[發(fā)明專利]長間隙流注先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)化瞬時氣體密度測量系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810515902.7
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN108931459B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賀恒鑫;程晨;肖佩;肖冕;章志遠(yuǎn);何俊佳;邊凱;袁召;陳立學(xué)
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01N9/24
• 分類號: G01N9/24
• 代理公司: 北京君泊知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11496
• 代理人: 王程遠(yuǎn);胡玉章

本發(fā)明涉及一種長間隙流注先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)化瞬時氣體密度測量系統(tǒng)和方法，包括沿光路方向依次設(shè)置的LED芯片、擴束透鏡、主透鏡、匯聚透鏡、刀口、長焦鏡頭和ICCD照相機；在主透鏡和匯聚透鏡之間產(chǎn)生放電區(qū)域，耦合透鏡并將放電產(chǎn)生的自發(fā)光聚焦傳遞進(jìn)入光電倍增管，所述光電倍增管將放電自發(fā)光光強時域信號轉(zhuǎn)化為電壓波形并輸入TTL脈沖形成電路，所述TTL脈沖形成電路的輸出端連接數(shù)字延遲發(fā)生器的輸入端，所述數(shù)字延遲發(fā)生器的輸出端分別連接脈沖驅(qū)動電流源和ICCD照相機。本發(fā)明可實現(xiàn)流注?先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)化過程ns級瞬時氣體密度分布規(guī)律的準(zhǔn)確反演測量，具有系統(tǒng)可靠性和捕獲效率高的優(yōu)勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種長間隙流注先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)化瞬時氣體密度測量系統(tǒng)和方法，具體為長空氣間隙流注向先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)化的暗區(qū)時間內(nèi)瞬時氣體密度的測量系統(tǒng)和方法，屬于高電壓試驗技術(shù)放電等離子體診斷領(lǐng)域。

背景技術(shù)

長空氣間隙放電通常是指1m至數(shù)十m長度的空氣放電現(xiàn)象。長空氣間隙放電是電力系統(tǒng)外絕緣配置和雷電防護(hù)研究的基礎(chǔ)。流注和先導(dǎo)放電是主導(dǎo)長空氣間隙擊穿的兩個放電子過程，其中流注放電由許多放電分支構(gòu)成，其等效電導(dǎo)率低，產(chǎn)生的自由電子為先導(dǎo)的形成提供能量。而先導(dǎo)放電是一種熱電離現(xiàn)象，先導(dǎo)通道內(nèi)電導(dǎo)率升高，氣體密度降低，是造成長空氣間隙擊穿電壓飽和的主因。因而，測量流注向先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)化過程的氣體密度，對于準(zhǔn)確模擬先導(dǎo)的形成、預(yù)測間隙的擊穿電壓十分關(guān)鍵，正極性長間隙放電過程如圖1所示。

流注向先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)化是一個由自由電子碰撞傳遞能量、加熱中性氣體分子導(dǎo)致熱電離的過程。目前，在氣體放電領(lǐng)域，對于氣體密度、溫度熱力學(xué)參數(shù)定量診斷方法有：

1、光譜法，包括：(1)發(fā)射光譜法，原理是原子外層由基態(tài)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)電子不穩(wěn)定，會以光輻射的形式釋放出能量，而回到基態(tài)或較低的能級，從而得到線狀光譜，用于定量分析；(2)吸收光譜法，原理是用一定波長的光照射放電通道，放電通道會吸收一部分光，照射前后就有光強度的變化，記錄這種變化得到的光譜，如分子、原子吸收光譜，用于定量分析。

2、馬赫曾德M-Z激光干涉法：如圖2所示，利用光線在折射率變化的氣體流場中發(fā)生偏折的性質(zhì)，擴束后的準(zhǔn)直激光束被分束鏡分成兩路，不經(jīng)過放電區(qū)域稱為參考光，相反稱為物光。使用沖擊發(fā)生器給高壓電極加壓產(chǎn)生放電，由于放電通道折射率與空氣不同，物光將產(chǎn)生附加光程差，使兩路光經(jīng)分束鏡匯合后發(fā)生干涉，經(jīng)透鏡對應(yīng)位置處產(chǎn)生干涉條紋的位移。采用高速攝影儀記錄不同時刻的條紋圖像，定量計算條紋的位移量，最后基于Abel逆變換反演計算獲得氣體密度，高速相機的觸發(fā)時刻由沖擊電壓發(fā)生器提供。

3、紋影法，包括普通紋影法和定量紋影法。(1)普通紋影法不包含刀口，其主要原理是將光線經(jīng)過高壓電極放電區(qū)域產(chǎn)生擾動變?yōu)橄衿辽瞎鈴姷姆植迹玫椒烹娡ǖ罒釁^(qū)域邊界。(2)定量紋影法通過引入刀口，將放電區(qū)域折射率變化的一階導(dǎo)數(shù)，變換為刀口切割量位移的變化與圖像灰度的對應(yīng)關(guān)系，通過采用高速攝影儀并由沖擊電壓提供觸發(fā)信號記錄不同時刻放電通道的灰度圖像，由逆Abel變換反演獲得放電區(qū)域密度和溫度的定量分布曲線，定量紋影典型試驗布置如圖3所示。

長空氣間隙放電擊穿電壓高(約為500kV至2000kV范圍)、間隙幾何尺度大(1m至數(shù)十m長度)。流注-先導(dǎo)轉(zhuǎn)化過程持續(xù)的時間短至數(shù)個μs、轉(zhuǎn)化區(qū)域內(nèi)氣體密度和折射率變化不明顯、初始半徑小(僅為0.1mm)，同時流注向先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生和持續(xù)的時間均存在較大的隨機性，欲準(zhǔn)確獲得流注先導(dǎo)轉(zhuǎn)化過程中的熱力學(xué)參數(shù)，不但對測量方法的時間、空間分辨能力要求極高，還必須解決因放電隨機性帶來的捕獲效率低下難題。

現(xiàn)有的放電氣體密度診斷方法，僅能滿足穩(wěn)定先導(dǎo)發(fā)展或者先導(dǎo)弛豫過程中的通道氣體密度，不適用于流注向先導(dǎo)轉(zhuǎn)化過程的氣體密度測量，其具體原因是：

1、光譜診斷法。

(1)在流注向先導(dǎo)轉(zhuǎn)化過程中，流注光電離減弱，能量轉(zhuǎn)化過程主要是中性分子振動動能向平動動能的轉(zhuǎn)化，先導(dǎo)通道自身發(fā)射光線微弱，現(xiàn)有的光譜診斷方法難以適用。