CN105866559A - 长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统及方法，涉及电力系统技术领域，用于获得精度较高的流注、先导及末跃转换过程的电场强度，提高长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理研究的深入程度，最终提高电力系统的防雷能力。所述长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统包括：冲击电压发生器、电容分压器、测量电阻、板电极和位于所述板电极上方的棒电极、光谱仪、ICCD相机以及示波器。所述长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法应用上述技术方案所提的测量系统。本发明提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统及方法用于电力系统的雷电防御的研究。

Description

长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统及方法。

背景技术

雷击是输电线路跳闸的主要原因之一，因此研究长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理、防护措施和数值模拟方法是电力系统防雷的研究重点和难点。

在现有技术中，在长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理的研究方面，主要利用放电特性试验来获取流注、先导及末跃转换过程中的电场强度，进而做出流注、先导及末跃的转换过程中电场强度的时空变化图像，以分析长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理。然而，在现有技术中，利用放电特性试验获得的流注、先导及末跃转换过程的电场强度的精度较低，这导致现有技术无法对长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理进行深入的研究，进而导致无法在电力系统中设置合理的防护措施，最终导致电力系统的防雷能力较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统及方法，用于在的长空气间隙雷电冲击过程中，提高测量得到的流注、先导及末跃的转换过程中的电场强度的精度，提高长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理研究的深入程度，最终提高电力系统的防雷能力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，用于长空气间隙雷击放电过程，所述测量系统包括：

冲击电压发生器，其具有输入端和输出端，用于产生模拟雷击放电的输出电压，其中，所述输入端接地；

电容分压器，其与所述冲击电压发生器并联，用于测量所述冲击电压发生器的输出电压值；

测量电阻，其与所述冲击电压发生器的输出端连接，用于测量所述冲击电压发生器的输出电流值；

板电极和位于所述板电极上方的棒电极，所述棒电极与所述板电极相距2m，所述棒电极与所述测量电阻连接，所述板电极接地；

光谱仪，其镜头指向所述棒电极和所述板电极之间，用于采集所述棒电极和所述板电极之间的放电现象的光谱，所述光谱仪能够通过升降移动改变所述镜头指向所述棒电极和所述板电极之间的位置；

ICCD相机，其装设在所述光谱仪上，用于每隔一定时间拍摄并记录所述光谱仪采集到的光谱；以及

示波器，其分别与所述电容分压器和所述测量电阻连接，用于根据所述输出电压值和所述输出电流值，生成并显示所述冲击电压发生器输出的电压波形和电流波形。

在本发明的技术方案中，通过冲击电压发生器在棒电极与板电极之间产生模拟的雷击放电，通过光谱仪采集该雷击放电现象所产生的光谱，进而利用ICCD相机每隔一定的时间间隔拍摄并记录该光谱，通过分析该记录的光谱，得到H_γ谱线的强度等信息，进而根据这些信息计算，得到流注、先导及末跃转换过程中的电场强度。因此，与现有技术中通过放电特性试验获得的流注、先导及末跃转换过程的电场强度的精度相比，应用本发明提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统所得到的电场强度数值精度较高，能够提高长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理研究的深入程度，最终提高电力系统的防雷能力。

另一方面，本发明还提供了一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法，其采用上述技术方案提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，所述长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法包括：

步骤S10，计算长空气间隙雷击放电的50％击穿放电电压U_50％；

步骤S20，在棒电极和板电极之间施加脉冲电压，该脉冲电压的波形为1.2/50μs，该脉冲电压的幅值为kU_50％，其中，k的取值为1、1.05、1.10、1.15或1.20；

步骤S30，对于每个所述k的取值，保持光谱仪与板电极之间的高度差不变，通过光谱仪采集棒电极和板电极之间的放电现象的光谱，在所述脉冲电压的一个周期内，使用ICCD相机每隔20ns拍摄所述光谱，获得时间序列光谱，根据所述时间序列光谱，获得H_γ谱线的时间分布；

步骤S40，对于每个k值，从光谱仪与板电极的高度差x为0开始，逐次对光谱仪的高度进行调节，使该高度差每次增加0.5m，并通过光谱仪采集棒电极和板电极之间的放电现象的光谱；对应每个高度差，在所述脉冲电压的每个周期内的同一时间点，使ICCD拍摄所述光谱，获得空间序列光谱，根据所述空间序列光谱获得H_γ谱线的空间分布；

步骤S50，根据所述H_γ谱线的时间分布及所述H_γ谱线的空间分布，获得H_γ谱线的总展宽；以及

步骤S60，根据所述H_γ谱线的总展宽，计算得到电场强度E。

与现有技术相比，本发明提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法所具有的有益效果与上述长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统所具有的有益效果相同，此处不再赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统的结构示意图。

图2为本发明实施例2提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法的流程图。

附图标记：

10-冲击电压发生器， 11-电容分压器，

12-测量电阻， 21-板电极，

22-棒电极， 30-光谱仪，

31-光栅， 32-平凸透镜，

33-偏振透镜， 34-ICCD相机，

40-示波器， 50-分析装置，

60-同步触发装置。

具体实施方式

为了进一步说明本发明实施例提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统及方法，下面结合说明书附图进行详细描述。

【实施例1】

请参阅图1，本发明实施例提供了一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，包括冲击电压发生器10、电容分压器11、测量电阻12、棒电极22、板电极21、光谱仪30、ICCD相机34以及示波器40。

冲击电压发生器10是一种能够模拟雷击放电的电压生成装置，通常用于电力设备等试品进行雷电冲击电压全波、雷电冲击电压截波和操作冲击电压波的冲击电压试验，检验绝缘性能。在本实施例中，冲击电压发生器10的额定电压至少为2000kv，具有输出端和输入端，该输出端与棒电极22连接，该输入端接地。

电容分压器11与冲击电压发生器10并联，也即一端连接电容分压器11的输入端，另一端接地。该电容分压器11用于测量冲击电压发生器10生成的输出电压值。

测量电阻12与棒电极22串联，位于棒电极22与冲击电压发生器10之间的电路上，该测量电阻12用于测量通过棒电极22的输出电流值。

棒电极22位于板电极21的正上方，板电极21水平设置，棒电极22的上端与测量电阻12连接，下端与板电极21之间的高度差为2m。棒电极22与板电极21之间形成放电空间。

光谱仪30水平设置，其镜头指向棒电极22和板电极21之间，用于采集上述放电空间内放电现象的光谱。光谱仪30能够在竖直方向上进行升降移动，调节其与板电极21之间的高度差x，以采集上述放电空间内的不同位置的光谱。此外，对于部分简单光谱仪30而言，在光谱仪30的镜头的前方，还可按照从接近镜头到远离镜头的顺序依次设有偏振透镜33、平凸透镜32、光栅31，其中，光栅31用于对入射至光谱仪30的镜头的不同波长的光线进行离散，凸透镜将放电区域投影到光谱仪30入射狭缝，偏振片用于滤去无关谱线。

光谱仪30上还装设有ICCD相机34，其能够每隔一定时间对光谱仪30采集的光谱进行拍摄，并将其记录。

示波器40与电容分压器11和测量电阻12连接，用于接收电容分压器11测量得到的输出电压值和测量电阻12测量得到的输出电流值，根据该输出电流值和输出电压值生成上述输出电压的波形。

在本发明实施例中，通过冲击电压发生器在棒电极与板电极之间产生模拟的雷击放电，通过光谱仪采集该雷击放电现象所产生的光谱，进而利用ICCD相机每隔一定的时间间隔拍摄并记录该光谱，通过分析该记录的光谱，得到H_γ谱线的强度等信息，进而根据这些信息计算，得到流注、先导及末跃转换过程中的电场强度。因此，与现有技术中通过放电特性试验获得的流注、先导及末跃转换过程的电场强度的精度相比，应用本发明提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统所得到的电场强度数值精度较高，能够提高长空气间隙雷电冲击下的放电物理机理研究的深入程度，最终提高电力系统的防雷能力。

可以理解的是，在获得ICCD相机34拍摄的光谱之后，可使用人工或计算机对这些光谱进行分析计算，以获得流注、先导及末跃转换过程中的电场强度。为了提高测量效率，在本实施例中，上述测量系统还包括分析装置50，该分析装置50可为计算机或工作站等设备，与ICCD相机34相连。在该分析装置50内预先写入计算机程序，在该计算机程序的控制下，分析装置50从ICCD相机34获取其记录的光谱，根据该光谱得到H_γ信息和H_β谱线的强度等信息，并根据预设的公式算出上述电场强度。与人工对ICCD相机34拍摄的光谱进行分析计算相比，分析装置50能够自动进行上述分析计算过程，并且还能够提高参数计算的效率和精确程度。

此外，在本实施例中，上述测量系统还包括同步触发装置60，该同步触发装置60与示波器40和ICCD相机34连接。在冲击电压发生器10产生输出电压(该输出电压为脉冲电压)时，从示波器40获取冲击电压发生器10的输出电压的波形，根据该波形判断冲击电压发生器10产生的输出电压的每个周期的持续时间，并根据该每个周期的持续时间，使ICCD相机34在需要的时刻触发，拍摄每个周期内的同一时刻对应的光谱，或拍摄每个周期内不同时刻各自对应的光谱。因此，通过设置同步触发装置60，使ICCD相机34的触发时间与输出电压的每个周期内的持续时间严格对应，从而准确地获得需要的时刻的光谱。

【实施例2】

请参阅图2，在本实施例中，提供了一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法，该测量方法采用实施例1中记载的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，用于在长空气间隙雷击放电过程中，测量流注、先导及末跃转换过程的电场强度。

具体地，本实施例提供的长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法包括：

步骤S10，计算长空气间隙雷击放电的50％击穿放电电压U_50％。在该步骤中击穿放电电压为在棒电极和板电极之间多次施加冲击电压时，其中半数导致击穿的电压。

步骤S20，在棒电极和板电极之间施加脉冲电压，该脉冲电压的波形为1.2/50μs，该脉冲电压的幅值为kU_50％，其中，k的取值为1、1.05、1.10、1.15或1.20。对应每个k值，进行下述步骤S30和S步骤40。

步骤S30，对于每个k的取值，保持光谱仪与板电极之间的高度差不变，通过光谱仪采集棒电极和板电极之间的放电现象的光谱，在脉冲电压的一个周期内，使用ICCD相机每隔一定时间间隔Δt拍摄光谱，获得时间序列光谱，根据时间序列光谱，获得H_γ谱线的时间分布。

在步骤S30中，上述时间间隔Δt可为20ns(纳秒)。并且，由于每次放电过程的持续时间在几十μs(微秒)左右，因此，为了更准确地记录放电过程内的现象，可将ICCD相机每次的曝光时间设置在ns级别，例如可在1-10ns内任意取值。

步骤S40，对于每个k值，从光谱仪与板电极的从高度差x为0开始，逐次对光谱仪的高度进行调节，使该高度差每次增加0.5m，并通过光谱仪采集棒电极和板电极之间的放电现象的光谱；对应每个高度差，在脉冲电压的每个周期内的同一时间点，使ICCD拍摄光谱，获得空间序列光谱，根据空间序列光谱获得H_γ谱线的空间分布。

可以理解的是，根据步骤S30和步骤S40，能够获得各时间点和空间位置对应的，虽然在下文中仅对某一时间点或空间位置的强度I_γ及强度I_β的计算进行说明。但结合步骤S30、步骤S40以及以下步骤，本实施例能够获得的是流注、先导及末跃转换过程中的不同时间及空间位置所对应的电场强度，从而能够确定流注-先导转换过程中放电现象的时间特性和空间特性，进而分析得到长空气间隙放电过程物理机理，最终对雷击放电过程进行更深入的研究，更好地对雷击现象进行防御。

步骤S50，根据H_γ谱线的时间分布及H_γ谱线的空间分布，获得H_γ谱线的总展宽；以及

步骤S60，根据H_γ谱线的总展宽，计算得到电场强度E。

通过步骤S50a和步骤S60a计算得到电子温度Te，通过步骤S50b和步骤S60b计算得到电场强度E，得到流注、先导及末跃转换过程中的电场强度。

相对于现有技术，本实施例提供的测量方法的有益效果与实施例1提供的测量系统的有益效果相同，此处不再赘述。

对于上述技术方案而言，步骤S10(计算长空气间隙雷击放电的50％击穿放电电压U_50％)具体包括：

步骤S11，确定一初始值U₀。改初始值为本领域技术人员根据经验、实际环境等因素估算的击穿放电电压U_50％的估计值。

步骤S12，逐次向棒电极和板电极之间施加测试电压，该测试电压的幅值从0.75U₀开始，每次增加0.05U₀，直至棒电极和板电极之间放电且不闪络，以此时的测试电压值作为有效电压值；

步骤S13，重复步骤12至少40次，计算得到的所有有效电压值的平均值，以该平均值作为空气间隙雷击放电的50％击穿放电电压U_50％。

步骤S11-S13的过程为阶梯法测量击穿放电电压的过程，由于现有技术中存在阶梯法的具体流程的描述，因此此处不再赘述。

对于上述任一项技术方案而言，步骤S60(根据H_γ谱线的总展宽，计算得到电场强度E)包括：

步骤S61，确定仪器展宽，通过反卷积运算，计算仪器展宽中的洛伦兹部分Δλ_Li和高斯部分Δλ_Gi。由于仪器展宽包括洛伦兹部分根据H_γ谱线的总展宽，计算得到电场强度E

步骤S62，按照公式计算多普勒展宽Δλ_doppler，其中，T为棒电极和板电极之间的放电区域的气体温度，A是发射粒子的原子量，λ₀是跃迁中心波长。

步骤S63，根据仪器展宽中的高斯部分Δλ_Gi以及多普勒展宽Δλ_doppler，按照公式计算高斯展宽

步骤S64，根据H_γ谱线的总展宽及高斯展宽通过反卷积运算，计算得到洛伦兹展宽；从洛伦兹展宽中分离出范德华展宽Δλ_van以及仪器展宽中的洛伦兹部分Δλ_Li，得到斯塔克展宽Δλ_1/2；以及

步骤S65，根据斯塔克展宽Δλ_1/2，计算电场强度E，计算该电场强度E的公式为：

$E=\frac{2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{mec\Δ\λ}}_{1/2}}{63{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}^2{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}$

其中，Δλ₀为谱线的中心波长；ε₀为真空中的介电常数；m为单电子的质量，e为单电子的电荷量；c为真空中的光速，Δλ_1/2为所述斯塔克展宽。

在本实施例，通过上述各步骤能够计算得到流注-先导转换过程的电场强度和电子温度在不同时间点和不同空间位置的数值，进而获得电场强度在时空上的分布，以确定流注、先导及末跃转换过程的细节和机理。因此，通过本发明能够更深入地研究雷击的特性，从而更好地对雷击进行防御。

可以理解的是，在本实施例中，还可实现通过计算判断本实施例是否使用于待检测的流注、先导及末跃转换过程，具体如下所述。

根据长间隙放电理论，在流注、先导及末跃转换过程中，流注茎电场强度N_e会增大1～3个数量级。考虑到每立方厘米的电场强度满足10¹⁴≤N_e≤10¹⁸条件时，斯塔克展宽法测量比较精确，而2m棒-板间隙放电的电场强度N_e略微不足，故必须通过计算除去多普勒展宽、仪器展宽和范德华展宽。自然宽度在波长尺度上约为10^-5nm，在大气压条件下可以忽略不计。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，用于长空气间隙雷击放电过程，其特征在于，所述测量系统包括：

冲击电压发生器，其具有输入端和输出端，用于产生模拟雷击放电的输出电压，其中，所述输入端接地；

电容分压器，其与所述冲击电压发生器并联，用于测量所述冲击电压发生器的输出电压值；

测量电阻，其与所述冲击电压发生器的输出端连接，用于测量所述冲击电压发生器的输出电流值；

板电极和位于所述板电极上方的棒电极，所述棒电极与所述板电极相距为2m，所述棒电极与所述测量电阻连接，所述板电极接地；

光谱仪，其镜头指向所述棒电极和所述板电极之间，用于采集所述棒电极和所述板电极之间的放电现象的光谱，所述光谱仪能够通过升降移动改变所述镜头指向所述棒电极和所述板电极之间的位置；

ICCD相机，其装设在所述光谱仪上，用于每隔一定时间拍摄并记录所述光谱仪采集到的光谱；以及

示波器，其分别与所述电容分压器和所述测量电阻连接，用于根据所述输出电压值和所述输出电流值，生成并显示所述冲击电压发生器输出的电压波形和电流波形。

2.根据权利要求1所述的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括分析装置，其与所述ICCD相机连接，用于获取并分析所述ICCD相机拍摄的光谱。

3.根据权利要求1或2所述的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括同步触发装置，其与所述示波器和所述ICCD相机连接，用于根据所述示波器生成的所述输出电压的波形，控制所述ICCD相机的触发时间。

4.一种长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-3中的任一项所述的长空气间隙雷击放电电场强度的测量系统，所述长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法包括：

步骤S10，计算长空气间隙雷击放电的50％击穿放电电压U_50％；

步骤S20，在棒电极和板电极之间施加脉冲电压，该脉冲电压的波形为1.2/50μs，该脉冲电压的幅值为kU_50％，其中，k的取值为1、1.05、1.10、1.15或1.20；

步骤S30，对于每个所述k的取值，保持光谱仪与板电极之间的高度差不变，通过光谱仪采集棒电极和板电极之间的放电现象的光谱，在所述脉冲电压的一个周期内，使用ICCD相机每隔20ns拍摄所述光谱，获得时间序列光谱，根据所述时间序列光谱，获得H_γ谱线的时间分布；

步骤S40，对于每个k值，从光谱仪与板电极的高度差x为0开始，逐次对光谱仪的高度进行调节，使该高度差每次增加0.5m，并通过光谱仪采集棒电极和板电极之间的放电现象的光谱；对应每个高度差，在所述脉冲电压的每个周期内的同一时间点，使ICCD拍摄所述光谱，获得空间序列光谱，根据所述空间序列光谱获得H_γ谱线的空间分布；

步骤S50，根据所述H_γ谱线的时间分布及所述H_γ谱线的空间分布，获得H_γ谱线的总展宽；以及

步骤S60，根据所述H_γ谱线的总展宽，计算得到电场强度E。

5.根据权利要求4所述的长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法，所述步骤S10包括：

步骤S11，确定一初始值U₀；

步骤S12，逐次向所述棒电极和所述板电极之间施加测试电压，该测试电压的幅值从0.75U₀开始，每次增加0.05U₀，直至所述棒电极和所述板电极之间放电且不闪络，以此时的测试电压值作为有效电压值；以及

步骤S13，重复步骤12至少40次，计算得到的所有有效电压值的平均值，以该平均值作为所述空气间隙雷击放电的50％击穿放电电压U_50％。

6.根据权利要求4所述的长空气间隙雷击放电电场强度的测量方法，其特征在于，所述步骤S60包括：

步骤S61，确定仪器展宽，通过反卷积运算，计算仪器展宽中的洛伦兹部分Δλ_Li和高斯部分Δλ_Gi；

步骤S62，按照公式计算多普勒展宽Δλ_doppler，其中，T为棒电极和板电极之间的放电区域的气体温度，A是发射粒子的原子量，λ₀是跃迁中心波长。

步骤S63，根据所述仪器展宽中的高斯部分Δλ_Gi以及所述多普勒展宽Δλ_doppler，按照公式计算高斯展宽

步骤S64，根据H_γ谱线的总展宽及所述高斯展宽通过反卷积运算，计算得到洛伦兹展宽；从所述洛伦兹展宽中分离出范德华展宽Δλ_van以及所述仪器展宽中的洛伦兹部分Δλ_Li，得到斯塔克展宽Δλ_1/2；以及

步骤S65，根据所述斯塔克展宽Δλ_1/2，计算所述电场强度E，计算所述电场强度E的公式为：

$E=\frac{2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{mec\Δ\λ}}_{1/2}}{63{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}^2{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}$

其中，Δλ₀为谱线的中心波长；ε₀为真空中的介电常数；m为单电子的质量，e为单电子的电荷量；c为真空中的光速，Δλ_1/2为所述斯塔克展宽。