短空气间隙流注放电路径观测系统及预测方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。径的预测。径的预测。

【技术实现步骤摘要】
短空气间隙流注放电路径观测系统及预测方法


[0001]本专利技术涉及短空气间隙放电观测
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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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
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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。
[0004]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
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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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案如下。
[0007]一种短空气间隙流注放电路径观测系统，包括：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]间隙电极，位于短空气间隙内，用于放电击穿空气间隙；
[0015]电脑，用于存储数字高速拍摄系统拍摄的图像。
[0016]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：
[0017]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；
[0018]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；
[0019]C、基于流注生长概率模型选择新树点；
[0020]D、基于WZ模型选择流注路径发展方向。
[0021]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：
[0022]A1、流注起始升压时延
[0023]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，
[0024][0025]式中：N
crit
指临界正电荷数，取N
crit
＝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，
[0026][0027][0028]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，
[0029][0030]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；
[0031]A2、流注起始统计时延
[0032]外施电压上升至流注临界起始电压后，经过统计时延t
s
，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t
s
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，
[0033][0034]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，
[0035][0036]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，
[0037][0038]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：
[0039]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...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：N
crit
指临界正电荷数，取N
crit
＝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t
s
，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t
s
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿江海，刘晓敏，律方成，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：