[發明專利]一種先導放電通道氣體瞬態溫度正交觀測系統和方法

有效

• 申請號: 202110333017.9
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113091942B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 程晨;賀恒鑫;陳維江;邊凱;丁玉劍;馬建功;趙蓂冠;胡錦洋
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;國網新疆電力有限公司電力科學研究院
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00;G01K13/024
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 廖盈春;曹葆青

本發明公開了一種先導放電通道氣體瞬態溫度正交觀測系統和方法，系統包括定量紋影測量光路、莫爾條紋測量光路、放電電極、轉換單元、示波器和數據存儲單元；定量紋影光路中第一圖像獲取單元CA1和莫爾條紋光路中第二圖像獲取單元CA2工作于主從模式，CA1輸出同步曝光時鐘信號用于輸入CA2保證了兩者處于同一拍攝速度，實現了先導通道氣體瞬態溫度的對比測量，解決了先導放電通道氣體溫度測量結果難以校驗的難題。本發明通過兩種流場顯示測量光路的正交布置，實現了先導放電通道發展路徑的三維重構，保證了先導通道滿足氣體溫度反演所需的同軸對稱假設，實現了先導放電通道氣體瞬態溫度時域連續對比測量，同時測量系統具備自校驗能力的顯著優勢。

技術領域

本發明屬于高電壓長間隙放電等離子體診斷技術領域，更具體地，涉及一種先導放電通道氣體瞬態溫度正交觀測系統和方法。

背景技術

正極性長空氣間隙放電機理是特高壓輸變電系統絕緣優化設計和雷電防護技術研究的理論基礎。實驗室中正極性長空氣間隙放電主要包括流注放電起始、先導起始、先導連續發展以及最后擊穿等主要過程，其中先導放電是導致間隙擊穿的主導物理過程。

先導放電是以熱電離過程為主導的放電現象，與流注放電通道氣體溫度接近室溫不同，先導通道氣體溫度一般可達2000K～6000K。通道氣體溫度升高后，將會導致出現以下現象：(1)先導放電通道中電子附著反應速率下降；(2)通道中一些復雜正離子基團加速分解，并導致電子-離子復合反應速率出現明顯下降；(3)放電通道中具有低電離能的NO加速碰撞電離并產生新的自由電子；(4)以N和O主導參與的結合電離反應的速率迅速增大。由上述可知氣體溫度升高后會導致放電通道中自由電子生成速率升高，并進一步導致放電通道電導率明顯增大；同時溫度升高后會使通道存在較強的熱傳導和熱對流等能量耗散過程，放電通道徑向尺寸持續擴張并導致通道熱半徑逐漸增大。上述一系列物理變化過程將使先導放電通道電場減小，先導通道頭部電位接近放電電極所施加的電壓大小，導致間隙擊穿電壓出現明顯的飽和特性。綜上所述可知，開展長間隙先導放電通道氣體溫度時域測量研究，對于深入認識和理解先導放電物理機制和間隙擊穿特性具有重要意義。

在實驗室正極性長空氣間隙放電中，先導放電通道尺寸一般僅有1mm～2mm，通道溫度徑向梯度可達數千K/mm，對測量方法的空間分辨能力要求極高；同時實驗室m級間隙先導放電持續時間一般僅有數十μs，為實現先導通道氣體溫度的時域測量則要求測量系統具有μs量級時間間隔的連續采樣能力，因此介入式的測量手段如探針法無法滿足其測量要求。同時先導放電通道形成時間和發展路徑均存在很強的分散性，且通道氣體溫度呈現顯著的瞬態特征，現有比較成熟的等離子體溫度診斷方法如發射光譜法和激光散射法均是利用ICCD相機進行時間分辨測量，可以實現穩定放電通道氣體溫度的瞬態測量，但均不適用于先導放電通道氣體瞬態溫度時域連續測量。

光學流場顯示測量技術作為一種非介入式的測量手段，通過檢測平行光束經折射率梯度場域產生的偏折角大小或相位變化獲取先導通道氣體密度大小分布，并結合氣體狀態方程得到通道氣體溫度數據；進一步結合高速攝影技術可實現先導通道氣體溫度的時域測量。目前光學流場顯示測量方法主要包括馬赫曾德M-Z激光干涉法、背景紋影法、定量紋影法和莫爾條紋等方法。其中M-Z激光干涉測量系統光路對稱性對振動較為敏感，其測量精度容易受外界因素影響；同時M-Z激光干涉條紋偏移量與通道折射率呈正相關，因此M-Z激光干涉法對于氣體折射率變化小的先導放電通道測量不太適用。而背景紋影法需要對采集到的紋影圖像進行查找窗遍歷，這將使得實際測量的空間分辨率顯著下降，這對1mm～2mm徑向尺寸大小的先導放電通道不太適用，分辨率下降將會引起通道溫度反演計算中引入不可接受的偏差。

定量紋影法中圖像灰度變化和莫爾偏折法中條紋偏移量均是與氣體折射率分布的一階導數，即使在先導放電通道折射率絕對值變化量小，但折射率空間梯度較大更有利于檢測，同時光路簡單便于對稱性調節，因此適用于先導放電通道氣體瞬態溫度的時域連續測量。但由于先導放電通道氣體溫度變化規律受放電電流大小和持續時間、電場以及環境條件等多種因素控制，具有不可重復性，因此在單次放電實驗中實現先導通道氣體溫度測量結果的準確性校驗對于獲取氣體溫度時域演化規律至關重要。