CN113125906A - 一种长空气间隙放电多物理量同步观测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长空气间隙放电多物理量同步观测系统及方法，系统包括电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置，电流测量装置的电流测量电阻串接在Marx冲击电压发生器与放电球之间，在Marx冲击电压发生器旁设置有VHF天线，VHF天线接收Marx冲击电压发生器球隙击穿升压所产生的VHF信号通过示波器的触发器输出同步信号，同步电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的观测记录。本发明通过设置VHF天线采集放电长空气间隙被击穿放电前Marx冲击电压发生器球隙击穿产生的VHF信号，将此信号作为同步启动基准信号，从而提升对长空气间隙放电流注‑先导转化物理过程信号采集的准确性。
Description
技术领域
本发明属于高电压测试技术领域，涉及一种长空气间隙放电多物理量同步观测系统及方法，更具体的是涉及长空气间隙放电流注-先导转化多物理量同步观测系统与方法。
背景技术
在电力系统外绝缘技术领域中，长空气间隙放电机理研究是电力系统高电压工程外绝缘设计和雷电屏蔽性能分析的基础，而其中流注-先导转化是造成空气间隙放电特性与间隙尺度关系呈非线性的主要原因，申请人认为，就目前现实的情况而言，由于对长空气间隙放电机理特别是其中流注-先导转化过程认识的不充分，有可能会制约电力系统外绝缘技术领域的发展。申请人在研究过程中发现，若想要提升对长空气间隙放电中流注-先导转化物理过程的认识，需要依赖不断完善的长空气间隙放电中流注-先导转化过程中特征属性和关键物理参数的观测手段。由于长空气间隙放电流注-先导转化过程中存在众多复杂的物理问题，其中包含转化过程中流注茎热力学行为的观测，带电粒子浓度时空分布，空间电场、电流暂态变化过程等，其中涉及到多个关键物理量同步测量的问题。需通过不同的手法以及手段进行收集处理。据申请人了解，现有的长空气间隙放电中流注-先导转化过程观测多集中于关注单个物理量观测手段性能的提升，虽然基于现代的电学测量技术、光学观测技术以及光电传输技术，聚焦于单个物理量的观测手段以及取得了长足的进步；为此，公开号CN 102608503 A公开了“一种长空气间隙放电高精度同步观测方法及系统”，虽然该系统采用多种不同的设备实现对于不同物理量的采集，但是对于同步启动信号采用的是在高速触发器接收冲击电压发生器产生的冲击电压波，输出其他设备能够识别的触发信号；而冲击电压波形信号是由放电电压测量装置输出的，因而可以确认冲击电压波形信号的产生表示长空气间隙已被击穿，因此，此时的启动信号已经被延时，其后所采集的数据显然未能包括击穿的全过程，显然，此种启动方式存在同步启动信号误差的问题，进而会造成分析结果的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长空气间隙放电多物理量同步观测系统及方法，通过设置VHF（特高频）天线采集放电长空气间隙被击穿放电产生冲击电压波形前放电球产生的VHF信号，将此信号作为同步启动基准信号，从而提升对长空气间隙放电流注-先导转化物理过程信号采集的准确性、真实性和客观性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种长空气间隙放电多物理量同步观测系统，包括电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置，电流测量装置的电流测量电阻串接在Marx冲击电压发生器与放电球之间，电场测量装置的电场测量传感器设置在放电球的放电长空气间隙之中，纹影观测装置的ICCD高速相机透过纹影获取装置设置在放电长空气间隙侧旁，其中，在Marx冲击电压发生器旁设置有VHF天线，VHF天线输出连接一个示波器，VHF天线接收Marx冲击电压发生器球隙击穿升压所产生的VHF信号，示波器的触发器输出连接一个多通道数字延时触发器，多通道数字延时触发器的多个触发通道分别连接电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置，示波器的触发器输出根据接收的VHF信号发出同步信号，同步电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的观测记录。
方案进一步是：电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置分别连接计算机用以存储同步观测记录信号。
方案进一步是：所述电流测量装置用于测量长空气放电间隙中高电位电极上的流注-先导转化电流波形，包括高电位采集模块和低电位接收模块，所述电流测量电阻连接一个同轴电阻衰减器，同轴电阻衰减器通过同轴电缆连接高电位采集模块，高电位采集模块连接低电位接收模块，其中的电流测量电阻是多电阻并联形成的无感采样电阻。
方案进一步是：所述高电位采集模块与低电位接收模块之间通过光电转换电路经光纤电缆以光电隔离传输方式连接。
方案进一步是：所述电场测量传感器是光电集成传感器，电场测量装置通过光纤电缆以光电隔离传输方式接收电场测量传感器的场强波形信号。
方案进一步是：所述纹影获取装置包括可调拓展光源、主透镜、可调刀口和成像物镜，主透镜分为第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置在放电长空气间隙相对两侧，可调拓展光源发出的光透过第一透镜穿过放电长空气间隙到第二透镜，第二透镜后面顺序设置所述可调刀口和所述成像物镜，可调刀口用以调节透光的多少，ICCD高速相机设置在成像物镜后面用以获取纹影光学图像。
一种基于所述长空气间隙放电多物理量同步观测系统的同步观测方法，Marx冲击电压发生器通过多级球隙击穿升压达到放电球长空气间隙放电击穿电压，其中，所述方法包括确定同步启动信号和启动电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的同步观测记录，其中：
所述确定同步启动信号是：获取Marx冲击电压发生器球隙击穿时刻产生的VHF信号，用VHF信号触发示波器的触发器发出同步启动信号；
所述启动电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的同步观测记录是：将同步启动信号在电场测量装置对长空气间隙的场强测量过程中作为初始记录时刻建立观测坐标，然后延时确定电流测量装置电流测量观测时刻，并以电流测量观测时刻同步启动纹影观测装置的ICCD高速相机对纹影获取装置的图像拍照，进而完成长空气间隙放电过程的电流、电场和纹影光学图像统一在一个坐标系中的同步比对观测。
方案进一步是：所述延时时间由场强出现最高点时刻确定。
方案进一步是：由于所述VHF信号包括多级球隙击穿产生间断连续的多级VHF信号，因此，所述方法进一步包括调整发出同步启动信号时刻的步骤，包括：输入Marx冲击电压发生器球隙击穿的总级数，输入所要获取VHF信号的级数；当获取VHF信号为所输入级数出现的时刻，用此时刻的VHF信号触发示波器的触发器发出同步启动信号。
方案进一步是：所述纹影获取装置包括可调拓展光源、主透镜、可调刀口和成像物镜，主透镜分为第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置在放电长空气间隙相对两侧，可调拓展光源发出的光透过第一透镜穿过放电长空气间隙到第二透镜，第二透镜后面顺序设置所述可调刀口和所述成像物镜，可调刀口用以调节透光的多少，ICCD高速相机设置在成像物镜后面用以获取纹影光学图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设置VHF（特高频）天线采集放电长空气间隙被击穿放电前Marx冲击电压发生器球隙击穿产生的VHF信号，将此信号作为同步启动基准信号，从而提升对长空气间隙放电流注-先导转化物理过程信号采集的准确性。
通过本发明提出的系统及方法能够实现长空气间隙放电流注-先导转化过程中任一时刻下流注茎温度与热力学半径、流注放电电流、电极表面电场以及流注放电光学力学形态等多物理量同步观测，根据本发明的方法开发的长空气间隙放电流注-先导转化多物理量同步观测系统，创造性地采用了适用于实验室时延触发装置，实现了长空气间隙放电流注-先导转化起始前瞬间的自动同步触发功能。
本发明结合了多种模块化测量装置，基于提取Marx冲击电压发生器球隙击穿产生的VHF信号作为同步启动基准信号，建立了一种适合于长空气间隙放电流注-先导转化多物理量同步观测系统，将有助于全面准确获得长空气间隙放电流注-先导转化过程的物理机理以及特征参数，有利于获取长空气间隙放电流注-先导转化过程中任一时刻下流注茎温度与热力学半径、流注放电电流、电极表面电场以及流注放电光学力学形态的同步数据，实现对其物理变化过程的真实复现和物理仿真，从而达到提升对长空气间隙放电流注-先导转化物理过程的真实性和客观性。
具体体现在：
1）采用带时延控制触发器控制电流测量装置、电场测量装置以及纹影-ICCD观测装置，确保了长空气间隙放电流注-先导转化过程各物理量获取设备能稳定触发，避免人为操作产生的实物，提高整个观测系统的可靠性；
2）本发明的观测系统采用了模块化的设计，方便在需要的时候增加或删减观测手段，有助于增强本发明的适应性；
3）本发明的观测系统实现了高精度同步，能够实现纹影-ICCD观测装置的光学图像与电流信号、电场信号的数据同步，克服了以往长空气间隙放电流注-先导转化观测系统无法实现光学图像与电学测量结果高精度同步的缺点。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明系统围绕长空气放电间隙设备设置结构示意图；
图2为本发明系统同步设备连接示意图；
图3为本发明的电流测量装置原理框图；
图4为本发明时序控制示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“连接”、“置于”应做广义理解，例如“连接”可以是导线连接，也可以是机械连接；“置于”可以是固定连接放置，也可以是一体成形放置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。
实施例1：
一种长空气间隙放电多物理量同步观测系统，如图1和图2所示，系统包括电流测量装置1、电场测量装置2和纹影观测装置3，电流测量装置的电流测量电阻101串接在Marx冲击电压发生器4与放电球5之间，电场测量装置的电场测量传感器201设置在放电球的放电长空气间隙6之中，纹影观测装置的ICCD高速相机301透过纹影获取装置302设置在放电长空气间隙6侧旁，纹影获取装置包括可调拓展光源302-1、主透镜、可调刀口302-2和成像物镜302-3，主透镜分为第一透镜302-4和第二透镜302-5，第一透镜302-4和第二透镜302-5分别设置在放电长空气间隙6相对两侧，可调拓展光源发出的光透过第一透镜穿过放电长空气间隙到第二透镜，第二透镜302-5后面顺序设置所述可调刀口302-2和所述成像物镜302-3，可调刀口用以调节透光的多少，ICCD高速相机301设置在成像物镜302-3后面用以获取纹影光学图像；其中，在Marx冲击电压发生器4旁设置有VHF（Very High Frequency）天线7，VHF天线7输出连接一个示波器8，VHF天线接收Marx冲击电压发生器4球隙击穿升压所产生的VHF信号，Marx冲击电压发生器4是已知技术，它通过多级球隙逐级击穿升压达到放电球长空气间隙放电击穿电压，如图1所示，多级球隙包括g1、g2、g3和g0，通过Marx冲击电压发生器的原理可知g1是点火球隙，g2、g3是中间球隙，g0为隔离球隙，升压的过程是球隙逐级击穿的过程，输入电压U是可调电压，以适应不同电压输出。其中，如图2所示，示波器8的触发器输出连接一个多通道数字延时触发器9，多通道数字延时触发器9的多个触发通道分别连接电流测量装置1、电场测量装置2和纹影观测装置3，然后分别连接计算机10用以存储同步观测记录信号。示波器的触发器输出根据接收的VHF信号发出同步信号，同步电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的观测记录。其中的多通道数字延时触发器9采用的是型号为DG535的四通道数字延时脉冲触发器。
其中，所述电流测量装置1用于测量长空气放电间隙中高电位电极上的流注-先导转化电流波形，如图3所示：所述电流测量装置1包括电流测量电阻101、同轴电阻衰减器102、高电位采集模块103和低电位接收模块104，所述电流测量电阻101用于将放电过程中注入通道的电流转化为电压信号，电流测量电阻采用大阻值、高功率低电感厚膜电阻。电流测量电阻101连接同轴电阻衰减器102，同轴电阻衰减器102通过同轴电缆连接高电位采集模块103，同轴电阻衰减器102将电压信号衰减后送入高电位采集模块103，高电位采集模块103连接低电位接收模块104，其中的电流测量电阻并采用电阻并联方式来降低电流传感器整体的等效电感是多电阻并联形成的无感采样电阻。所述高电位采集模块与低电位接收模块之间通过光电转换电路103-1经光纤电缆以光电隔离传输方式连接。
实施例中：所述电场测量传感器是光电集成传感器，光电集成传感器是采用光电效应晶片形成的光电集成传感器，激光在光电效应晶片中被一分为二，由于空间电场的作用，两路激光发生偏差，两路激光在光探测器中进行调解，输出放电间隙空间暂态电场波形，是已知的技术。电场测量装置通过光纤电缆以光电隔离传输方式接收电场测量传感器的场强波形信号。
实施例2：
一种基于实施例1所述长空气间隙放电多物理量同步观测系统的同步观测方法，实施例1中的内容应视作本实施例中的内容，Marx冲击电压发生器通过多级球隙击穿升压达到放电球长空气间隙放电击穿电压，其中，所述方法包括确定同步启动信号和启动电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的同步观测记录，其中：
所述确定同步启动信号是：获取Marx冲击电压发生器球隙击穿时刻产生的VHF信号，用VHF信号触发示波器的触发器发出同步启动信号；
所述启动电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的同步观测记录是：将同步启动信号在电场测量装置对长空气间隙的场强测量过程中作为初始记录时刻建立观测坐标，然后延时确定电流测量装置电流测量观测时刻，并以电流测量观测时刻同步启动纹影观测装置的ICCD高速相机对纹影获取装置的图像拍照，进而完成长空气间隙放电过程的电流、电场和纹影光学图像统一在一个坐标系中的同步比对观测，图4示意了同步触发时刻的相互关系，其中的电场测量的记录触发a的t0时刻就是球隙击穿时刻b（VHF信号）,是在长空气间隙施加电压波形c最高点d，也就是击穿点的前部上升沿上，这就保证了后面所采集的信号是长空气间隙放电击穿的全过程。因此，就可以通过延时控制启动确定电流测量装置电流测量观测时刻t1，并以电流测量观测时刻t1同步启动纹影观测装置的ICCD高速相机对纹影获取装置的图像拍照，而这个所述延时时间t1就可以由场强出现最高点时刻确定，当然如果要观察其它的点，也可以根据最高点时刻进行前后的调整。
其中：由于所述VHF信号包括多级球隙击穿产生间断连续的多级VHF信号，因此，所述方法进一步包括调整发出同步启动信号时刻的步骤，包括：输入Marx冲击电压发生器球隙击穿的总级数（是已知的），例如10级，输入所要获取VHF信号的级数，例如6级；对获取的每一级计数，当获取VHF信号为所输入级数（6级）出现的时刻，用此时刻的VHF信号触发示波器的触发器发出同步启动信号。
与实施例1相同：所述纹影获取装置包括可调拓展光源、主透镜、可调刀口和成像物镜，主透镜分为第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置在放电长空气间隙相对两侧，可调拓展光源发出的光透过第一透镜穿过放电长空气间隙到第二透镜，第二透镜后面顺序设置所述可调刀口和所述成像物镜，可调刀口用以调节透光的多少，ICCD高速相机设置在成像物镜后面用以获取纹影光学图像。
Claims (10)
1.一种长空气间隙放电多物理量同步观测系统，包括电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置，电流测量装置的电流测量电阻串接在Marx冲击电压发生器与放电球之间，电场测量装置的电场测量传感器设置在放电球的放电长空气间隙之中，纹影观测装置的ICCD高速相机透过纹影获取装置设置在放电长空气间隙侧旁，其特征在于，在Marx冲击电压发生器旁设置有VHF天线，VHF天线输出连接一个示波器，VHF天线接收Marx冲击电压发生器球隙击穿升压所产生的VHF信号，示波器的触发器输出连接一个多通道数字延时触发器，多通道数字延时触发器的多个触发通道分别连接电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置，示波器的触发器输出根据接收的VHF信号发出同步信号，同步电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的观测记录。
2.根据权利要求1所述的同步观测系统，其特征在于，电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置分别连接计算机用以存储同步观测记录信号。
3.根据权利要求1所述的同步观测系统，其特征在于，所述电流测量装置用于测量长空气放电间隙中高电位电极上的流注-先导转化电流波形，包括高电位采集模块和低电位接收模块，所述电流测量电阻连接一个同轴电阻衰减器，同轴电阻衰减器通过同轴电缆连接高电位采集模块，高电位采集模块连接低电位接收模块，其中的电流测量电阻是多电阻并联形成的无感采样电阻。
4.根据权利要求1所述的同步观测系统，其特征在于，所述高电位采集模块与低电位接收模块之间通过光电转换电路经光纤电缆以光电隔离传输方式连接。
5.根据权利要求1所述的同步观测系统，其特征在于，所述电场测量传感器是光电集成传感器，电场测量装置通过光纤电缆以光电隔离传输方式接收电场测量传感器的场强波形信号。
6.根据权利要求1所述的同步观测系统，其特征在于，所述纹影获取装置包括可调拓展光源、主透镜、可调刀口和成像物镜，主透镜分为第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置在放电长空气间隙相对两侧，可调拓展光源发出的光透过第一透镜穿过放电长空气间隙到第二透镜，第二透镜后面顺序设置所述可调刀口和所述成像物镜，可调刀口用以调节透光的多少，ICCD高速相机设置在成像物镜后面用以获取纹影光学图像。
7.一种基于权利要求1所述系统的同步观测方法，Marx冲击电压发生器通过多级球隙击穿升压达到放电球长空气间隙放电击穿电压，其特征在于，所述方法包括确定同步启动信号和启动电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的同步观测记录，其中：
所述确定同步启动信号是：获取Marx冲击电压发生器球隙击穿时刻产生的VHF信号，用VHF信号触发示波器的触发器发出同步启动信号；
所述启动电流测量装置、电场测量装置和纹影观测装置的同步观测记录是：将同步启动信号在电场测量装置对长空气间隙的场强测量过程中作为初始记录时刻建立观测坐标，然后延时确定电流测量装置电流测量观测时刻，并以电流测量观测时刻同步启动纹影观测装置的ICCD高速相机对纹影获取装置的图像拍照，进而完成长空气间隙放电过程的电流、电场和纹影光学图像统一在一个坐标系中的同步比对观测。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述延时时间由场强出现最高点时刻确定。
9.根据权利要求7所述方法，其特征在于，由于所述VHF信号包括多级球隙击穿产生间断连续的多级VHF信号，因此，所述方法进一步包括调整发出同步启动信号时刻的步骤，包括：输入Marx冲击电压发生器球隙击穿的总级数，输入所要获取VHF信号的级数；当获取VHF信号为所输入级数出现的时刻，用此时刻的VHF信号触发示波器的触发器发出同步启动信号。
10.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述纹影获取装置包括可调拓展光源、主透镜、可调刀口和成像物镜，主透镜分为第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置在放电长空气间隙相对两侧，可调拓展光源发出的光透过第一透镜穿过放电长空气间隙到第二透镜，第二透镜后面顺序设置所述可调刀口和所述成像物镜，可调刀口用以调节透光的多少，ICCD高速相机设置在成像物镜后面用以获取纹影光学图像。
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Cited By (2)
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| CN114167230A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-11 | 武汉大学 | 一种含悬浮导体长空气间隙放电试验平台及方法 |
| WO2023078270A1 (zh) * | 2021-11-03 | 2023-05-11 | 国家电网有限公司 | 一种用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统 |
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