CN111239567A - 含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，包括放电实验腔体，其内部设有间隙长度可调节的棒‑板电极结构，瞬态电流测量装置安装在所述棒电极内部尖端处；所述瞬态电流测量装置内部设有高速采集卡和USB转光纤模块；放电电流流经棒电极内部的电阻分流器，由高速采集卡采集电流信号，电流信号经所述USB转光纤模块转换成光信号后，由光纤传送至设置在所述瞬态电流测量装置外部的光电转换模块，所述光电转换模块将光信号转换成电信号后传送到数据处理终端进行数据存储。本发明实现了高压电极、瞬态电流测量装置和低气压腔体的一体化设计，可准确测量高压侧放电电流，对低气压条件下长间隙放电机理的研究具有重要意义。

Description

含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置

技术领域

本发明涉及一种含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，属于高电压与绝缘技术领域。

背景技术

长间隙放电机理研究是高压输变电系统外绝缘设计和雷电物理学的重要基础。近年来，随着我国高海拔地区的能源开发、电能长距离输送以及高层大气瞬态发光事件的发现，深入研究低气压条件下长间隙放电机理的需求日益突出。

其中，对于高海拔地区输变电工程外绝缘设计，由于空气的绝缘强度随海拔高度的增加、气体密度的降低而显著降低，因此外绝缘优化配置面临严峻挑战，为保证系统工程安全稳定运行，因此系统地开展高海拔、低气压长间隙放电宏观特性研究十分迫切。但由于在高海拔低气压条件下针对宏观特性研究开展真型实验需要投入大量的人力物力，时间成本投入过大，并且实验条件不可能枚举所有工况；同时针对放电宏观特性的研究缺乏对于低气压长间隙放电物理特性的定量认识，这使得实验结论不具备普适性，为了深入对低气压长间隙放电特性的认识和理解，因此进一步系统地开展高海拔低气压长间隙放电的机理研究十分必要。

在高层大气放电物理学研究方面，近年来在雷云上方发现了高层大气瞬态发光事件(TLEs)。TLEs是指发生于平流层与中间层观测记录到的四种典型大尺度放电现象，包括：红色精灵(red sprites)、光晕(halo)、蓝色喷流(blue jets)和巨大喷流(gigantic jets)等。研究TLEs的放电物理本质对于理解高层大气的物质和能量输送机制、保障高空飞行器安全具有重要意义。理论上TLEs也是在极低气压下长空气间隙的放电过程，TLEs出现的高度介于10km-100km范围，其放电空间大气压强可低至100Pa以下，因此开展极低气压条件下长间隙放电特性实验研究对认识和理解TLEs现象具有重要的理论价值。综上所述，为保证高海拔地区输变电系统工程的安全运行和加深对高层大气发光现象的认识和理解，需要深入研究100Pa～1atm宽幅气压变化范围的长间隙放电物理机理。

长空气间隙放电是一种复杂的物理现象，主要包括流注起始、流注先导转换、连续先导发展至末跃四个主要放电阶段。前人研究发现，当海拔高度升高、大气压强降低时，长空气间隙的击穿电压会显著降低，这将会直接影响高海拔地区输变电系统的外绝缘安全，但由于缺乏低气压长空气间隙放电机理实验观测研究装置，因此缺少低气压长间隙放电特性研究的基础数据，导致目前对低气压长间隙放电机理的认识尚不明晰。从机理层面系统开展低气压下长间隙放电物理过程的实验研究，不仅需要在m级大尺度空间范围模拟低气压环境，同时实验腔体内外存在很大的压强差，这对实验装置的机械力学结构设计提出了很高的要求；而且长间隙放电是热、电、光等多物理量耦合的复杂物理过程，为了开展低气长间隙放电机理研究，需要获取放电过程中放电电流、光学形态等重要物理量，这同样给实验腔体与相关测量装置的配合设计提出了很高的要求。在长间隙放电过程中，高压电极侧的放电电流可以反映放电过程产生的电子、正离子和负离子的输运过程，电流的准确测量对于揭示放电的形成和发展的机理十分重要。但是，由于长间隙放电电流信号覆盖频带宽(直流DC-30MHz以上)、幅值变化范围大(mA～kA量级)，为了准确测量放电过程的电子电流分量，测量系统必须布置在高压电极侧，这需要电流测量装置具备良好的电磁兼容性；同时高压电极对地的杂散电容和回路寄生电感会引起被测电流波形震荡和畸变。综上所述，设计低气压长间隙放电机理实验观测研究装置，实现宽幅变化低气压条件下m级长间隙放电电流的准确测量，需要有效协同装置的气压腔体力学设计和绝缘设计，同时需要兼顾电流测量系统的带宽、高低压隔离设计、供电技术设计和电磁兼容的设计要求，目前低气压长间隙放电研究的实验装置均不能满足上述要求，其主要方法和装置综述如下：

(1)建设高海拔实验基地、开展长间隙放电特性实验。

优点：与利用小尺寸、低气压容器开展的研究相比，可以开展实际工程大尺度空气间隙放电特性的实验研究。同时也可以在输变电工程所在地区实际的气压条件下，研究该地区实际温度、湿度等气象条件参数和强辐射(宇宙射线和紫外照射)对放电击穿电压的影响。

缺点：建设高海拔实验基地投资大。虽然能够准确获得特定海拔条件下长空气间隙放电击穿电压等参数以服务于高海拔地区输变电工程的绝缘设计，但对于高海拔地区空气绝缘特性研究一般采用在现场开展放电实验，通常会耗费很大的人力、物力，经济性较差；同时其受限于其实验基地的选址，大气压强不能调整，无法进一步开展更低气压下的放电实验研究，同时也缺乏针对放电物理过程的观测手段，因此无法全面获取不同低气压条件下长间隙放电特性的基础研究数据。同时高海拔地区同时面临高寒、缺氧挑战，年均可实验时间窗口短(如西藏基地仅为2-3个月)，无法保证研究工作的持续性，需要投入的时间成本过大。综上所述，现有高海拔地区实验基地无法支撑开展100Pa～1atm宽幅低气压变化范围的长空气间隙放电物理机理研究。

(2)人工气候室模拟实验装置。

优点：人工气候室尺寸比较大，直径可达到十米以上，且气压条件可调，可基本满足输变电电力设备在高海拔、复杂气象条件下的绝缘特性研究的需要，为输变电工程提供绝缘设计依据。

缺点：气压调节范围小，人工气候室只能模拟到海拔5000m以下的气压条件。通常人工气候室为钢制腔体或混凝土结构，由于模拟空间较大，其气密性难以实现0.1atm以下的大气气压条件的模拟。例如，重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室大型多功能人工气候室，其最低气压为30kPa，而为了达到4m的放电间隙，人工气候室的腔体直径为7.8m、高11m，占地面积大，造价较高。其主要用途还是用于支撑输变电电力设备的绝缘特性研究，而且没有配备电学、光学参量等多物理量观测设备，不适用于低气压长空气间隙放电机理的研究，同时无法模拟更高海拔更低气压下的放电实验。

(3)长间隙放电机理研究的低气压模拟实验装置。

优点：相比于前述的钢制腔体的人工气候室，用于长空气间隙放电机理研究的低气压模拟实验装置，具有更好的气密性和更大的气压调节范围，适用于极低气压条件下的放电实验研究。与钢制材料的模拟腔体相比，采用绝缘材料的放电腔体，在同等尺寸下具有更长的有效放电间隙，腔体的有效半径更小，同时从经济型的角度考虑采用绝缘材料模拟实验腔体更为理想。

缺点：低气压模拟腔体虽然可以对温度、湿度以及气压等物理量进行监测，可以获取不同气象条件下的长间隙放电击穿电压等数据，但长间隙放电是一种集电、热和光学等多物理量耦合的复杂物理现象，开展低气压下长间隙放电机理研究，必不可少需要对放电电流及光学、热学等参量的观测，其中电流大小直接反映了通道内部放电活动的强弱，放电电流的准确测量对于深入认识和理解低气压条件下放电起始和发展起着关键性作用，而目前所有装置均未实现对放电电流的准确监测。

目前此类模拟实验腔体的主体材料有采用复合绝缘材料和钢制腔体两种类型：

1)华北电力大学研发了采用聚丙烯复合绝缘材料的长空气间隙实验腔体(专利申请号201611216108.X)，其中观察窗采用直径为150mm的光学钢化玻璃，实验腔体高度为1.65m、直径为1m，具有很好的气密性，可以满足1m间隙长度的空气放电实验研究，进一步可以获取施加的电压波形和放电光学图像等物理参数，但是该装置不具备高压电极侧的放电电流测量功能，无法满足于低气压条件长间隙放电机理的研究需要。

2)清华大学开发了钢制腔体的模拟实验装置。虽然采用钢制材料制成的腔体可以保证焊缝连接处的光滑、平整从而使其具有很好的气密性，有利于开展极低气压条件下的长间隙放电实验研究。但由于需要考虑高压电极与腔体壁之间的绝缘问题，腔体内需采用较长的穿墙套管以保证高压棒电极对低压板电极放电，同时腔体外对称的同样需要长穿墙套管连接高压引线，这使得整个腔体比较笨重，且腔体内空间利用率低，有效放电间隙比同尺寸绝缘腔体小。虽然，其实验腔体高度为3.4m、直径为1.3m，但仅仅只能满足0.7m长度的空气间隙放电实验研究；对于同一棒-板放电间隙，钢制腔体所需要的有效半径相比于绝缘材料腔体而言要大得多，经济性较差，同时该装置也不具备高压电极侧的放电电流测量功能，因此无法适用于低气压条件长间隙放电的机理研究。

若在上述实验装置上进行改造，在罐体外部、高压电极的末端装设高电位电流测装置，这将使电流测量信号不可避免地受到位移电流、寄生参数的影响，产生高频振荡；为实现高电位侧放电电流的准确测量，需要将低气压腔体、放电电流装置等进行一体化设计和装配，同时需要高压实验绝缘和电磁兼容问题。综上所述，目前用于长间隙放电机理研究的低气压模拟腔体均具有一定的局限性。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其具有高电位宽频放电电流测量功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，包括放电实验腔体，所述放电实验腔体内部设有间隙长度可调节的棒-板电极结构，其中板电极为接地电极，棒电极为中空结构的高压电极，且竖直穿过所述放电实验腔体的顶部，瞬态电流测量装置安装在所述棒电极内部尖端处；

所述瞬态电流测量装置内部设有高速采集卡和USB转光纤模块；放电产生后，放电电流流经棒电极内部的电阻分流器，由高速采集卡采集电流信号，电流信号经所述USB转光纤模块转换成光信号后，由光纤传送至设置在所述瞬态电流测量装置外部的光电转换模块，所述光电转换模块将光信号转换成电信号后传送到数据处理终端进行数据存储。

进一步的，电阻分流器测得的电流数据经同轴电缆传送到高速采集卡，其中同轴电缆的芯线经BNC接口、电阻分流器的末端和棒电极头部相连，电缆外壳经BNC接口、电阻分流器的首端和棒电极主体相连。

进一步的，棒电极头部与棒电极主体连接处通过环氧绝缘层绝缘，所述电阻分流器的末端通过黄铜导杆连接所述棒电极头部。

进一步的，所述瞬态电流测量装置内部还设有蓄电池和稳压器，所述蓄电池经稳压器分别对高速采集卡和USB转光纤模块进行供电。

进一步的，所述稳压器还连接有光触发继电器。

进一步的，所述瞬态电流测量装置外部还设有示波器，所述示波器依次经电光转换模块和内嵌于瞬态电流测量装置内的光电转换模块连接至所述高速采集卡，所述示波器发出的脉冲信号用于高速采集卡的同步触发。

进一步的，所述放电实验腔体包括主腔体，所述主腔体的侧面设有两对观察窗，在主腔体的上下两端分别通过法兰连接有上封盖和下封盖，所述棒电极固定在所述上封盖上，所述下封盖上分别设置有气压实时监控装置、温湿度实时监控装置、真空抽气阀、进气阀、接地出口和光纤口。

进一步的，棒电极与上封盖、上封盖与主腔体、下封盖与主腔体之间的连接处均设有密封圈。

进一步的，所述主腔体、上封盖和下封盖均采用绝缘材料制成，所述观察窗采用光学石英玻璃材料制成。

进一步的，每对观察窗分别对称设置，且在每对观察窗的其中一个观察窗外分别设有高速相机。

本发明的有益效果为：

本发明所述含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置通过将高压电极、瞬态电流测量装置与低气压腔体的一体化设计，保证了腔体的气密性。

通过对电阻分流器的结构和参数优化设计大大减少了高压电极与地电极之间的杂散电容所引入冲击放电过程中位移电流的影响，提高了高电位放电电流测量的准确性。

通过对腔体结构、尺寸等参数的设计，避免放电通道沿腔体表面发生闪络，并通过真空计、气压表和温湿度计实现了腔体内部气象参数的实时监测，可适用于100Pa到1atm气压范围内的长间隙放电实验。

通过对两对石英玻璃观察窗的大小和位置进行设计，可实现放电光学形态的拍摄和流场实验观测参数的获取。此设计可实现100Pa-1atm气压范围内长间隙放电过程中冲击电压波形、高电位放电电流、放电光学形态以及通道热力学等重要参数的获取，从而为高海拔地区输变电工程绝缘设计和高空物理学研究提供基础数据。

通过蓄电池和稳压器对瞬态电流测量装置进行供电，可保证高速采集卡的长期安全稳定工作，同时光触发继电器的使用，使得工程现场能在低压端控制供电蓄电池的开关，能够保证蓄电池电量的有效利用。

将高速采集卡采集到的电流信号数据传到低电位的数据处理终端过程中，利用光纤的绝缘性能进行了很好的高低电位隔离设计，采用光纤进行数据传输，避免了放电过程中复杂电磁环境对数据传输的干扰。

附图说明

图1为本发明所述含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置的结构示意图；

图2为本发明所述瞬态电流测量装置及其与外部连接的结构示意图；

图3为本发明所述放电实验腔体的结构示意图；

图4为本发明所述棒电极产生的杂散电容示意图；

图5为电阻分流器与高速采集卡连接示意图；

1-瞬态电流测量装置，2-上封盖，3-棒电极，4-观察窗，5-主腔体，6-板电极，7-下封盖，8-进气阀，9-接地装置，10-光纤口，11-真空抽气阀，12-抽气泵，13-垫高支架，14-数据处理终端，15-棒电极尖端结构，16-电流方向，17-BNC接口，18-电阻分流器，19-环氧绝缘层，20-第一高速相机，21-第二高速相机，22-高速采集卡，23-USB转光纤模块，24-蓄电池，25-稳压器，26-光电转换模块，27-示波器，28-电光转换模块，29-光触发继电器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

一种含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，如图1所示，包括放电实验腔体，所述放电实验腔体内部设有间隙长度可调节的棒-板电极结构，其中板电极6为低压电极，棒电极3为中空结构的高压电极，且竖直穿过所述放电实验腔体的顶部，瞬态电流测量装置1安装在棒电极3内部靠近棒电极头部的位置，即棒电极尖端处。

所述放电实验腔体包括主腔体5，在主腔体1的上下两端分别通过法兰连接有上封盖2和下封盖7，所述棒电极3固定在所述上封盖2上，所述下封盖7上分别设置有气压实时监控装置、温湿度实时监控装置、真空抽气阀11、进气阀8、接地出口和光纤口10。放电实验腔体通过真空抽气阀11与真空抽气装置相连，并通过气压实时监控装置实时监控腔体气压变化，从而可实现稳定的极低气压条件下的长间隙放电实验研究；通过进气阀连接气瓶对放电实验腔体进行充气从而可实现单一气体以及混合气体放电实验。

棒电极3与上封盖2、上封盖2与主腔体5、下封盖7与主腔体5之间的连接处均设有密封圈以保证气密性。进气和抽气采用多通道设计使换气、洗气、抽气速率更快、更充分以保证重复放电实验中气体的纯度，从而保证实验数据的重复有效性，其中真空抽气阀通过输气软管与抽气泵12相连，并可使腔体内部气体压强降至100Pa以下。为保证板电极的电位处于参考电位，采用接地出口设计并通过接地装置9将板电极与实验室接地网相连，其中所述接地装置可选用铜带。为修正气象参数对实验结果的影响，采用高精度真空计、气压表、温湿度计对罐体内部气象参数进行实时监测，并通过液晶显示屏实时读取相关示数，从而保证不同气象条件的实验数据客观、有效。预留的光纤口可以满足后续电场、PMT光学信号等物理量的测量需要。

放电实验腔体在结构上需同时保证腔体的力学性能和绝缘性能。其中，参考图3，绝缘应满足1.0m长空气间隙放电实验要求(1atm气压条件下击穿电压为500kV)：腔体内壁沿面闪络电压u₂>1.0m棒-板间隙击穿电压u₁的1.5倍到2倍以上。对此应当对腔体内壁沿面闪络的爬距进行设计以提高爬距，应当使得腔体半径足够大，从而使得沿腔体内壁的沿面闪络电压足够大，但这同时也增大了腔体尺寸，这不利于腔体的气密性；同时腔体内外壁气压差在腔体上形成的压力将变大，上封盖集成瞬态电流测量装置使得上封盖承受较大的重力，因此还应该进行力学结构设计，适当加大腔体壁厚并在腔体侧壁和/或主腔体与上、下封盖连接处增设加强筋以增加腔体的机械强度。所述主腔体5和上、下封盖均采用绝缘材料制成，优选为有机玻璃，保证腔体的绝缘性能，使得放电实验腔体能在同等尺寸条件下实现更大棒-板间隙距离的放电实验，避免放电沿腔体表面发生闪络，因此利用该腔体研究低气压下长间隙放电可以显著缩小腔体尺寸，降低制造成本，保证了实验研究数据的有效性。另外，所述放电实验腔体也可选用环氧材料替代。

为便于观察腔体内放电通道的发展动态过程，在所述主腔体的侧面设有两对光学图像观察窗4，每对观察窗分别对称设置，且在每对观察窗的其中一个观察窗外分别设有高速相机。所述两对观察窗4均采用光学石英玻璃材料制成，可透过紫外波段的光信号，便于放电光学形态的观测，同时可获取放电过程中全波段的光谱信息。其中一对观察窗用于放电通道光学形态的拍摄，石英玻璃能透过放电产生的紫外波段的光，可以利用光谱仪获取放电全谱段信息，同时可以增大放电通道光学图像的清晰度，观察窗大小和位置的选取原则是使高速相机靠近腔体并使其尽可能观测到包含放电电极的最大范围，如图1中的第一高速相机20的设置，放电通道在可观测范围内充分发展，有利于对放电通道结构形态的定量深入分析。另一对观察窗为光学流场显示窗口，用于观察高压电极附近的放电流场情况；通过窗口高度设计使高压电极端部处于观察窗中心连线上以便于观测高压电极端部附近放电通道，以定量纹影法为例，使平行光路完全透过观察窗并使其经过包含高压电极端部的附近区域，通过高速相机获取定量纹影放电图像，如图1中的第二高速相机21，通过对纹影图像后处理可以得到放电通道热直径、中性气体密度、温度分布及其时间演化规律。通过辅助光纤接口设计，可用于后续电场信号和PMT光信号测量，以电场测量为例，将电场探头置于腔体内并通过光纤使其与低电位处的电场调制模块相连以实现电场信号的测量，综上所述设计可以实现低气压条件下长间隙放电多物理量的同步测量。

如图2所示，所述瞬态电流测量装置1内部设有高速采集卡22和USB转光纤模块23。放电产生后，放电电流流经棒电极内部的电阻分流器18，由高速采集卡22采集电流信号，电流信号经USB转光纤模块23转换成光信号后，由光纤传送到低电位的设置在瞬态电流测量装置1外部的光电转换模块26，将光信号转换成电信号后传送到数据处理终端14进行数据存储。

所述瞬态电流测量装置1外部还设有示波器27，所述示波器27依次经电光转换模块28和内嵌于瞬态电流测量装置1内的光电转换模块26连接至所述高速采集卡22。高速采集卡22的同步时钟脉冲信号可由示波器27的Aux OUT接口输出，即当示波器27检测到高电平时对外输出触发脉冲信号，时钟脉冲信号由电光转换模块28转换成光信号并由光纤传至内嵌于瞬态电流测量装置1内的光电转换模块26，将光信号转换成电信号送到高速采集卡22，从而可以将高速采集卡22采集到的高电位电流数据与示波器测量的高电位电压数据之间建立同步基准。

对瞬态电流测量装置的测量功能要求：

首先应排除位移电流影响：参考图4，由于棒电极存在对地杂散电容，若将瞬态电流测量装置与电极分开布置，由于所施加激励源为冲击电压，波前时间短至亚μs量级，电压上升率高达百kV/μs，因此所测电流将含有杂散电容产生的位移电流分量，使得测量得到放电电流不为真实的放电信号，因此需要对电阻分流器、电极、腔体进行一体化设计，通过环氧绝缘层19将高压电极端部与高压电极主体分开，尽可能减小能影响电流测量的对地杂散电容，从而减少了流经电阻分流器的位移电流，保证了放电电流测量的准确性。同时在长空气间隙放电中流注电流波形上升时间可短至数十ns，等效频率可高达MHz，因此需要减小电阻分流器的电感值以减小其对高频电流信号测量的影响。

经过一体化设计之后，在数据采集方面：电阻分流器18测得的电流数据经同轴电缆将传送到高速采集卡22，参考图5，其中同轴电缆的芯线经BNC接口17、电阻分流器18末端即图5中的B端和棒电极头部相连，电缆外壳经BNC接口、电阻分流器18首端即图5中的A端和棒电极主体下表面相连，而棒电极头部与棒电极主体连接处通过环氧绝缘层19绝缘。在测量过程中，同轴电缆上电压可达kV量级，此时若采用市电对高速采集卡22进行供电，将在高速采集卡22上形成数kV的压降，将会使高速采集卡22损坏。为避免这种情况，将高速采集卡22采用蓄电池24供电，而蓄电池24的参考电位为电极表面的电势，从而保证了高速采集卡22安全工作。此外，蓄电池24与高速采集卡22之间配备了稳压器25，使得蓄电池24的供电稳定，可使高速采集卡22长期稳定工作。所述USB转光纤模块23同样也由蓄电池24经稳压器25进行供电。

由于工作时高速采集卡22处于高压电位，需将高速采集卡22得到的电流信号数据传到数据处理终端14(低电位)，因此必须进行高低电位隔离设计。利用光纤的绝缘性能可以很好地满足要求，在高速采集卡22与数据处理终端14之间配备USB转光纤模块23和光电转换模块26以完成电、光信号之间的转换，两模块之间采用光纤进行数据传输，避免了放电过程中复杂电磁环境对数据传输的干扰；同时光纤到数据处理终端14的垂直距离应大于安全距离，尽量保证光纤距离足够长从而避免放电在此产生以保证测量设备和人员的实验安全。此外将高速采集卡22置于屏蔽电极中并与腔体进行一体化设计，可以很好地解决放电辐射所带来的电磁干扰。

为同时满足腔体绝缘性能与低气压腔体力学机械性能，保证腔体能承受内外压强差而产生的压力，其具体尺寸为：主腔体内直径为1200mm，腔体壁厚20mm，棒-板电极最大间隙距离1000mm，板电极直径为1000mm，上下封盖外直径1280mm、内直径1200mm，并在主腔体外壁与上、下封盖连接处设计加强筋以增强其机械强度。

通过拆卸下封盖调节板电极位置以精确棒-板电极间距进行放电实验。所述两对观察窗包括一对小观察窗和一对大观察窗，小观察窗直径为200mm，使得棒电极头部出现在小观察窗内，且长度不小于50mm，通过在放电实验腔体底部加垫高支架13使得棒电极头部对地距离不小于1700mm，利用两小观察窗可以进行电极端部附近放电通道的流场观测以获取通道内部热力学参量分布规律。大观察窗直径为300mm，观察窗顶端距离棒电极头部100mm，如此设计保证放电通道在观测范围内充分发展，采用高强度、安全性好且可透过紫外波段波长光的石英玻璃密封，同时采用密封圈保证气密性，可利用高速相机透过观察窗对放电光学形态进行拍摄。高压电极头部与高压电极采用螺纹连接，以方便更换实验电极形状，从而可以研究不同形状电极对放电特性的影响规律。腔体下封盖有配置2个进气口、出气口、光纤预留口以及可拆卸式气压表、高精度真空计和温湿度计，其中气压表用于腔体气压范围为0.1atm—1atm的气压实时监测，高精度真空计用于0.1atm气压以下的监测，从而实现腔体内部气压的精准测量；其中2个进气口连接进气阀，通过连接不同气罐可以控制腔体内气体组分。通过预设3根辅助光纤接口，用于满足后续瞬态电场和PMT光学信号测量研究的需要。

高电位瞬态电流测量装置中的电阻分流器选用无感电阻，为准确测真实放电电流，使装置测量带宽上限不小于15MHz以满足长间隙放电流注和先导电流测量要求，同时采用鼠笼并联结构来降低整个电阻分流器的等效电感，通过设计并标定使其电感值小于50nH，对于长间隙放电电流测量电阻值一般选用几欧到几十欧不等。而高压电极(棒电极)主体与高压电极头部由绝缘层隔开，同时所述高压电极主体内部，设有一段15cm长的黄铜导杆与棒电极头部连接；无感电阻通过螺纹与黄铜导杆相连并固定，无感电阻紧邻电极头部，由于绝缘层将棒电极主体与棒电极头部隔开，从而使高压电极主体的对地杂散电容引起的位移电流不流经采样电阻，从而基本消除了位移电流对真实电流信号测量的影响，大大提高了测量的准确性。

高速采集卡选用AgilentU2702A型号，其具有500MHz采样率，带宽高达200MHz，满足数十ns量级波前时间流注电流波形的测量要求，高速采集卡输出接口为USB2.0接口，可以快速、稳定地进行数据传输，高速采集卡采用±12V直流稳压电源供电。高速采集卡第一通道通过电阻分流器获取高电位瞬态放电电流数据，输出数据经电光转换模块转换为光信号经光纤传输至低电位，最后通过光电转换模块转换成电信号经USB线传至PC端进行存储，其中光电、电光转换模块需要±5V直流电源进行供电。在长间隙放电过程中高压电极上施加电压幅值通常为数百kV，为了高速采集卡与USB转光纤模块能安全稳定长时间运行，供电模块不能选用市电，而采用了蓄电池与宽输入稳压器，宽输入稳压器满足输入电压9～36V变化时在输出端能够稳定输出±12V与±5V电压，可供电模块容量满足装置连续工作8小时，蓄电池长时间稳定地供电保证了放电实验连续性和实验数据的可靠性；同时为了满足工程现场需要，供电模块还包含光触发继电器29，使得工程现场能在低压端控制供电蓄电池的开关，能够保证蓄电池电量的有效利用。

当示波器检测到施加的冲击电压信号，其Aux OUT接口会对外输出同步触发脉冲信号，同步脉冲信号经电光转化模块转成光信号经光纤传输至瞬态电流测量装置，进一步由内嵌于电流测量模块中的光电转换模块转化成电信号并传送到高速采集卡第二通道，从而在高速采集卡采集到的高电位电流数据与示波器测量高电位电压数据建立了同步的基准，为获取低气压条件下流注起始电压、放电击穿电压等重要参数奠定了重要基础；其中从示波器产生触发脉冲信号到高速采集卡测得信号存在时延T_d，需要实验布置进行测试确定，类似地，其它用于光学、热学参量测量的高速相机等实验设备的同步触发信号同样需要进行相应时延大小的测量。

实验过程的大致步骤如下：在实验开始前测量时延T_d，然后首先调节棒-板电极至实验间隙距离，然后利用抽气装置对实验腔体抽气至接近真空状态，抽至其极限值以测试腔体的气密性，接着利用高精度真空计或气压表将腔体内气压调至目标值，最后通过高压电源在电极上施加相应波形的电压进行实验并在低电位数据处理终端记录相关实验数据。

综上所述，本发明可为100Pa-1atm气压范围的1.0m长间隙放电实验提供模拟腔体，腔体内部气压可调并可对腔体内部湿度、温度等气象参数进行实时监测，利用与放电实验腔体一体化设计的瞬态电流测量装置1可实现高电位侧放电电流信号的测量；利用ICCD高速相机通过光学石英玻璃观察窗对长间隙放电形态进行观测；利用并使定量纹影实验平台平行光路通过另一对光学石英玻璃观察窗可获得定量纹影图像，经对其反演计算得到高压电极端部区域先导放电通道热力学参数径向分布及其时间变化规律；即本发明通过获取放电过程中放电电流、光学形态以及放电通道热力学参数分布及其变化规律，为全面获取低气压条件下的长间隙放电实验基础数据提供了实验平台，对开展低气压条件长空气间隙放电机理研究具有重要意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，包括放电实验腔体，所述放电实验腔体内部设有间隙长度可调节的棒-板电极结构，其中板电极(6)为接地电极，棒电极(3)为中空结构的高压电极，且竖直穿过所述放电实验腔体的顶部，瞬态电流测量装置(1)安装在所述棒电极(3)内部尖端处；

所述瞬态电流测量装置(1)内部设有高速采集卡(22)和USB转光纤模块(23)；放电产生后，放电电流流经棒电极内部的电阻分流器(18)，由高速采集卡(22)采集电流信号，电流信号经所述USB转光纤模块(23)转换成光信号后，由光纤传送至设置在所述瞬态电流测量装置(1)外部的光电转换模块(26)，所述光电转换模块(26)将光信号转换成电信号后传送到数据处理终端(14)进行数据存储。

2.根据权利要求1所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，电阻分流器(18)测得的电流数据经同轴电缆传送到高速采集卡(22)，其中同轴电缆的芯线经BNC接口(17)、电阻分流器(18)的末端和棒电极头部相连，电缆外壳经BNC接口(17)、电阻分流器(18)的首端和棒电极主体相连。

3.根据权利要求1所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，棒电极头部与棒电极主体连接处通过环氧绝缘层(19)绝缘，所述电阻分流器(18)的末端通过黄铜导杆连接所述棒电极头部。

4.根据权利要求1所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，所述瞬态电流测量装置(1)内部还设有蓄电池(24)和稳压器(25)，所述蓄电池(24)经稳压器(25)分别对高速采集卡(22)和USB转光纤模块(23)进行供电。

5.根据权利要求4所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，所述稳压器(25)还连接有光触发继电器(29)。

6.根据权利要求1所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，所述瞬态电流测量装置(1)外部还设有示波器(27)，所述示波器(27)依次经电光转换模块(28)和内嵌于所述瞬态电流测量装置(1)内的光电转换模块(26)连接至所述高速采集卡(22)。

7.根据权利要求1所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，所述放电实验腔体包括主腔体(5)，所述主腔体的侧面设有两对观察窗(4)，在主腔体(1)的上下两端分别通过法兰连接有上封盖(2)和下封盖(7)，所述棒电极(3)固定在所述上封盖(2)上，所述下封盖(7)上分别设置有气压实时监控装置、温湿度实时监控装置、真空抽气阀(11)、进气阀(8)、接地出口和光纤口(10)。

8.根据权利要求7所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，棒电极(3)与上封盖(2)、上封盖(2)与主腔体(5)、下封盖(7)与主腔体(5)之间的连接处均设有密封圈。

9.根据权利要求7所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，所述主腔体(5)、上封盖(2)和下封盖(7)均采用绝缘材料制成，所述观察窗(4)采用光学石英玻璃材料制成。

10.根据权利要求7所述的含瞬态电流测量的低气压长间隙放电实验装置，其特征在于，每对观察窗分别对称设置，且在每对观察窗的其中一个观察窗外分别设有高速相机。

Images