一种空气间隙放电发射光谱时空分布的观测方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种空气间隙放电发射光谱时空分布的观测方法。

背景技术：

雷电是输电线路跳闸的主要原因之一，因此研究空气间隙在雷电冲击下的放电物理机理、防护措施和数值模拟方法是电力系统防雷的研究重点和难点。

现有技术中，在空气间隙放电发射光谱观测方面，主要通过光纤探头和光纤光谱仪获取空气间隙击穿后放电通道的发射光谱。但受限于光纤光谱仪的曝光时间、拍摄速度、光纤探头放置要求：第一，空气间隙放电发射光谱至少是经过μs级曝光所得到的，相对于标准雷电冲击电压的脉冲周期并非是瞬时，无法得到空气间隙放电各个发展阶段的发射光谱；第二，由于长空气间隙在标准雷电冲击下的放电通道路径具有随机性，难以在空气间隙附近有效放置光纤探头；第三，光纤光谱仪不能对发射光谱的强度进行线性增益，若用于获取电晕起始和流注发展阶段的发射光谱，其强度和分辨率可能不太理想。因此在现有观测技术和方法下所得到的标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布在精确度和分辨率方面严重不足，使标准雷电冲击下空气间隙放电物理机理的深入研究受限，进而导致无法在电力系统中设置合理的防护措施，阻碍了电力系统的防雷水平的提高。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种在标准雷电冲击下的空气间隙放电发射光谱时空分布的观测方法，用于获得更精确、分辨率更高的标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱的时空分布，推进空气间隙在标准雷电冲击下放电物理机理研究的深入程度，最终促进电力系统防雷水平的提高。

本发明采用如下技术方案：

一种空气间隙放电发射光谱时空分布的观测方法，包括如下步骤:

s1测定标准雷电冲击下空气间隙放电的50％击穿放电电压u50％；

s2在空气间隙两端施加标准雷电冲击电压,所施加电压的幅值为ku50％；

s3对于固定冲击电压幅值，重复进行放电，设置触发时延，使用光栅光谱仪拍摄完整清晰的空气间隙放电通道图像，然后根据图像中放电通道的位置，调整光栅光谱仪的位置和拍摄焦距，使空气间隙放电通道位于图像的正中央位置，且光栅光谱仪的狭缝宽度尽可能小；

s4拍摄0～1000nm的空气间隙放电通道全波段发射光谱图，选取并记录其中波峰明显的谱线所对应的中心波长值；

s5在一个电压脉冲周期内，设置触发时延为最小值，设置光栅光谱仪拍摄的中心波长，从电压脉冲的波头开始，获得步骤s4中选取的中心波长值所对应的空气间隙放电发射光谱图，得到无增益情况下的时空分布；

s6若得到的空气间隙放电发射光谱图的强度不足，则梯级增大光栅光谱仪的像增强探测器的增益倍数，直至拍摄到强度足够的发射光谱或像增强探测器的增益倍数达到上限为止，然后进入步骤s7；

若得到的空气间隙放电发射光谱图的强度足够，则直接进入s7；

s7将强度足够的发射光谱图，按照脉冲电压在一个周期内时刻位置排序，得到标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布；

s8将s7得到的标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布进行传输延迟的校正，得到标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布。

所述s3中，每次拍摄空气间隙放电发射光谱的曝光时间设置为3ns，像增强探测器的增益倍数为1。

所述s3中，示波器在达到触发电平时刻向像增强探测器发送触发信号，像增强探测器接收到触发信号时刻至开始曝光时刻之间的时间间隔为触发时延。

所述s5中拍摄间隔设置为50ns。

所述s8中，传输延迟包括示波器与光栅光谱仪之间的传输时间延迟、冲击电压发生器信号传输到示波器的时间延迟和光栅光谱仪的像增强探测器设定的处罚时间延迟。

所述k的取值为1.2、1.3、1.4、1.5或1.6。

所述s2中的标准雷电冲击电压的波形为1.2/50μs。

所述，将s7得到的标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布进行传输延迟的校正，具体为：

在进行波形数据处理时，将冲击电压波形的时间轴减去冲击电压发生器信号传输到示波器的时延值，将像增强探测器反馈至示波器的监控信号的时间轴减去示波器与光栅光谱仪之间的传输时延值，可确定每一组放电发射光谱图在脉冲电压周期内的实际时刻位置，得到标准雷电冲击下放电发射光谱时空分布。

本发明的有益效果：

(1)每张发射光谱图的曝光时间设定为3ns，通过固定冲击电压幅值进行重复放电，在一个冲击电压周期内每隔50ns拍摄一组空气间隙放电发射光谱图，针对前期电晕起始和流注发展阶段的微弱放电现象，通过加大光栅光谱仪的像增强探测器的增益倍数获得强度足够的发射光谱，并且综合考虑示波器与光栅光谱仪之间的传输时间延迟、冲击电压发生器信号传输到示波器的时间延迟和光栅光谱仪设定的触发时间延迟，最终得到更精确、分辨率更高的标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布；

(2)与现有技术相比，应用本发明所得到的标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布，其发射光谱的强度、分辨率和时间分布精确度方面均等得到大幅度改善，且能用于获取m级长空气间隙放电的发射光谱，有利于空气间隙在标准雷电冲击下放电物理机理的深入研究，最终促进电力系统防雷水平的提高。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明的硬件结构实施示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

为了进一步说明本发明实施例提供的标准雷电冲击下空气间隙放电发射光谱时空分布的观测系统和方法，下面以1m棒-板空气间隙在标准雷电冲击下放电发射光谱时空分布的观测试验为例，结合说明书附图进行详细描述。

如图2所示，本实施例中，通过冲击电压发生器1在棒3-板4间隙两端施加标准雷电波冲击电压，模拟雷击放电，电容分压器2将高压端冲击电压发生器输出电压降压至示波器量程范围内，示波器5用于显示高压端棒-板间隙两端电压波形，并在冲击电压达到示波器触发电平时刻给光栅光谱仪6的像增强探测器7发送触发信号，以及显示像增强探测器6的监控信号光栅光谱仪6及其像增强探测器7用于拍摄棒-板间隙放电发射光谱，笔记本电脑8用于设置光栅光谱仪6及其像增强探测器7的参数，以及显示棒-板空气间隙放电发射光谱的拍摄结果。为得到空气间隙放电发射光谱在一个脉冲电压周期内的时空分布，通过固定冲击电压的幅值，重复进行放电，光栅光谱仪6每隔50ns拍摄一组发射光谱图，并且不同放电阶段像增强探测器7的增益倍数不同。

如图1所示，在上述硬件结构的基础上，一种空气间隙放电发射光谱时空分布的观测方法，包括如下步骤：

s1，试验测定1m棒-板空气间隙在标准雷电冲击下放电的50％击穿放电电压u50％；

s2，在1m棒-板空气间隙两端施加标准雷电冲击电压，其波形为1.2/50μs，所施加冲击电压的幅值为ku50％，其中k的取值为1.2、1.3、1.4、1.5或1.6；

s3，对于每个所述k的取值，保持光栅光谱仪的像增强探测器的增益倍数为1，曝光时间为3ns，示波器在达到触发电平时刻向像增强探测器发送触发信号，像增强探测器接收到触发信号时刻至开始曝光时刻之间的时间间隔为触发时延，且示波器的触发电平值应在整个试验过程中保持不变。固定冲击电压幅值，重复进行放电。设置一个合适的触发时延，使用光栅光谱仪的图像拍摄模式，拍摄完整清晰的1m棒-板空气间隙放电通道图像。

所述合适的触发时延具体是指能拍到放电通道。

根据图像中放电通道的位置，保持该触发时延不变，重复进行放电和图像拍摄，不断调整光栅光谱仪的位置和拍摄焦距，最终使得1m棒-板空气间隙的击穿放电通道位于图像的正中央位置。继续保持触发时延不变，重复进行放电和图像拍摄，并不断缩小光栅光谱仪的狭缝宽度，在保证能拍摄到1m棒-板空气间隙击穿放电通道的基础上，使狭缝的宽度尽可能小；

s4，继续使用步骤s3中设置的触发时延值，并通过设置多个光栅光谱仪的中心波长，重复进行1m棒-板空气间隙放电试验，拍摄0～1000nm的1m棒-板空气间隙放电通道全波段发射光谱图，选取并记录其中波峰明显的谱线所对应的中心波长值；

s5，设置触发时延值为光栅光谱仪所允许的最小值，并设置光栅光谱仪拍摄的中心波长，使光栅光谱仪从脉冲电压的波头开始，在所述脉冲电压的一个周期内每隔50ns拍摄一组步骤s4中选取的中心波长值所对应的1m棒-板空气间隙放电发射光谱图，得到1m棒-板空气间隙放电发射光谱在没有经过增益情况下的时空分布；

s6，对于步骤s5中所得到的1m棒-板空气间隙放电发射光谱在没有经过增益情况下的时空分布，前期电晕起始及流注发展阶段因光强太弱而无法获得强度足够的发射光谱；针对强度不足的发射光谱图，按照步骤s3～s5中所施加电压幅值，增大光栅光谱仪的像增强探测器的增益倍数为10，在脉冲电压一个周期内的同一时刻使用光栅光谱仪再次拍摄1m棒-板空气间隙放电发射光谱。若所得发射光谱图的强度足够，则用该发射光谱图替换上述强度不足的发射光谱图；

若图像中发射光谱图的强度依然不足，则继续将像增强探测器增益倍数增大十倍，在脉冲电压一个周期内的同一时刻再次拍摄1m棒-板空气间隙放电发射光谱，直至出现强度足够的发射光谱，或像增强探测器增益倍数达到上限为止。

s7，选取步骤s5所得已有强度足够的发射光谱图和步骤s6所得经过增益拍摄得到的足够强度的发射光谱，依照其在脉冲电压一个周期内的时刻位置排序，最终得到标准雷电冲击下1m棒-板空气间隙放电发射光谱时空分布；

s8，对步骤s7中得到的标准雷电冲击下1m棒-板空气间隙放电发射光谱时空分布进行传输延迟的校正。测试并统计示波器与光栅光谱仪之间的传输时间延迟和冲击电压发生器信号传输到示波器的时间延迟。在进行波形数据处理时，将冲击电压波形的时间轴减去冲击电压发生器信号传输到示波器的时延值，将像增强探测器反馈至示波器的监控信号的时间轴减去示波器与光栅光谱仪之间的传输时延值即可确定每一组放电发射光谱图在脉冲电压周期内的实际时刻位置，得到更精确、分辨率更高1m棒-板空气间隙在标准雷电冲击下放电发射光谱时空分布。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。