CN113671234A - 短空气间隙流注放电路径观测系统及预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短空气间隙流注放电路径观测系统，包括：冲击电压发生器，用于输出电压波形；分压器，用于对电压波形进行处理，输出电压信号，作为同步触发输入信号；示波器，同步采集瞬时光功率和电极电压信号，触发数字高速拍摄系统以及高电位电流测量装置；数字高速拍摄系统，用于记录间隙放电发展过程，通过光纤传输将高速图像存储至电脑；高电位电流测量装置，用于测量放电过程中的高电位电流，确定流注放电发展过程中空间电荷量；光电倍增管用于测量放电过程中瞬时光功率；间隙电极，用于放电击穿空气间隙；电脑，用于存储数字高速拍摄系统拍摄的图像。本发明能够改进现有技术的不足，简化测量流程，实现短空气间隙流注放电路径的预测。
Description
技术领域
本发明涉及短空气间隙放电观测技术领域，尤其是一种短空气间隙流注放电路径观测系统及预测方法。
背景技术
近年来，我国特高压直流输电工程不断发展，大幅度提高了线路的输送能力，同时对设备的绝缘要求也大幅提升，空气间隙作为应用最为广泛的绝缘介质，其绝缘特性逐渐成为特高压输电工程绝缘设计的关键问题之一。自20世纪70年代以来，国内外学者进行了大量的试验研究和仿真模拟，获得了间隙放电物理机制、特征参数以及放电起始时延、发展方向，放电路径分散等随机特性。
流注是非均匀电场中放电的起始阶段，目前主要以流注电气参数以及形态参数为研究对象展开对流注放电特性的试验研究。通过采用ICCD相机观测导线-板间隙流注发展光学形态，得到流注发展速度随外施电压/电场上升率的增大而增加。为进一步深入研究流注放电发展中常见的分支现象，采用轴-径向观测方法搭建长流注放电发展观测平台，并利用伪彩色还原算法对流注发展图像进行处理，获得更具有辨识度的流注发展形态，流注分支呈树枝状结构。或者搭建了短空气间隙放电实验平台，改变外施电压、电极结构进行试验，得到外施电压增加时，流注分支数量随之增加。清华大学研究团队通过试验研究冲击电压下流注起始特性，得到流注起始时延服从Rayleigh分布。通过试验研究，建立了流注放电理论基础，探究了放电特性的影响因素，并得到放电具有分散性和随机性这一典型特征。
为了对流注放电的分散性进行分析，基于正极性雷电冲击电压下棒-板间隙流注起始时延的试验数据，考虑电压变化率对放电起始的影响，拟合得到适用于工程实际应用的正极性冲击电压下流注起始场强判据，以自由电子形成时延体现流注起始的分散性，将流注起始时延分成升压时延和自由电子形成的统计时延。针对电介质放电路径呈随机性和自相似性，1984年，Niemeyer等学者提出分形电介质击穿模型(DBM模型)，研究放电路径发展随机性。1986年，Wiesmann、Zeller学者在NPW模型基础上引入放电通道压降和放电阈值场强参数，提出WZ模型。由放电阈值场强参数抑制放电通道向左右两侧方向生长，以至数值模拟结果更趋向于试验观测。关于流注发展存在两种模型：单路径和多路径。单路径，单步发展时间步长内仅生长一条路径，时间步长为该路径发展时间；多路径，时间步长固定，发展时间小于步长的路径均可发展。考虑到放电分支之间互相影响，且存在竞争关系，选择单路径分形发展。但以上仿真模型主要针对于流注放电路径的随机发展，忽略了流注起始时延、间隙结构以及气压、湿度等环境影响因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种短空气间隙流注放电路径观测系统及预测方法，能够解决现有技术的不足，简化了测量流程，实现短空气间隙流注放电路径的预测。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种短空气间隙流注放电路径观测系统，包括：
冲击电压发生器，用于输出250/2500μs正极性标准操作冲击电压波形；
分压器，用于对250/2500μs正极性标准操作冲击电压波形进行处理，输出电压信号，作为同步触发输入信号；
示波器，同步采集瞬时光功率和电极电压信号，并同时触发数字高速拍摄系统以及高电位电流测量装置；
数字高速拍摄系统，与光电倍增管位于间隙电极的同侧，与电脑相连，用于记录间隙放电发展过程，通过光纤传输将高速图像存储至电脑；
高电位电流测量装置，位于间隙电极的高压电极上方，用于测量放电过程中的高电位电流，确定流注放电发展过程中空间电荷量；
光电倍增管的尾纤固定在间隙电极距轴线水平距离为13cm处，用于测量放电过程中瞬时光功率；
间隙电极，位于短空气间隙内，用于放电击穿空气间隙；
电脑，用于存储数字高速拍摄系统拍摄的图像。
一种上述的短空气间隙流注放电路径观测系统的预测方法，包括以下步骤：
A、根据试验时的气压、湿度环境因素建立正极性流注起始模型；
B、基于泊松方程构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布、计算放电通道电荷转移；
C、基于流注生长概率模型选择新树点；
D、基于WZ模型选择流注路径发展方向。
作为优选，步骤A中，根据试验时的气压、湿度环境因素建立正极性流注起始模型包括以下步骤：
A1、流注起始升压时延
棒电极头部附近电子碰撞电离系数大于附着系数的强电场区域内，自由电子受电场力作用向高压棒电极运动的过程中与空气分子发生碰撞而引起初始电子崩，若外施电压上升至流注临界起始电压，则在初始电子崩产生的正电荷形成的畸变电场的作用下，光电子引起的二次电子崩仍可自持发展，即经过升压时延t0，初始电子崩产生的电荷量满足下式，
式中：Ncrit指临界正电荷数，取Ncrit＝0.55×108；R0指碰撞电离区域边界，即α(E)＝β(E)，该边界处场强为临界场强；α指电子碰撞电离系数，β指电子附着系数，碰撞电离系数及附着系数均为电场强度函数，受海拔高度、温度等环境因素影响，与大气条件有关，其计算公式如下，
式中：E指空间局部电场强度，kV/cm；δ指空气的相对密度，与大气压强p以及温度T有关，计算公式如下，
式中：T指试验时环境温度；p指试验时大气压强；p0指标准大气压强，根据试验环境条件，计算得到临界场强E0＝23.65kV/cm；
A2、流注起始统计时延
外施电压上升至流注临界起始电压后，经过统计时延ts，棒电极头部的临界体积内形成第一个有效自由电子，最终引起流注起始，经过ts临界体积内自由电子产生概率正比于施加场强，基于有效电子出现频率的流注起始统计时延的概率密度符合Rayleigh分布，
式中：k表征电压变化率、棒电极头部曲率半径对有效自由电子出现频率的影响，经试验数据拟合，可得到k，
其中r指棒电极头部曲率半径；将0.9倍冲击峰值与0.1倍冲击电压峰值间差值与对应时间的比值定义为冲击电压变化率，即，
作为优选，步骤B中，基于泊松方程构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布、计算放电通道电荷转移：
流注放电过程中电离产生的电荷增量会通过影响空间电位分布进一步影响流注发展轨迹，对于流注通道外的点满足拉普拉斯方程，流注通道内的点满足泊松方程，即
式中：ρ指自由电荷密度，流注通道外电荷密度为0；ε0指真空介电常数，8.85×10-12F/m；
将上式离散化构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布为，
式中：h为正方形网格边长；ω为松弛因子，可加快迭代计算收敛速度，其计算表达式为，
式中：n+1,m+1分别为x轴和y轴上的结点数，
根据电流连续性方程和欧姆定律得到流注生长至第k+1步时，流注通道内的电荷转移为，
作为优选，步骤C中，基于流注生长概率模型选择新树点的方法为，
设二次电子自某一树点发展至下一步待发展点所需时间步长为ti，单步流注生长概率函数r(E)为，
式中：τ指流注生成时间常数；Ei指待发展点局部场强；E0指碰撞电离区域临界场强；
当ti>0时，流注每向前发展单位步长需要的时间ti概率密度p(t)为，
p(t)＝r(E)e-r(E)t
因此流注下一步发展所需要时长不小于ti的概率Pi(E)为，
设Pi(E)＝η，则单步流注发展时长ti为，
作为优选，步骤D中，基于WZ模型选择流注路径发展方向：
所选定的流注下一步发展点周围存在多个树点，引入随机函数ξ，产生0～1内均匀分布随机数，基于WZ模型如下式所示，计算各个方向流注发展概率P(E)，选择流注路径发展方向，
式中：Ei,j为待发展点的局部场强；n为发展概率指数，表征局部场强与放电发展概率的关系，n越大，则放电趋向于沿场强最大方向发展；
流注通道内的平均电场强度Ek约为4.5kV/cm～5kV/cm，选定了流注路径发展方向后，第k+1步树点电位
为，
式中，ψki,j为第k步树点电位；d为k+1步流注发展长度。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：
1、本发明考虑流注起始时延的分散性以及环境因素对放电的影响，提出了适用于不同海拔、湿度以及温度环境下正极性流注起始判据；
2、建立了空间电荷屏蔽下的棒-板间隙动态流注分形发展模型，可对流注放电发展路径进行预测，获得放电起始电压，击穿电压，放电发展形态以及空间电荷量等特征参量；
3、可利用试验观测系统观测数据验证预测系统准确性，为研究外绝缘试验提供了理论依据，降低了试验工作量，有利于推动我国特高压直流输电工程的发展。
附图说明
图1是本发明的系统原理图。
图2是本发明的预测方法流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明一个具体实施方式包括：
冲击电压发生器1，用于输出250/2500μs正极性标准操作冲击电压波形；
分压器2，用于对250/2500μs正极性标准操作冲击电压波形进行处理，输出电压信号，作为同步触发输入信号；
示波器3，同步采集瞬时光功率和电极电压信号，并同时触发数字高速拍摄系统4以及高电位电流测量装置5；
数字高速拍摄系统4，与光电倍增管6位于间隙电极7的同侧，与电脑8相连，用于记录间隙放电发展过程，通过光纤传输将高速图像存储至电脑8；
高电位电流测量装置5，位于间隙电极7的高压电极上方，用于测量放电过程中的高电位电流，确定流注放电发展过程中空间电荷量；
光电倍增管6的尾纤固定在间隙电极7距轴线水平距离为13cm处，用于测量放电过程中瞬时光功率；
间隙电极7，位于短空气间隙内，用于放电击穿空气间隙；
电脑8，用于存储数字高速拍摄系统4拍摄的图像。
参照图2，一种上述的短空气间隙流注放电路径观测系统的预测方法，包括以下步骤：
A、根据试验时的气压、湿度环境因素建立正极性流注起始模型；
B、基于泊松方程构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布、计算放电通道电荷转移；
C、基于流注生长概率模型选择新树点；
D、基于WZ模型选择流注路径发展方向。
步骤A中，根据试验时的气压、湿度环境因素建立正极性流注起始模型包括以下步骤：
A1、流注起始升压时延
棒电极头部附近电子碰撞电离系数大于附着系数的强电场区域内，自由电子受电场力作用向高压棒电极运动的过程中与空气分子发生碰撞而引起初始电子崩，若外施电压上升至流注临界起始电压，则在初始电子崩产生的正电荷形成的畸变电场的作用下，光电子引起的二次电子崩仍可自持发展，即经过升压时延t0，初始电子崩产生的电荷量满足下式，
式中：Ncrit指临界正电荷数，取Ncrit＝0.55×108；R0指碰撞电离区域边界，即α(E)＝β(E)，该边界处场强为临界场强；α指电子碰撞电离系数，β指电子附着系数，碰撞电离系数及附着系数均为电场强度函数，受海拔高度、温度等环境因素影响，与大气条件有关，其计算公式如下，
式中：E指空间局部电场强度，kV/cm；δ指空气的相对密度，与大气压强p以及温度T有关，计算公式如下，
式中：T指试验时环境温度；p指试验时大气压强；p0指标准大气压强。根据试验环境条件，计算得到临界场强E0＝23.65kV/cm；
A2、流注起始统计时延
外施电压上升至流注临界起始电压后，经过统计时延ts，棒电极头部的临界体积内形成第一个有效自由电子，最终引起流注起始，经过ts临界体积内自由电子产生概率正比于施加场强，基于有效电子出现频率的流注起始统计时延的概率密度符合Rayleigh分布，
式中：k表征电压变化率、棒电极头部曲率半径对有效自由电子出现频率的影响，经试验数据拟合，可得到k，
其中r指棒电极头部曲率半径；将0.9倍冲击峰值与0.1倍冲击电压峰值间差值与对应时间的比值定义为冲击电压变化率，即，
步骤B中，基于泊松方程构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布、计算放电通道电荷转移：
流注放电过程中电离产生的电荷增量会通过影响空间电位分布进一步影响流注发展轨迹，对于流注通道外的点满足拉普拉斯方程，流注通道内的点满足泊松方程，即
式中：ρ指自由电荷密度，流注通道外电荷密度为0；ε0指真空介电常数，8.85×10-12F/m；
将上式离散化构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布为，
式中：h为正方形网格边长；ω为松弛因子，可加快迭代计算收敛速度，其计算表达式为，
式中：n+1,m+1分别为x轴和y轴上的结点数，
根据电流连续性方程和欧姆定律得到流注生长至第k+1步时，流注通道内的电荷转移为，
步骤C中，基于流注生长概率模型选择新树点的方法为，
设二次电子自某一树点发展至下一步待发展点所需时间步长为ti，单步流注生长概率函数r(E)为，
式中：τ指流注生成时间常数；Ei指待发展点局部场强；E0指碰撞电离区域临界场强；
当ti>0时，流注每向前发展单位步长需要的时间ti概率密度p(t)为，
p(t)＝r(E)e-r(E)t
因此流注下一步发展所需要时长不小于ti的概率Pi(E)为，
设Pi(E)＝η，则单步流注发展时长ti为，
步骤D中，基于WZ模型选择流注路径发展方向：
所选定的流注下一步发展点周围存在多个树点，引入随机函数ξ，产生0～1内均匀分布随机数，基于WZ模型如下式所示，计算各个方向流注发展概率P(E)，选择流注路径发展方向，
式中：Ei,j为待发展点的局部场强；n为发展概率指数，表征局部场强与放电发展概率的关系，n越大，则放电趋向于沿场强最大方向发展；
流注通道内的平均电场强度Ek约为4.5kV/cm～5kV/cm，选定了流注路径发展方向后，第k+1步树点电位
为，
式中，ψki,j为第k步树点电位；d为k+1步流注发展长度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种短空气间隙流注放电路径观测系统，其特征在于包括：
冲击电压发生器(1)，用于输出250/2500μs正极性标准操作冲击电压波形；
分压器(2)，用于对250/2500μs正极性标准操作冲击电压波形进行处理，输出电压信号，作为同步触发输入信号；
示波器(3)，同步采集瞬时光功率和电极电压信号，并同时触发数字高速拍摄系统(4)以及高电位电流测量装置(5)；
数字高速拍摄系统(4)，与光电倍增管(6)位于间隙电极(7)的同侧，与电脑(8)相连，用于记录间隙放电发展过程，通过光纤传输将高速图像存储至电脑(8)；
高电位电流测量装置(5)，位于间隙电极(7)的高压电极上方，用于测量放电过程中的高电位电流，确定流注放电发展过程中空间电荷量；
光电倍增管(6)的尾纤固定在间隙电极(7)距轴线水平距离为13cm处，用于测量放电过程中瞬时光功率；
间隙电极(7)，位于短空气间隙内，用于放电击穿空气间隙；
电脑(8)，用于存储数字高速拍摄系统(4)拍摄的图像。
2.一种权利要求1所述的短空气间隙流注放电路径观测系统的预测方法，其特征在于包括以下步骤：
A、根据试验时的气压、湿度环境因素建立正极性流注起始模型；
B、基于泊松方程构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布、计算放电通道电荷转移；
C、基于流注生长概率模型选择新树点；
D、基于WZ模型选择流注路径发展方向。
3.根据权利要求2所述的短空气间隙流注放电路径观测系统的预测方法，其特征在于：步骤A中，根据试验时的气压、湿度环境因素建立正极性流注起始模型包括以下步骤：
A1、流注起始升压时延
棒电极头部附近电子碰撞电离系数大于附着系数的强电场区域内，自由电子受电场力作用向高压棒电极运动的过程中与空气分子发生碰撞而引起初始电子崩，若外施电压上升至流注临界起始电压，则在初始电子崩产生的正电荷形成的畸变电场的作用下，光电子引起的二次电子崩仍可自持发展，即经过升压时延t0，初始电子崩产生的电荷量满足下式，
式中：Ncrit指临界正电荷数，取Ncrit＝0.55×108；R0指碰撞电离区域边界，即α(E)＝β(E)，该边界处场强为临界场强；α指电子碰撞电离系数，β指电子附着系数，碰撞电离系数及附着系数均为电场强度函数，受海拔高度、温度等环境因素影响，与大气条件有关，其计算公式如下，
式中：E指空间局部电场强度，kV/cm；δ指空气的相对密度，与大气压强p以及温度T有关，计算公式如下，
式中：T指试验时环境温度；p指试验时大气压强；p0指标准大气压强，根据试验环境条件，计算得到临界场强E0＝23.65kV/cm；
A2、流注起始统计时延
外施电压上升至流注临界起始电压后，经过统计时延ts，棒电极头部的临界体积内形成第一个有效自由电子，最终引起流注起始，经过ts临界体积内自由电子产生概率正比于施加场强，基于有效电子出现频率的流注起始统计时延的概率密度符合Rayleigh分布，
式中：k表征电压变化率、棒电极头部曲率半径对有效自由电子出现频率的影响，经试验数据拟合，可得到k，
其中r指棒电极头部曲率半径；将0.9倍冲击峰值与0.1倍冲击电压峰值间差值与对应时间的比值定义为冲击电压变化率，即，
4.根据权利要求3所述的短空气间隙流注放电路径观测系统的预测方法，其特征在于：步骤B中，基于泊松方程构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布、计算放电通道电荷转移：
流注放电过程中电离产生的电荷增量会通过影响空间电位分布进一步影响流注发展轨迹，对于流注通道外的点满足拉普拉斯方程，流注通道内的点满足泊松方程，即
式中：ρ指自由电荷密度，流注通道外电荷密度为0；ε0指真空介电常数，8.85×10-12F/m；
将上式离散化构造五点差分格式，利用超松弛迭代法求解空间电位分布为，
式中：h为正方形网格边长；ω为松弛因子，可加快迭代计算收敛速度，其计算表达式为，
式中：n+1,m+1分别为x轴和y轴上的结点数，
根据电流连续性方程和欧姆定律得到流注生长至第k+1步时，流注通道内的电荷转移为，
5.根据权利要求4所述的短空气间隙流注放电路径观测系统的预测方法，其特征在于：步骤C中，基于流注生长概率模型选择新树点的方法为，
设二次电子自某一树点发展至下一步待发展点所需时间步长为ti，单步流注生长概率函数r(E)为，
式中：τ指流注生成时间常数；Ei指待发展点局部场强；E0指碰撞电离区域临界场强；
当ti>0时，流注每向前发展单位步长需要的时间ti概率密度p(t)为，
p(t)＝r(E)e-r(E)t
因此流注下一步发展所需要时长不小于ti的概率Pi(E)为，
设Pi(E)＝η，则单步流注发展时长ti为，
6.根据权利要求4所述的短空气间隙流注放电路径观测系统的预测方法，其特征在于：步骤D中，基于WZ模型选择流注路径发展方向：
所选定的流注下一步发展点周围存在多个树点，引入随机函数ξ，产生0～1内均匀分布随机数，基于WZ模型如下式所示，计算各个方向流注发展概率P(E)，选择流注路径发展方向，
式中：Ei,j为待发展点的局部场强；n为发展概率指数，表征局部场强与放电发展概率的关系，n越大，则放电趋向于沿场强最大方向发展；
流注通道内的平均电场强度Ek约为4.5kV/cm～5kV/cm，选定了流注路径发展方向后，第k+1步树点电位
为，
式中，ψki,j为第k步树点电位；d为k+1步流注发展长度。
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