流注茎根数计算方法以及流注茎根数计算系统与流程

1.本发明涉及正极性长间隙放电流注茎根数计算技术领域，具体而言，涉及一种流注茎根数计算方法以及流注茎根数计算系统。


背景技术：

2.近年来随着我国对中西部地区能源开发力度的逐渐增大，特高压交直流输变电工程已经成为电能输送的主要途径，其中很多输变电工程所处环境海拔超过2000m，随着海拔的升高，空气密度降低将会导致空气间隙绝缘强度的降低。均压屏蔽球是高海拔输变电工程换流站阀厅中的一种重要金具，半径一般为0.25m～1m，其和周围接地体组成的空气间隙放电特性与长空气大尺寸球-板间隙相似。相较以往棒-板、棒-棒等空气间隙类型，大尺寸电极呈现电晕表面面积更大、流注茎出现分支概率更大、空间电荷更加密集的显著特点。放电过程流注茎根数是分析流注特征的一个关键物理参量，可为今后完善高海拔地区放电流注-先导体系发展机制提供重要依据。
3.针对流注茎根数，目前并未开展专门的研究工作，大量学者们默认电极表面或者先导头部仅有一个流注茎。gallimberti团队基于能量守恒定理建立的经典流注-先导转化模型，将初始流注产生的放电电流仅通过单根流注茎注入电极，且只考虑暗期内振动动能向平动动能转化带来的能量流动，忽略了对流损失等重要能量耗散机制，适用于初始流注产生的放电电流较少、电极曲率半径较小的电极。华中科技大学赵贤根学者采用定量纹影测量技术，试验测得曲率半径为2.5mm的棒电极，流注茎根数平均值为4.8，但纹影系统由于受到核心部件—透镜组镜面尺寸的限制，目前的观察视窗仅限于电极附近(一般≤30cm)范围内，对于曲率半径为0.25m～1m的大尺寸电极，无法保证所有流注茎分支皆被观测到。华中科技大学贺恒鑫学者采用30万帧/s的高速摄影仪记录曲率半径为7cm、间隙距离1m的间隙放电发展过程，通过高速图片可以大致确定流注茎根数，但初始流注阶段通道发光主要是紫外光，高速摄影仪采集到的可见光较弱，部分流注茎分支可能由于外部环境光遮挡而无法辨别。并且拍摄的纹影图片或者是高速图片只能反映二维信息，电极背面的部分流注茎可能会因为电极的遮挡而无法出现在图片上，统计得到的流注茎根数数量并不准确，故仅采用目前常用的定量纹影测量技术和高速摄影仪无法准确获得高海拔地区大尺寸电极放电过程流注茎根数。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种流注茎根数计算方法以及流注茎根数计算系统，以解决现有技术中无法获取高海拔地区大尺寸电极放电过程流注茎根数的精确度的问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种流注茎根数计算方法，处于高电位的第一电极和处于低电位的第二电极之间形成长空气间隙，方法包括以下步骤：s1、获取长空气间隙放电过程中的空间电场强度、瞬时光功率和高电位电流数据；s2、根据空间电场强度和瞬时光功率的变化曲线，划分放电过程的初始流注阶段及暗期阶段，判断
流注-先导转化完成时刻，获得流注-先导转化完成实测时长ta；s3、搭建流注放电对流扩散和流注茎几何特征的流注-先导转化修正模型，预设对应流注茎根数n，并根据流注茎初始流注注入电流iz，计算流注-先导转化完成计算时长ts；s4、对比流注-先导转化完成实测时长ta和流注-先导转化完成计算时长ts，逐次校正模型参数，确定长间隙放电流注茎根数n。
6.可选地，步骤s2中，划分放电过程的初始流注阶段，包括：首次采集到光功率脉冲信号，同时空间电场强度出现跃升，初始流注起始，起始时刻为t0；当光功率幅值恢复至0且空间电场跃升停止时，初始流注停止，停止时刻为t1；划分放电过程的暗期阶段，包括：初始流注停止后放电进入暗期，暗期内采集到的光功率为0，空间电场强度在流注-先导转化完成时出现小幅度跃升；暗期结束时，重新采集到光功率信号，空间电场强度跃升停止；根据暗期内空间电场强度出现小幅跃升作为流注-先导转化完成判据，获得流注-先导转化完成实测时长ta。
7.可选地，步骤s3中，采用高电位电流测量设备采集初始流注阶段高电位电流i，初始流注阶段高电位电流i包括流注茎初始流注注入电流iz和由于第一电极施加电压发生变化，对第一电极和第二电极几何电容进行充电产生的容性位移电流ic；流注茎初始流注注入电流iz为；iz＝i-ic；长空气间隙流注放电对流扩散作用，使注入流注茎根部的电荷密度沿轴向向外呈现高斯分布，流注茎初始流注注入电流iz向外逐渐减少；注入流注茎根部中心高温区的电流i
ax
为：a表示中心高温区半径；r表示流注茎半径；λ表示分布系数；预设流注茎根数为n，且通过各流注茎注入的初始流注电流一致；注入单根流注茎中心高温区初始流注电流i
szx
为：基于gallimberti的能量平衡方程，根据注入单根流注茎中心高温区初始流注电流i
szx
，计算获得单根流注茎根部中心温度th：
[0008]008]
k为波尔兹曼常数；nh为流注根部温度下气体的分子密度；fe、f
t
、fr和fv分别为电子激发能、转动动能、平动动能和振动动能的分配系数；e为流注根部场强；为振动动能转化为平动动能的转化时间；εv为氮气分子振动激发所需能量；流注茎初始流注注入电流iz为流注茎温度升高提供能量，流注茎温度分布沿轴向由第一电极向外呈现逐渐减小趋势，当初始流注放电电流注入后，流注茎内气体分子温度逐渐升高，当单根流注茎根部中心温度th大于高海拔地区流注-先导转化临界温度时，转化完成，由此可获得流注-先导转化完成计算时长ts。
[0009]
可选地，步骤s4中，对比流注-先导转化完成实测时长ta和流注-先导转化完成计算时长ts，逐次校正预设的流注茎根数n，确定长间隙放电流注茎根数n。
[0010]
根据本发明的一个方面，还提供了一种流注茎根数计算系统，包括第一电极、第二电极、光电倍增管、光电集成电场传感器、高电位电流测量设备、计算机设备、处理器和存储器，其中，处于高电位的第一电极和处于低电位的第二电极之间形成长空气间隙；光电倍增
管，用于采集长空气间隙放电过程中的瞬时光功率信号；光电集成电场传感器，用于对长空气间隙放电的空间电场强度进行测量；高电位电流测量设备，用于在长空气间隙放电过程中，采集流经长空气间隙的高电位电流信号，并将高电位电流信号转化为电压信号；存储器，用于存储处理器可执行指令；处理器被配置为执行指令，以实现如权利要求1至4中任一项的流注茎根数计算方法。
[0011]
可选地，第一电极的曲率半径为0.25m～1m。
[0012]
可选地，光电集成电场传感器以及光电倍增管放置在同一高度且位于长空气间隙内部，高电位电流测量设备串联在长空气间隙高压侧。
[0013]
可选地，瞬时光功率信号的波长范围为185～400nm。
[0014]
可选地，流注茎根数计算系统还包括：示波器，与光电倍增管和光电集成电场传感器相连，用于收集和储存瞬时光功率信号和空间电场强度的测量数据；计算机设备，与高电位电流测量设备相连，用于读取和存储高电位电流信号。
[0015]
可选地，流注茎根数计算系统还包括：电-光转换装置，与高电位电流测量设备相连，用于将高电位电流测量设备输出的电信号转换为光信号；同轴光纤，分别与电-光转换装置相连，用于传输光信号；光-电转换装置，分别与同轴光纤和计算机设备连接，用于将光信号转换为电信号并传输至计算机设备。
[0016]
应用本发明的技术方案，提供了一种流注茎根数计算方法，该方法包括在高海拔地区搭建正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程空间电场强度、光电倍增管和高电位电流联合监测平台；测量并分析放电过程空间电场强度、光功率、高电位电流数据；根据光功率及空间电场强度的变化曲线，获得流注-先导转化完成实测时长；搭建考虑流注放电对流扩散和流注茎几何特征的流注-先导转化修正模型，根据流注茎初始流注注入电流，可计算流注-先导转化时长及对应流注茎根数；对比流注-先导转化完成实测时长和计算时长，逐次校正模型参数，确定高海拔正极性大尺寸电极长间隙放电过程流注茎根数。本发明联合高海拔地区大尺寸电极放电过程特征物理参量和流注-先导转化修正模型，获得流注-先导转化完成实测时长和计算时长，确定高海拔地区正极性大尺寸电极长间隙放电初始流注阶段流注根数。上述方法可以提高获取高海拔地区大尺寸电极放电过程流注茎根数的精确度，为今后完善高海拔地区放电流注-先导体系发展机制奠定基础。
附图说明
[0017]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0018]
图1是根据一示例性实施例示出的一种流注茎根数计算方法的流程示意图；
[0019]
图2是根据一示例性实施例示出的一种流注茎根数计算系统的原理示意图。
具体实施方式
[0020]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0021]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0022]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0023]
正如背景技术中介绍的，目前常用的定量纹影测量技术和高速摄影仪无法准确获得高海拔地区大尺寸电极放电过程流注茎根数。
[0024]
因此，发明人针对上述问题进行研究，提出了一种流注茎根数计算方法，处于高电位的第一电极和处于低电位的第二电极之间形成长空气间隙，方法包括以下步骤：s1、获取长空气间隙放电过程中的空间电场强度、瞬时光功率和高电位电流数据；s2、根据空间电场强度和瞬时光功率的变化曲线，划分放电过程的初始流注阶段及暗期阶段，判断流注-先导转化完成时刻，获得流注-先导转化完成实测时长ta；s3、搭建流注放电对流扩散和流注茎几何特征的流注-先导转化修正模型，预设对应流注茎根数n，并根据流注茎初始流注注入电流iz，计算流注-先导转化完成计算时长ts，并预设对应流注茎根数n；s4、对比流注-先导转化完成实测时长ta和流注-先导转化完成计算时长ts，逐次校正模型参数，确定长间隙放电流注茎根数n。
[0025]
该方法包括在高海拔地区搭建正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程空间电场强度、光电倍增管和高电位电流联合监测平台；测量并分析放电过程空间电场强度、光功率、高电位电流数据；根据光功率及空间电场强度的变化曲线，获得流注-先导转化完成实测时长；搭建考虑流注放电对流扩散和流注茎几何特征的流注-先导转化修正模型，根据流注茎初始流注注入电流，可计算流注-先导转化时长及对应流注茎根数；对比流注-先导转化完成实测时长和计算时长，逐次校正模型参数，确定高海拔正极性大尺寸电极长间隙放电过程流注茎根数。本发明联合高海拔地区大尺寸电极放电过程特征物理参量和流注-先导转化修正模型，获得流注-先导转化完成实测时长和计算时长，确定高海拔地区正极性大尺寸电极长间隙放电初始流注阶段流注根数。上述方法可以提高获取高海拔地区大尺寸电极放电过程流注茎根数的精确度，为今后完善高海拔地区放电流注-先导体系发展机制奠定基础。
[0026]
在长间隙气体放电过程中，一般要经历四个阶段，包括：初始流注阶段，暗期阶段，先导阶段，末跃-击穿阶段。
[0027]
在一个可行的实施例中，上述步骤s2中，划分放电过程的初始流注阶段，包括：首次采集到光功率脉冲信号，同时空间电场强度出现跃升，初始流注起始，起始时刻为t0；当光功率幅值恢复至0且空间电场跃升停止时，初始流注停止，停止时刻为t1。
[0028]
在一个可行的实施例中，上述步骤s2中，划分放电过程的暗期阶段，包括：初始流注停止后放电进入暗期，暗期内采集到的光功率为0，空间电场强度在流注-先导转化完成时出现小幅度跃升；暗期结束时，重新采集到光功率信号，空间电场强度跃升停止；根据暗
期内空间电场强度出现小幅跃升作为流注-先导转化完成判据，获得流注-先导转化完成实测时长ta。
[0029]
上述步骤s3中，可以采用高电位电流测量设备采集初始流注阶段高电位电流i，初始流注阶段高电位电流i包括流注茎初始流注注入电流iz和由于第一电极施加电压发生变化，对第一电极和第二电极几何电容进行充电产生的容性位移电流ic；流注茎初始流注注入电流iz为；
[0030]iz
＝i-ic。
[0031]
长空气间隙流注放电对流扩散作用，使注入流注茎根部的电荷密度沿轴向向外呈现高斯分布，流注茎初始流注注入电流iz向外逐渐减少。
[0032]
注入流注茎根部中心高温区的电流i
zx
为：
[0033][0034]
其中，a表示中心高温区半径；r表示流注茎半径；λ表示分布系数。
[0035]
预设流注茎根数为n，且通过各流注茎注入的初始流注电流一致，注入单根流注茎中心高温区初始流注电流i
szx
为：
[0036][0037]
基于gallimberti的能量平衡方程，根据注入单根流注茎中心高温区初始流注电流i
szx
，计算获得单根流注茎根部中心温度th：
[0038][0039][0040][0041]
其中，k为波尔兹曼常数；nh为流注根部温度下气体的分子密度；fe、f
t
、fr和fv分别为电子激发能、转动动能、平动动能和振动动能的分配系数，仿真中取fe+f
t
+fr＝0.03；e为流注根部场强；为振动动能转化为平动动能的转化时间；εv为氮气分子振动激发所需能量，仿真取0.28ev。
[0042]
流注茎初始流注注入电流iz为流注茎温度升高提供能量，流注茎温度分布沿轴向由第一电极向外呈现逐渐减小趋势，当初始流注放电电流注入后，流注茎内气体分子温度逐渐升高，当单根流注茎根部中心温度th大于高海拔地区流注-先导转化临界温度时，转化完成，由此可获得流注-先导转化完成计算时长ts。上述高海拔地区流注-先导转化临界温度通常为1500k。
[0043]
在一个可行的实施例中，步骤s4中，对比流注-先导转化完成实测时长ta和流注-先导转化完成计算时长ts，逐次校正预设的流注茎根数n，确定长间隙放电流注茎根数n。
[0044]
具体地，逐步调整设定的流注茎根数n，流注茎根数每次+1。因为流注茎的根数必须是整数。调整好根数n后，重新计算流注-先导转化完成计算时长ts，当ts和实测时长ta误
差率最小时，则仿真结束，由此确定根数n。
[0045]
本技术实施例还提供了一种流注茎根数计算系统，如图2所示，包括第一电极11、第二电极12、光电倍增管2、光电集成电场传感器3、高电位电流测量设备4、计算机设备6、处理器8和存储器7，其中，处于高电位的第一电极11和处于低电位的第二电极12之间形成长空气间隙；光电倍增管2，用于采集长空气间隙放电过程中的瞬时光功率信号；光电集成电场传感器3，用于对长空气间隙放电的空间电场强度进行测量；高电位电流测量设备4，用于在长空气间隙放电过程中，采集流经长空气间隙的高电位电流信号，并将高电位电流信号转化为电压信号；存储器7，用于存储处理器8可执行指令；处理器8被配置为执行指令，以实现如上述的流注茎根数计算方法。
[0046]
上述高电位电流测量设备的工作原理如下：高电位电流测量设备中的采样电阻将流经间隙的高电位电流信号转化为电压信号，由ni数据采集卡对其进行采集，并传输至计算机设备。可以理解的是，上述高电位电流测量设备采集到的是电压信号，通过除以采样电阻，得到所需的高电位电流信号。示例性的，采用ni数据采集卡对电压信号进行采集。
[0047]
在一个可行的实施例中，上述第一电极11为大尺寸电极，曲率半径为0.25m～1m。上述第二电极12可以为板电极。
[0048]
在一个可行的实施例中，光电集成电场传感器3以及光电倍增管2放置在同一高度且位于长空气间隙内部，高电位电流测量设备4串联在长空气间隙高压侧；瞬时光功率信号的波长范围为185～400nm。
[0049]
上述流注茎根数计算系统还可以包括示波器5和计算机设备6，如图2所示，示波器5与光电倍增管2和光电集成电场传感器3相连，用于收集和储存瞬时光功率信号和空间电场强度的测量数据；计算机设备6与高电位电流测量设备4相连，用于读取和存储高电位电流信号。
[0050]
在一个可行的实施例中，上述光电集成电场传感器3将测量得到的空间电场强度的光信号通过保偏光纤传输至示波器5中。
[0051]
在一个可行的实施例中，上述流注茎根数计算系统还包括电-光转换装置、光-电转换装置和同轴光纤，在间隙放电过程中，高电位电流测量设备4中的采样电阻将流经间隙的高电位电流信号转换为电压信号，并通过上述电-光转换装置转换为光信号后通过同轴光纤传输至光-电转换装置，光-电转换装置将光信号转换为电信号后传输至计算机设备6。
[0052]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0053]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0054]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0055]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络
单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0056]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0057]
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0058]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。