pull and rotational arcs, it becomes evident that during the arc development stages, the straight-pull arc displays a higher degree of randomness in its motion on the contact surface. As outlined in the paper, during the restrictive arc transition phase, when arc energy is relatively concentrated, the arc area is larger. Conversely, during the arc diffusion phase, when arc energy is relatively weaker due to its dispersed motion, the arc diffusion area is not as extensive; Meanwhile, under the influence of contact rotation, the rotational arc demonstrates radial motion along the contact's diameter, leading to a notably enhanced diffusion effect. (3) In the vacuum experiment involving contact rotation, the rotational motion of the contact significantly influences the transition of arc characteristics and expedites the extinguishing of the arc.
keywords：Vacuum arc, rotary separation, motion trajectory, arc characteristics
中图分类号：TM561
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231454
国家自然科学基金项目（51977132）和辽宁省教育厅基本科研项目（LJKMZ20220513）资助。
收稿日期 2023-09-04
改稿日期 2023-09-12
生 鑫 女，1998年生，硕士研究生，研究方向为真空电弧等离子体建模和实验。E-mail: 859169818@qq.com
李争博 女，1986年生，硕士研究生，研究方向为现代电器理论应用。E-mail: avatar47@live.cn（通信作者）
（编辑 崔文静）