北京科技大学团队：应用视觉追踪技术分析中频真空电弧的弧后特性

　　多电飞机变频电力系统中的真空电器在开断过程中产生大量金属液滴，该现象与中频真空电弧的弧后电压振荡密切相关，但真空灭弧室为密封环境，利用传感器难以直接测量此期间的电弧参数。

　　北京科技大学自动化学院智能电器研究团队联合北方工业大学、北京航空航天大学在《电工技术学报》2025年第13期上撰文，提出基于视觉追踪技术的中频真空电弧弧后特性研究方法，采用目标检测及交并比跟踪等视觉追踪技术分析电弧图像，三维重构了弧后金属液滴的喷溅轨迹，通过追踪金属液滴，进而得到电弧压力及金属蒸气浓度，对于分析中频真空电弧的弧后特性具有重要的价值。

　　研究背景

　　将真空开关应用于多电飞机变频（中频 360～800 Hz）电力系统，可解决由于电流频率提高导致的熄弧困难以及电器开断能力受限等问题。中频弧后阶段，电压高频振荡伴随金属液滴喷溅。分析中频真空电弧弧后过程电弧压力等参数的分布特性，对于优化灭弧室设计、提升开断性能意义重大。但由于真空灭弧室为密闭环境，利用传感器直接测量电弧压力难度较大。

　　为此，本文使用图像处理技术辅助分析中频灭弧室内金属液滴喷溅过程，基于双面视觉追踪技术间接测量空间三维电弧压力及金属蒸气浓度，可更全面的掌握中频真空电弧弧后特性。

　　图1 中频真空电弧弧后电压振荡过程中的金属液滴喷溅

　　论文所解决的问题及意义

　　液滴喷溅是中频真空灭弧室内金属蒸气的主要来源，借助单目电弧图像获取金属液滴加速度推算电弧压力，但只能获得图像平面内的压力，缺少空间第三维度的信息。此外，电弧图像亮度值在真空电弧发展过程中变化较大，常规的基于灰度阈值法的检测方法难以准确识别液滴。另一方面，弧后过程喷射的金属液滴数量多且几何特征相似，人工逐帧追踪难度较大。

　　针对以上问题，本文搭建中频真空电弧立体视角拍摄系统，三维重构弧后金属液滴运动，采用目标检测及交并比跟踪等视觉追踪算法分析电弧图像，求解电弧内部的空间压力梯度，并分析金属蒸气对弧后击穿过程的影响。

　　图2 中频真空电弧立体视角拍摄系统

　　论文方法及创新点

　　1、金属液滴追踪

　　图3 金属液滴自动检测与追踪算法

　　本文首先根据电弧图像的灰度性质，划分图像感兴趣（Region of Interest, ROI）区域，考虑去除阴阳极触头、开距内的燃弧区域，选取金属液滴数量较多的区域作为ROI，缩小有效检测范围；其次，利用Canny边缘检测算法捕捉电弧灰度图像中的液滴轮廓；然后，利用连通域分析技术获取液滴信息并根据几何学形态特征进行筛选；最后，使用IoU算法逐帧扫描，跟踪电弧图像中的液滴位置。

　　图4 金属液滴的检测与追踪结果

　　2、金属液滴喷溅运动的三维重构

　　双高速摄像机的轴线形成观测角α，轴线夹角在0°～90°之间观测效果最佳°。相机轴线与各自成像平面天然成垂直关系，电弧图像分别成像于左、右成像平面xleft-yleft、xright-yright。金属液滴在左、右平面内的加速度，是空间加速度a在两个成像平面的投影。

　　图5 电弧立体视角拍摄系统

　　图6 液滴的空间运动轨迹

　　3、弧后金属蒸气分布

　　在中频真空电弧发生弧后击穿时，从燃弧区域内向外部存在较大的压力梯度，驱动金属液滴向外喷射，形成三维空间运动，并且伴随着运动，液滴持续释放金属蒸气。

　　图7 金属液滴蒸发释放Cu蒸气的过程

　　结论

　　1）当中频电流过零后发生弧后击穿时，电弧电压发生高频振荡，频率约为 50 kHz，弧后期间在双视角电弧图像中均观察到了大量的金属液滴向外喷溅。

　　2）利用视觉追踪算法及空间映射关系，可三维重构弧后击穿期间金属液滴的立体喷射过程。喷溅速度的数量级为 10 m/s，灭弧室内的压力梯度值可达到 1.2 MPa/mm。

　　3 ）金属液滴表面的 Cu 蒸气密度为 2.2× 1019 m3，金属液滴不断蒸发，Cu 蒸气以扩散和对流的形式进入灭弧室，削弱弧后介质恢复强度，在此期间发生弧后击穿与电压高频振荡。

　　团队介绍

　　北京科技大学自动化学院智能电器研究团队专注于多电飞机电器电弧理论与应用研究，近年来主持国家自然科学基金面上项目2项、国家级外国专家项目1项，主持广东省基础与应用基础研究基金、航空科学基金、中国博士后科学基金等省部级科研项目4项；主持国家电网公司、南方电网、中国航天科技集团等委托横向科研项目10余项；主编英文学术专著1部，在国内外权威期刊发表论文30余篇，其中SCI/EI收录20余篇，申请发明专利10余项，获国家级教育教学成果奖1项、省部级科技发明一等奖1项。

　　蒋原，副教授，硕士生导师，研究方向为多电飞机电器电弧理论及应用、电力设备状态检测与故障诊断等。

　　马速良，特聘副研究员，硕士生导师，研究方向为电器检测技术及电力电子技术。

　　武雨田，硕士生导师，研究方向为多模态感知与深度学习。

　　李擎，教授，博士生导师，研究方向为智能控制理论及其在电力系统保护、交流调速系统中的应用等。

　　武建文，教授，博士生导师，研究方向为智能电器控制及电力系统配电自动化。

　　本工作成果发表在2025年第13期《电工技术学报》，论文标题为“基于视觉追踪技术的中频真空电弧弧后特性研究“。本课题为国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和航空科学基金资助项目。