CN113203923A - 一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气体绝缘与放电技术领域，具体涉及一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，包括：采用冲击电压发生器向长空气间隙的一端电极施加正极性冲击电压；调整正极性冲击电压大小以及长空气间隙距离，使得电极的端部在长空气间隙产生不连续的电晕流注放电，且其中二次电晕流注放电前后暗区时长能够使得纹影系统采集到二次电晕流注产生的流注茎影像；经采集后，完成正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎的观测。本发明提供了一种等价性的实验方法，将二次电晕流注产生的流注茎作为先导头部流注茎的等价观测对象，克服了先导头部流注茎直接观测的困难，从而获得流注茎的可视化影像，以用于分析流注茎的形态特征。

Description

一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法
技术领域
本发明属于气体绝缘与放电技术领域，更具体地，涉及一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法。
背景技术
正极性长空气间隙放电研究对于指导电力系统绝缘设计和地面目标物雷电防护具有重要的意义。先导和流注是正极性长空气间隙放电的最主要形式，其前者由后者驱动。流注放电电流在先导头部区域(也称流注茎)汇聚，加热气体分子，当温度超过2000K，流注茎转换为新先导通道。由此可见，流注茎是连接流注放电和先导放电的桥梁，具有重要的地位。
针对长空气间隙的流注放电和先导放电，国内外学者开展了大量的实验和仿真研究；而针对流注茎，研究比较匮乏。直接观测先导头部流注茎对观测系统的要求极高：1)先导稳定发展过程中，流注茎存在时间约为100ns，对观测系统的时间分辨率要求高；2)流注茎直径约为百微米～毫米量级，对观测系统的空间分辨率要求高；3)长空气间隙先导放电随机性很大，为提高观测效率，系统需要具备较大观测范围；4)流注放电发光强烈，先导通道也伴随发光，若采用传统的摄影手段，流注和先导发光干扰严重，难以准确辨识流注茎边界。在现有实验能力之内，较难同时满足上述要求，因此流注茎观测是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，用以解决现有正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎观测困难的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，包括：
采用冲击电压发生器向长空气间隙的一端电极施加正极性冲击电压；
调整所述正极性冲击电压大小以及所述长空气间隙距离，使得所述电极的端部在长空气间隙产生不连续的电晕流注放电，且其中二次电晕流注放电前后暗区时长能够使得纹影系统采集到二次电晕流注所产生的流注茎影像；
经纹影系统采集所述二次电晕流注产生的流注茎，完成正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎的等价观测。
本发明的有益效果是：本发明将二次电晕流注产生的流注茎作为先导头部流注茎的等价观测对象，在理论上验证是科学可行的。另外，采用高速纹影技术，排除流注放电的发光干扰，实现流注茎的可视化。因此，本发明克服了先导头部流注茎直接观测的困难，提供一种等价性的实验方法，从而获得流注茎的可视化影像，用于分析流注茎的形态特征。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，形成所述长空气间隙的两个电极分别为棒电极和板电极，其中，被施加正极性冲击电压的电极为棒电极。
本发明的进一步有益效果是：对于棒-板电极结构，流注茎大概率在棒电极端部生成，观测位置固定，因此，易于找到观测位置并进行二次电晕流注产生的流注茎影像的采集。
进一步，所述暗区时长超过10μs。
进一步，所述正极性冲击电压为缓波头正极性冲击电压。
本发明的进一步有益效果是：施加缓波头正极性冲击电压，保证二次电晕流注的前后暗区时间均超过10μs，提高流注茎的存活时间。
进一步，所述纹影系统中，辅助光源为中心波长532nm的LED光源，光阑的小孔直径为3-6mm，主透镜焦距不小于1500mm，主透镜的通光口径不小于100mm，高速摄影仪拍摄速度不低于200000fps。
本发明的进一步有益效果是：本发明优选采用上述纹影系统的参数设置，能够有效保证影像采集的灵敏度和观察范围，有利于流注茎更加清晰地成像。
进一步，所述正极性冲击电压的幅值不超过所述长空气间隙的击穿电压，其中，所述击穿电压是通过经验公式基于所述长空气间隙距离计算得到。
本发明还提供一种正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎观测装置，包括：冲击电压发生器，形成长空气间隙的两个电极，以及纹影系统；
所述冲击电压发生器用于向所述长空气间隙的一端电极施加正极性冲击电压；所述正极性冲击电压大小以及所述长空气间隙距离的可调，以使得所述电极的端部在长空气间隙产生不连续的电晕流注放电，且其中二次电晕流注放电前后暗区时长能够使得纹影系统采集到二次电晕流注所产生的流注茎影像。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎观测装置，其可产生不连续的电晕流注放电，其中二次电晕流注产生的流注茎可作为先导头部流注茎的等价观测对象，在理论上验证是科学可行的。另外，采用高速纹影系统，可排除流注放电的发光干扰，实现流注茎的可视化。因此，本发明克服了先导头部流注茎直接观测的困难，提供一种等价性的实验装置，从而获得流注茎的可视化影像，用于分析流注茎的形态特征。
进一步，形成长空气间隙的两个电极分别为棒电极和板电极，其中，被施加正极性冲击电压的电极为棒电极。
本发明的进一步有益效果是：对于棒-板电极结构，流注茎大概率在棒电极端部生成，观测位置固定，因此，易于找到观测位置并进行二次电晕流注产生的流注茎影像的采集。
进一步，所述纹影系统中，辅助光源为中心波长532nm的LED光源，光阑的小孔直径为3-6mm，主透镜焦距不小于1500mm，主透镜的通光口径不小于100mm，高速摄影仪拍摄速度不低于200000fps。
本发明还提供一种正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎的分析方法，其特征在于，采用如上所述的一种正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎观测方法所观测得到的先导头部流注茎进行分析。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法流程框图；
图2为本发明实施例提供的先导头部电晕放电和二次电晕放电空间电荷分布示意图；
图3为本发明实施例提供的先导头部流注茎等价实验方法的实验布置示意图；
图4为发明实施例提供的适用于先导头部流注茎等价观测的放电形式示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1表示冲击电压发生器，2表示棒电极，3表示电晕流注放电，4表示流注茎，5表示辅助光源，6表示光阑，7表示第一主透镜，8表示第二主透镜，9表示刀口，10表示高速摄影仪。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，如图1所示，包括：
采用冲击电压发生器向长空气间隙的一端电极施加正极性冲击电压；
调整正极性冲击电压大小以及长空气间隙距离，使得电极的端部在长空气间隙产生不连续的电晕流注放电，且其中二次电晕流注放电前后暗区时长能够使得纹影系统采集到二次电晕流注所产生的流注茎影像；
经纹影系统采集二次电晕流注产生的流注茎，完成正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎的等价观测。
本实施例将二次电晕流注产生的流注茎作为先导头部流注茎的等价观测对象。以二次电晕流注产生的流注茎为观测对象，其和先导头部流注茎具有等价性，理论说明如下：如图2所示，先导通道一般可以可视为电极的延伸，先导稳定发展时电晕放电时间间隔约百纳秒，而本实施例关注的二次电晕流注与初始电晕流注的时间间隔约数十微秒。考虑空间电荷迁移速度约100m/s，二次电晕电流起始时初始电晕流注残留空间电荷的迁移距离约为数毫米，与初始电晕流注放电区域(约100mm)相比，正离子迁移造成的影响几乎可以忽略不计。因此，二次电晕流注起始时空间电荷的分布类似于先导头部空间电荷的分布。与此同时，电晕流注放电产生的激发态分子N2(v)的存活时间为数十毫秒，因此，在激发态分子N2(v)方面，二次电晕流注区与先导头部流注区同样类似。
从上述分析可以看出，除二次电晕流注茎外，第三次及随后电晕流注茎均和先导头部流注茎具有一定等价性。然而，考虑到高速纹影系统的观测范围有限，第三次及随后的电晕流注茎易生长至观测区域之外，而且靠近电极附近可能转化为先导，导致流注茎的轮廓较难分辨。因此，二次电晕是流注茎特性等价观测的最佳选择。
另外，采用高速纹影技术，排除流注放电的发光干扰，实现流注茎的可视化。本实施例克服先导头部流注茎直接观测的困难，提供一种等价性的实验方法，从而获得流注茎的可视化影像，用于分析流注茎的形态特征。
优选的，形成长空气间隙的两个电极分别为棒电极和板电极，其中，被施加正极性冲击电压的电极为棒电极。
对于棒-板电极结构，流注茎大概率在棒电极端部生成，观测位置固定，易于找到观测位置并进行二次电晕流注产生的流注茎影像的采集。
优选的，上述二次电晕流注放电前后暗区时长超过10μs。
优选的，正极性冲击电压为缓波头正极性冲击电压。
施加缓波头正极性冲击电压，保证二次电晕流注的前后暗区时间均超过10μs，提高流注茎的存活时间。
优选的，上述纹影系统中，辅助光源为中心波长532nm的LED光源，光阑直径为3-6mm，主透镜焦距不小于1500mm，主透镜的通光口径不小于100mm，高速摄影仪拍摄速度不低于200000fps。优选采用上述纹影系统的参数设置，能够有效保证影像采集的灵敏度和观察范围，有利于流注茎更加清晰地成像。
优选的，采用以下方法来指导正极性冲击电压大小的调整：正极性冲击电压的幅值不超过长空气间隙的击穿电压，其中，击穿电压是通过经验公式基于长空气间隙距离计算得到。
为了更好的说明本实施例方案，现给出如下示例：
图3和图4分别显示了本发明提出的先导头部流注茎等价观测的实验布置和相应的放电形式。如图3中所示，冲击电压发生器1产生波头时间大于100μs的正极性冲击电压，施加在棒电极2上，让棒电极端部产生电晕流注放电3，并在棒电极2端部产生流注茎4。纹影系统由辅助光源5、小孔6、第一主透镜7和第二主透镜8、刀口9和高速摄影仪10组成，其中，辅助光源5为中心波长532nm的LED光源，光阑的小孔直径3-6mm，主透镜焦距不小于1500mm、通光口径不小于100mm，高速摄影仪拍摄速度不低于200000fps。调整棒电极2对地高度和冲击电压发生器1输出电压幅值，让棒电极2端部产生图4所示的放电形式，即不连续的电晕流注放电，而且二次电晕流注放电前后暗区均大于10μs(暗区时长的确定和拍照速度配合)，则第二次电晕流注放电产生的流注茎便和先导头部流注茎存在一定的等价性，可以作为研究对象来研究先导头部流注茎。
实施例二
一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测装置，如图3所示，包括：冲击电压发生器，形成长空气间隙的两个电极，以及纹影系统。其中，冲击电压发生器用于向长空气间隙的一端电极施加正极性冲击电压；正极性冲击电压大小以及长空气间隙距离的可调，以使得电极的端部在长空气间隙产生不连续的电晕流注放电，且其中二次电晕流注放电前后暗区时长能够使得纹影系统采集到二次电晕流注所产生的流注茎影像。
该正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎观测装置，可产生不连续的电晕流注放电，其中二次电晕流注产生的流注茎可作为先导头部流注茎的等价观测对象，在理论上验证是科学可行的。另外，采用高速纹影系统，可排除流注放电的发光干扰，实现流注茎的可视化。因此，本发明克服了先导头部流注茎直接观测的困难，提供一种等价性的实验装置，从而获得流注茎的可视化影像，用于分析流注茎的形态特征。
优选的，形成长空气间隙的两个电极分别为棒电极和板电极，其中，被施加正极性冲击电压的电极为棒电极。
优选的，上述纹影系统中，辅助光源为中心波长532nm的LED光源，光阑的小孔直径为3-6mm，主透镜焦距不小于1500mm，主透镜的通光口径不小于100mm，高速摄影仪拍摄速度不低于200000fps。优选采用上述纹影系统的参数设置，能够有效保证影像采集的灵敏度和观察范围，有利于流注茎更加清晰地成像。
实施例三
一种正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎的分析方法，采用如上实施例一所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法所观测得到的先导头部流注茎进行分析。相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，其特征在于，包括：
采用冲击电压发生器向长空气间隙的一端电极施加正极性冲击电压；
调整所述正极性冲击电压大小以及所述长空气间隙距离，使得所述电极的端部在长空气间隙产生不连续的电晕流注放电，且其中二次电晕流注放电前后暗区时长能够使得纹影系统采集到二次电晕流注所产生的流注茎影像；
经纹影系统采集所述二次电晕流注产生的流注茎，完成正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎的等价观测。
2.根据权利要求1所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，其特征在于，形成所述长空气间隙的两个电极分别为棒电极和板电极，其中，被施加正极性冲击电压的电极为棒电极。
3.根据权利要求1所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，其特征在于，所述暗区时长超过10μs。
4.根据权利要求1所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，其特征在于，所述正极性冲击电压为缓波头正极性冲击电压。
5.根据权利要求1所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，其特征在于，所述纹影系统中，辅助光源为中心波长532nm的LED光源，光阑的小孔直径为3-6mm，主透镜焦距不小于1500mm，主透镜的通光口径不小于100mm，高速摄影仪拍摄速度不低于200000fps。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法，其特征在于，所述正极性冲击电压的幅值不超过所述长空气间隙的击穿电压，其中，所述击穿电压是通过经验公式基于所述长空气间隙距离计算得到。
7.一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测装置，其特征在于，包括：冲击电压发生器，形成长空气间隙的两个电极，以及纹影系统；
所述冲击电压发生器用于向所述长空气间隙的一端电极施加正极性冲击电压；所述正极性冲击电压大小以及所述长空气间隙距离的可调，以使得所述电极的端部在长空气间隙产生不连续的电晕流注放电，且其中二次电晕流注放电前后暗区时长能够使得纹影系统采集到二次电晕流注所产生的流注茎影像。
8.根据权利要求7所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测装置，其特征在于，形成长空气间隙的两个电极分别为棒电极和板电极，其中，被施加正极性冲击电压的电极为棒电极。
9.根据权利要求7所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测装置，其特征在于，所述纹影系统中，辅助光源为中心波长532nm的LED光源，光阑的小孔直径为3-6mm，主透镜焦距不小于1500mm，主透镜的通光口径不小于100mm，高速摄影仪拍摄速度不低于200000fps。
10.一种正极性长空气间隙放电中先导头部流注茎的分析方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的一种正极性长空气间隙放电流注茎特性等价观测方法所观测得到的先导头部流注茎进行分析。
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