流注放电试验系统、方法、其流注产生装置和测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及沿绝缘介质表面流注放电试验系统及方法，该系统包括流注放电产生装置和测量系统。流注放电产生装置包括：由上、下极板和针电极构成的三电极结构，连在上极板的高压直流电源，连在针电极的触发脉冲发生装置。测量系统包括第一处理器和连接在其三个输入端的三个光电倍增管，第一处理器的另一个输入端接触发脉冲发生装置的输出端，三个光电倍增管对应与针电极的针尖、上下极板之间的中间位置、上极板的下表面对准。该方法包括：在上、下极板间设置绝缘材料试品；向针电极施加高压方波脉冲；使上、下极板之间产生均匀电场；采集三个光电倍增管的输出信号；测量流注电流；拍摄流注放电过程和传播路径。其能满足试验研究的要求。
【专利说明】流注放电试验系统、方法、其流注产生装置和测量系统
【技术领域】
[0001]本发明属于放电的基础研究领域，特别涉及一种沿绝缘介质表面流注放电试验系统、试验方法、以及流注放电的产生装置及测量系统。
【背景技术】
[0002]输变电设备的外绝缘问题影响着电力系统的正常和安全运行，且随着电压等级的升高，其问题和影响将更为突出，直接影响着电网的供电质量。外绝缘问题主要包括空气间隙和绝缘介质沿面绝缘的问题，间隙击穿和沿面放电闪络是外绝缘最为严重的问题，因此，有必要对其进行更为深入的研究。
[0003]间隙击穿和绝缘介质沿面闪络包括着一系列的过程:(1)出现有效初始电子形成电子崩；(2)电子崩发展成为流注并向前传播；(3)当流注通道根部电子达到一定程度时，出现热电离产生先导通道加快等离子通道的传播；(4)当等离子通道贯穿间隙后，最终引起火花放电或电弧放电，间隙或沿面发生电击穿。在整个过程中，流注的传播对间隙击穿和沿面闪络有着重要的影响，是其中物理过程最为复杂的一个阶段。国内外研究人员在空气中对流注的传播进行了一定的试验研究，主要通过利用光电倍增管观测流注头部辐射出的光子来判断流注传播到达的位置；利用超高速ICCD拍摄流注的传播过程，从而获得流注传播的速度，流注通道的形状，流注分叉的个数等；利用Rogowski线圈测量流注电流，通过积分获得流注包含的电荷；利用放置在阴极的感光胶片获得到达阴极的流注数目等。而沿绝缘介质表面流注放电的研究则未见有相关的文献披露，也未见有相关产品。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种沿绝缘介质表面流注放电试验系统、试验方法、以及流注放电产生装置及测量系统。
[0005]本发明采用的技术方案如下:
一种沿绝缘介质表面流注放电试验系统，它包括流注放电产生装置和测量系统，其中， 所述流注放电产生装置包括:
三电极结构，包括相对且平行地设置的上极板和下极板，以及一个针电极，所述针电极包括金属针和绝缘外套，针电极设置于下极板上且与下极板绝缘，所述下极板接地；
高压直流电源，其输出端连接所述上极板；以及触发脉冲发生装置，其输出端连接所述针电极；
所述测量系统包括第一处理器和对应连接在第一处理器三个输入端的三个光电倍增管，第一处理器的另一个输入端通过高压探头连接所述触发脉冲发生装置的输出端，所述三个光电倍增管对应与针电极的针尖、上极板和下极板之间的中间位置、以及上极板的下表面对准。
[0006]在上述的试验系统中，优选地，所述测量系统还包括成像设备，该成像设备设置在三电极结构的侧面，用于拍摄流注放电过程和流注传播路径。
[0007]在上述的试验系统中，优选地，所述测量系统还包括两个电流测量装置，每个电流测量装置由测量单元和第二处理器组成，测量单元设置于三电极结构的高压端或低压端，测量单元包括屏蔽罩和设置于屏蔽罩内的电流传感器、采样频率> 200MHz且频带宽度^ 10MHz的采集卡、电光转换模块、以及用于给采集卡和电光转换模块供电的独立供电模块，独立供电模块的地独立于所述高压直流电源的地，第二处理器设置于后台，通过光纤连接测量单元，用于显示和保存测量单元采样得到的流注电流数据。
[0008]在上述的试验系统中，优选地，所述第一处理器为示波器，该示波器具有至少四个通道，而且采样频率不小于IGHz、频带宽度不小于10MHz。
[0009]在上述的试验系统中，优选地，三个光电倍增管的光输入窗口为0.5-2mm的窄缝。
[0010]一种沿绝缘介质表面流注放电试验方法，包括在三电极结构的上极板和下极板之间设置绝缘材料试品；
控制触发脉冲发生装置产生纳秒级高压方波脉冲，该方波脉冲被施加到三电极结构的针电极，引起针尖放电从而产生正极性流注；
开启高压直流电源使上、下极板之间产生均匀电场，促进流注在绝缘材料试品表面传播；
用所述方波脉冲触发测量系统的第一处理器开始采集三个光电倍增管的输出信号，进而测量出流注传播速度和流注放电强度；
从三电极结构的高压端和低压端测量流注电流；
用成像设备在三电极结构的侧面拍摄流注放电过程和流注传播路径。
[0011]在上述的试验方法中，优选地，高压方波脉冲的脉冲宽度为100ns-250ns，脉冲幅值为 lkV-4kV。
[0012]一种流注放电产生装置，包括:
三电极结构，包括相对且平行地设置的上极板和下极板，以及一个针电极，所述针电极包括金属针和绝缘外套，针电极设置于下极板上且与下极板绝缘，所述下极板接地；
高压直流电源，其输出端连接所述上极板；以及触发脉冲发生装置，其输出端连接所述针电极。
[0013]一种流注放电测量系统，包括:
三个光电倍增管，对应与流注放电产生装置的针电极的针尖、上极板和下极板之间的中间位置、以及上极板的下表面对准；以及
第一处理器，与所述三个光电倍增管连接，并通过一个高压探头连接流注放电产生装置的触发脉冲发生装置的输出端，以被流注放电产生装置触发开始采集三个光电倍增管的输出信号，进而测量出流注传播速度和流注放电强度。
[0014]优选地,该流注放电测量系统还包括:
成像设备，设置在流注放电产生装置的三电极结构的侧面，用于拍摄流注放电过程和流注传播路径；和/或
两个电流测量装置，分别用于从三电极结构的高压端和低压端测量流注电流数据；其中，每个电流测量装置由测量单元和第二处理器组成，测量单元设置于三电极结构的高压端或低压端，测量单元包括屏蔽罩和设置于屏蔽罩内的电流传感器、采样频率> 200MHz且频带宽度> 10MHz的采集卡、电光转换模块、以及用于给采集卡和电光转换模块供电的独立供电模块，独立供电模块的地独立于所述高压直流电源的地，第二处理器设置于后台，通过光纤连接测量单元，用于显示和保存测量单元采样得到的流注电流数据。
[0015]经试验，本发明的上述系统及方法能够满足沿绝缘介质表面流注放电特性试验研究的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为一实施例沿绝缘介质表面流注放电试验系统的示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
[0018]本实施例沿绝缘介质表面流注放电试验系统由两部分组成:流注放电产生装置和测量系统。流注放电产生装置包括三电极结构、高压直流电源和触发脉冲发生装置。图1中，I 一低压端流注电流测量装置，2 —下极板，3 —针电极，4 一触发脉冲发生装置，5 —高压探头，6、7、8 —光电倍增管,9 一成像设备，10 一流注，11 一第一处理器，12 一闻压直流电源，13 一高压端流注电流测量装置，14 一高压直流电源的电压测量装置，15 一上极板，16 -绝缘材料试品。
[0019]参照图1，三电极结构包括上极板15、下极板2和一个针电极3,上极板15与下极板2相对且平行。上极板15和下极板2用不锈钢制成,呈圆盘形,上极板15和下极板2的中部分别设置安装孔，用于在上、下极板之间安装绝缘材料试品16。下极板2接地。针电极3包括金属针和绝缘外套，针电极3设置于下极板2上且与下极板2绝缘，针电极3的针尖位于绝缘材料试品16的边缘。
[0020]高压直流电源12用于向上极板15施加负直流电压，使得在上极板15和下极板2之间形成一个近似均匀的电场。较佳实施例中，高压直流电源12的输出电压为O-1OOkV可调，输出电流大于300mA。
[0021]触发脉冲发生装置4的输出端连接针电极3。较佳实施例中，触发脉冲发生装置4采用脉冲形成线原理产生方波脉冲，并且为nS级方波脉冲。更佳的实施例中，触发脉冲发生装置4具有幅值控制装置和脉宽控制装置，能够调节输出的触发脉冲的幅值和脉宽，幅值的调节范围为0kV-6kV，脉宽的调节范围为100ns-250ns。
[0022]正极性流注的产生方法:正极性流注的产生采用了触发脉冲发生装置4，利用脉冲形成线原理产生一个nS级方波脉冲并施加到金属针上，引起针尖放电，从而产生正极性流注。通过在上极板15和下极板2之间施加高压，产生均匀电场来促进流注的传播，如图1中10所示。由于触发脉冲的幅值和脉宽都可以进行调节，因此，流注特性可以调节。又由于触发脉冲的脉宽很短，属nS级脉冲，在这么短时间内只能产生单个流注，从而避免了多个流注共同发展相互之间的各种干扰，便于独立研究各种因数对流注放电特性的影响。由于在均匀电场下，流注发展很少分叉，因此，由于分叉流注对主流注发展的影响可以忽略不计。
[0023]测量系统包括第一处理器11和三个光电倍增管6、7、8。第一处理器11采用示波器，该示波器具有至少四个通道，采样频率不小于1GHz，频带宽度不小于100MHz，示波器的三个通道分别与三个光电倍增管6、7、8对应连接，另一个通道通过高压探头5连接触发脉冲发生装置4的输出端。三个光电倍增管6、7、8对应与针电极3的针尖、上极板15和下极板2之间的中间位置、以及上极板15的下表面对准，即分别对准绝缘材料试品16的下、中、上三个位置。三个光电倍增管6、7、8的光输入窗口优选0.5-2mm的窄缝，最好为I mm的窄缝。高压探头5耐压最好大于10kV。
[0024]触发脉冲发生装置4产生的方波脉冲通过高压探头5分压后接入示波器(即第一处理器11)，触发示波器开始采集三个光电倍增管6、7、8的输出信号，进而测量出流注传播速度和流注放电强度，更具体地说，通过观察三个光电倍增管6、7、8的输出信号，可以判断流注放电的强弱、获得流注发展的长度和确定流注是否能发展到达上极板15，流注在均匀电场作用下的传播速度通过光电倍增管之间的垂直距离与其对应测得脉冲信号上升沿起始点间时间差的比值获得。
[0025]测量系统还包括成像设备9，该成像设备9设置在三电极结构的侧面，用于拍摄流注放电过程和流注传播路径。成像设备9可以选用超高速相机ICCD或紫外成像仪，通过直接拍摄即可得到。
[0026]测量系统还包括高压端流注电流测量装置13和低压端流注电流测量装置1，它们分别用于从三电极结构的高压端和低压端测量流注电流数据。为了能够在高压端(电压大于50kV)测量ns级脉冲波形的流注电流，发明人设计了一种特制的电流测量装置，该特制的电流测量装置由测量单元和设置于后台的第二处理器组成，其中，测量单元包括屏蔽罩和设置于屏蔽罩内的电流传感器、采样频率> 200MHz且频带宽度> 10MHz的采集卡(即高速触发模式的采集卡)、电光转换模块、以及用于给采集卡和电光转换模块供电的独立供电模块，独立供电模块的地独立于高压直流电源12的地。第二处理器由光电转换模块、计算机和相关软件组成，第二处理器通过光纤与测量单元连接。该特制的电流测量装置的测量原理如下:流注电流流过电流传感器,通过高速触发模式的采集卡完成采样并转换成数字信号，该数字信号通过电光转换模块转换成光信号再通过光纤传到后台的第二处理器，从而实现高压端电流信号的采集以及向低压端的传输；光信号通过第二处理器中的光电转换模块转换成电信号输入计算机，并通过相关软件显示和保存采样得到的流注电流数据。屏蔽罩能够防止电流传感器、采集卡、电光转换模块和独立电源供电模块受到电磁干扰。用独立电源供电模块给采集卡和电光转换模块供电，以保证流柱电流测量装置地电位的独立，与现场试验地没有关联。高压端流注电流测量装置13和低压端流注电流测量装置I均可以采用这种特制的电流测量装置。
[0027]经试验，上述流注放电产生装置能够沿绝缘介质表面产生流注放电，上述测量系统能够测量沿绝缘介质表面流注传播概率、流注传播速度、流注传播所需电场强度、流注发展路径、流注通道形态、流注放电强度、高低压端流注电流等表征流注放电的重要参量，能够满足沿绝缘介质表面流注放电特性试验研究的要求。本发明沿绝缘介质表面流注放电试验系统及方法，能够用来研究环境温度、环境绝对湿度、大气压、绝缘材料特性、试品伞型结构等参量对表面流注传播特性的影响。
【权利要求】
1.一种沿绝缘介质表面流注放电试验系统，包括流注放电产生装置和测量系统，其特征在于: 所述流注放电产生装置包括: 三电极结构，包括相对且平行地设置的上极板和下极板，以及一个针电极，所述针电极包括金属针和绝缘外套，针电极设置于下极板上且与下极板绝缘，所述下极板接地； 高压直流电源，其输出端连接所述上极板； 触发脉冲发生装置，其输出端连接所述针电极； 所述测量系统包括第一处理器和对应连接在第一处理器三个输入端的三个光电倍增管，第一处理器的另一个输入端通过高压探头连接所述触发脉冲发生装置的输出端，所述三个光电倍增管对应与针电极的针尖、上极板和下极板之间的中间位置、以及上极板的下表面对准。
2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述测量系统还包括成像设备，该成像设备设置在三电极结构的侧面，用于拍摄流注放电过程和流注传播路径。
3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述测量系统还包括两个电流测量装置，每个电流测量装置由测量单元和第二处理器组成，测量单元设置于三电极结构的高压端或低压端，测量单元包括屏蔽罩和设置于屏蔽罩内的电流传感器、采样频率> 200MHz且频带宽度> 10MHz的采集卡、电光转换模块、以及用于给采集卡和电光转换模块供电的独立供电模块，独立供电模块的地独立于所述高压直流电源的地，第二处理器设置于后台，通过光纤连接测量单元，用于显示和保存测量单元采样得到的流注电流数据。
4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述第一处理器为示波器，该示波器具有至少四个通道，而且采样频率不小于1GHz、频带宽度不小于100MHz。
5.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，三个光电倍增管的光输入窗口为0.5-2mm的窄缝。
6.一种沿绝缘介质表面流注放电试验方法，其特征在于，该试验方法包括: 在三电极结构的上极板和下极板之间设置绝缘材料试品； 控制触发脉冲发生装置产生纳秒级高压方波脉冲，该方波脉冲被施加到三电极结构的针电极，引起针尖放电从而产生正极性流注； 开启高压直流电源使上、下极板之间产生均匀电场，促进流注在绝缘材料试品表面传播； 用所述方波脉冲触发测量系统的第一处理器开始采集三个光电倍增管的输出信号，进而测量出流注传播速度和流注放电强度； 从三电极结构的高压端和低压端测量流注电流； 用成像设备在三电极结构的侧面拍摄流注放电过程和流注传播路径。
7.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，高压方波脉冲的脉冲宽度为100ns-250ns，脉冲幅值为 lkV_4kV。
8.—种流注放电产生装置，其特征在于，该流注放电产生装置包括: 三电极结构，包括相对且平行地设置的上极板和下极板，以及一个针电极，所述针电极包括金属针和绝缘外套，针电极设置于下极板上且与下极板绝缘，所述下极板接地； 高压直流电源，其输出端连接所述上极板；以及 触发脉冲发生装置，其输出端连接所述针电极。
9.一种流注放电测量系统，其特征在于，该流注放电测量系统包括: 三个光电倍增管，对应与流注放电产生装置的针电极的针尖、上极板和下极板之间的中间位置、以及上极板的下表面对准；以及 第一处理器，与所述三个光电倍增管连接，并通过一个高压探头连接流注放电产生装置的触发脉冲发生装置的输出端，以被流注放电产生装置触发开始采集三个光电倍增管的输出信号，进而测量出流注传播速度和流注放电强度。
10.根据权利要求9所述的流注放电测量系统，其特征在于，该流注放电测量系统还包括: 成像设备，设置在流注放电产生装置的三电极结构的侧面，用于拍摄流注放电过程和流注传播路径；和/或 两个电流测量装置，分别用于从三电极结构的高压端和低压端测量流注电流数据；其中，每个电流测量装置由测量单元和第二处理器组成，测量单元设置于三电极结构的高压端或低压端，测量单元包括屏蔽罩和设置于屏蔽罩内的电流传感器、采样频率> 200MHz且频带宽度> 10MHz的采集卡、电光转换模块、以及用于给采集卡和电光转换模块供电的独立供电模块，独立供电模块的地独立于所述高压直流电源的地，第二处理器设置于后台，通过光纤连接测量单元，用于显示和保存测量单元采样得到的流注电流数据。
【文档编号】G01R31/12GK104280669SQ201310271149
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月1日 优先权日:2013年7月1日
【发明者】梅红伟, 王黎明, 孟晓波, 朱博, 陈昌龙, 张若兵, 关志成, 贾志东 申请人:清华大学深圳研究生院