【技术实现步骤摘要】
一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法
[0001]本专利技术属于高电压长间隙放电等离子体诊断
，更具体地，涉及一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法。
技术介绍
[0002]正极性长空气间隙放电机理是特高压输变电系统绝缘优化设计和雷电防护技术研究的理论基础。实验室中正极性长空气间隙放电主要包括流注放电起始、先导起始、先导连续发展以及最后击穿等主要过程，其中先导放电是导致间隙击穿的主导物理过程。
[0003]先导放电是以热电离过程为主导的放电现象，与流注放电通道气体温度接近室温不同，先导通道气体温度一般可达2000K～6000K。通道气体温度升高后，将会导致出现以下现象：(1)先导放电通道中电子附着反应速率下降；(2)通道中一些复杂正离子基团加速分解，并导致电子
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离子复合反应速率出现明显下降；(3)放电通道中具有低电离能的NO加速碰撞电离并产生新的自由电子；(4)以N和O主导参与的结合电离反应的速率迅速增大。由上述可知气体温度升高后会导致放电通道中自由电子生成速率升高，并进一步导致放电通道电导率明显增大；同时温度升高后会使通道存在较强的热传导和热对流等能量耗散过程，放电通道径向尺寸持续扩张并导致通道热半径逐渐增大。上述一系列物理变化过程将使先导放电通道电场减小，先导通道头部电位接近放电电极所施加的电压大小，导致间隙击穿电压出现明显的饱和特性。综上所述可知，开展长间隙先导放电通道气体温度时域测量研究，对于深入认识和理解先导放电物理机制和间隙击穿特性具有重要意义。>[0004]在实验室正极性长空气间隙放电中，先导放电通道尺寸一般仅有1mm～2mm，通道温度径向梯度可达数千K/mm，对测量方法的空间分辨能力要求极高；同时实验室m级间隙先导放电持续时间一般仅有数十μs，为实现先导通道气体温度的时域测量则要求测量系统具有μs量级时间间隔的连续采样能力，因此介入式的测量手段如探针法无法满足其测量要求。同时先导放电通道形成时间和发展路径均存在很强的分散性，且通道气体温度呈现显著的瞬态特征，现有比较成熟的等离子体温度诊断方法如发射光谱法和激光散射法均是利用ICCD相机进行时间分辨测量，可以实现稳定放电通道气体温度的瞬态测量，但均不适用于先导放电通道气体瞬态温度时域连续测量。
[0005]光学流场显示测量技术作为一种非介入式的测量手段，通过检测平行光束经折射率梯度场域产生的偏折角大小或相位变化获取先导通道气体密度大小分布，并结合气体状态方程得到通道气体温度数据；进一步结合高速摄影技术可实现先导通道气体温度的时域测量。目前光学流场显示测量方法主要包括马赫曾德M
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Z激光干涉法、背景纹影法、定量纹影法和莫尔条纹等方法。其中M
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Z激光干涉测量系统光路对称性对振动较为敏感，其测量精度容易受外界因素影响；同时M
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Z激光干涉条纹偏移量与通道折射率呈正相关，因此M
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Z激光干涉法对于气体折射率变化小的先导放电通道测量不太适用。而背景纹影法需要对采集到的纹影图像进行查找窗遍历，这将使得实际测量的空间分辨率显著下降，这对1mm～2mm径向尺寸大小的先导放电通道不太适用，分辨率下降将会引起通道温度反演计算中引入不
可接受的偏差。
[0006]定量纹影法中图像灰度变化和莫尔偏折法中条纹偏移量均是与气体折射率分布的一阶导数，即使在先导放电通道折射率绝对值变化量小，但折射率空间梯度较大更有利于检测，同时光路简单便于对称性调节，因此适用于先导放电通道气体瞬态温度的时域连续测量。但由于先导放电通道气体温度变化规律受放电电流大小和持续时间、电场以及环境条件等多种因素控制，具有不可重复性，因此在单次放电实验中实现先导通道气体温度测量结果的准确性校验对于获取气体温度时域演化规律至关重要。
[0007]综上所述，针对先导放电通道气体瞬态温度的时域连续测量，目前放电等离子体温度诊断方法主要存在以下问题：
[0008](1)由于先导放电的形成时间和发展路径具有很强的随机性，且通道气体温度梯度大，具有很强的瞬态变化特征，现有探针法、发射光谱法等方法无法适用于先导通道温度的测量；
[0009](2)由于光学流场显示测量方法利用了先导通道同轴对称假设，并在此基础上采用Abel逆变换进行通道气体折射率、密度的反演计算；因此需要实现先导放电通道发展路径的三维重构，保证测量的先导放电通道具有垂直地面发展的同轴对称结构；
[0010](3)由于先导通道气体温度变化规律受多种因素影响，具有不可重复性；为获取先导通道气体温度时域演化规律，需要测量系统具有先导通道气体温度测量结果准确性的自校验能力。
技术实现思路
[0011]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统和方法，旨在解决由于先导放电随机性大、放电不具有重复性而导致通道气体温度测量准确性难以校验的问题。
[0012]本专利技术提供了一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统，包括：定量纹影测量光路、莫尔条纹测量光路、放电电极、转换单元、示波器、第一数据存储单元和第二数据存储单元；定量纹影测量光路用于获取先导放电通道的定量纹影图像；莫尔条纹测量光路用于获取先导放电通道的莫尔条纹图像，并与定量纹影测量光路正交布置；放电电极设置在定量纹影测量光路和莫尔条纹测量光路的正交光路交汇处，通过施加正极性冲击电压波形在放电电极端部产生先导放电通道密度梯度场；示波器用于先导放电实验电压波形的实时测量和显示，并输出用于定量纹影测量光路和莫尔条纹测量光路中图像获取的同步触发以实现同步测量的TTL脉冲信号；第一数据存储单元的输入端与定量纹影测量光路的第一输出端连接，用于存储先导放电通道的定量纹影图像；转换单元的输入端与定量纹影测量光路的第二输出端连接，转换单元的输出端与莫尔条纹测量光路的输入端连接，用于实现定量纹影测量光路与莫尔条纹测量光路之间的曝光时钟脉冲信号的光电转换和传输；第二数据存储单元的输入端与莫尔条纹测量光路的输出端连接，用于存储先导放电通道的莫尔条纹图像。
[0013]本专利技术还提供了一种基于上述先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统的观测方法，包括下述步骤：
[0014]步骤1：将正极性冲击电压波形施加于放电电极并通过增强所述放电电极端部附
近垂直电场大小使其仅产生单一垂直地面的先导放电通道；
[0015]步骤2：对冲击电压波形进行显示和存储，通过TTL脉冲信号对定量纹影测量光路中第一图像获取单元CA1进行稳定同步触发，并同时输出CA1同步曝光时钟脉冲信号；CA1与莫尔条纹测量光路中第二图像获取单元CA2设置工作在主从模式，并将所述时钟脉冲信号作为CA2的输入从而实现CA1和CA2两个图像获取单元拍摄速度间的同步；
[0016]步骤3：将定量纹影光路中高功率LED光源发出的绿光经聚光透镜二次汇聚，通过匀光片和狭缝进行光强匀化；并进一步经过圆形的准直透镜形成平行光束；平行光束经先导放电通道密度梯度场发生本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种先导放电通道气体瞬态温度正交观测系统，其特征在于，包括：定量纹影测量光路、莫尔条纹测量光路、放电电极(3)、转换单元、示波器(6)、第一数据存储单元(7)和第二数据存储单元(8)；所述定量纹影测量光路用于获取先导放电通道的定量纹影图像；所述莫尔条纹测量光路用于获取先导放电通道的莫尔条纹图像，并与所述定量纹影测量光路正交布置；所述放电电极(3)设置在所述定量纹影测量光路和所述莫尔条纹测量光路的正交光路交汇处，通过施加正极性冲击电压波形在所述放电电极(3)端部产生先导放电通道密度梯度场；所述示波器(6)用于先导放电实验电压波形的实时测量和显示，并输出用于所述定量纹影测量光路和所述莫尔条纹测量光路中图像获取的同步触发以实现同步测量的TTL脉冲信号；所述第一数据存储单元(7)的输入端与所述定量纹影测量光路的第一输出端连接，用于存储先导放电通道的定量纹影图像；所述转换单元的输入端与所述定量纹影测量光路的第二输出端连接，所述转换单元的输出端与所述莫尔条纹测量光路的输入端连接，用于实现所述定量纹影测量光路与所述莫尔条纹测量光路之间的曝光时钟脉冲信号的光电转换和传输；所述第二数据存储单元(8)的输入端与所述莫尔条纹测量光路的输出端连接，用于存储先导放电通道的莫尔条纹图像。2.如权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述定量纹影测量光路包括第一光路(11)和第二光路(12)；所述第一光路(11)包括：沿光轴依次设置的高功率LED光源(111)、聚光透镜(112)、匀光片、第一狭缝和第一准直透镜(114)；所述高功率LED光源(111)用于持续高亮度输出亮度可调的绿光，所述聚光透镜(112)用于实现光线的二次聚光以提高汇聚光斑的光强大小；所述第一狭缝设置在所述聚光透镜(112)和所述第一准直透镜(114)的焦点处；所述匀光片和所述第一狭缝用于产生光强均匀的光斑；所述第一准直透镜(114)用于产生圆形平行光束并垂直通过放电通道截面；所述第二光路(12)包括：第一汇聚透镜(121)、刀口(122)、第一滤光片(123)、长焦镜头(124)和第一图像获取单元(125)；所述第一汇聚透镜(121)用于使平行光束在所述刀口(122)处进行汇聚，并产生与所述第一狭缝孔径等大的方形匀强光斑；所述刀口(122)设置于所述第一汇聚透镜的焦点处；所述第一滤光片(123)设置于所述焦距可变的长焦镜头(124)前，用于提升光线的单色性；所述第一图像获取单元(125)用于采集先导放电通道的定量纹影图像。3.如权利要求2所述的观测系统，其特征在于，所述第一狭缝为方形狭缝，方形狭缝的口径不超过5mm。4.如权利要求2
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3任一项所述的观测系统，其特征在于，所述第一准直透镜(114)设置在距所述放电电极1.5m的位置。5.如权利要求2
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4任一项所述的观测系统，其特征在于，所述刀口(122)的最小位移行程不超过20μm。
6.如权利要求2
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5任一项所述的观测系统，其特征在于，所述长焦镜头的焦距范围为300mm～800mm。7.如权利要求1
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6任一项所述的观测系统，其特征在于，所述莫尔条纹测量光路包括第三光路(21)和第四光路(22)；所述第三光路(21)包括：固体激光器(211)、空间滤波器(212)和第二准直透镜(213)；所述固体激光器(211)产生波长为(532
±
10)nm的绿光；所述空间滤波器(212)用于消除其它频率光线而仅通过零频光线，放置于第二准直透镜(213)焦点处，并通过第二准直透镜(213)产生圆形平行光束；所述第四光路(22)包括：光栅组(221)、第二汇聚透镜(222)、第二狭缝(223)、第二滤光片(224)和第二图像获取单元(225)；所述光栅组...
【专利技术属性】
技术研发人员：程晨，贺恒鑫，陈维江，边凯，丁玉剑，马建功，赵蓂冠，胡锦洋，
申请(专利权)人：国网新疆电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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