一种半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置的制作方法

1.本实用新型涉及电弧的消散特性技术领域，特别涉及一种半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置。


背景技术：

2.雷击是引起输电线路及电力设备故障的主要原因之一，半密闭微空腔装置应用于输电线路对雷击线路产生的电弧进行淬灭，减少因雷击造成的电力设备故障。在实验室中常进行半密闭微空腔内电弧的淬灭试验从而研究电弧的消散特性。在试验过程中对放电区域、电弧发展和消散过程的观测是最重要的部分，但是，在实际试验时，试验人员主要依靠目测电弧的产生至消散全过程，由于气隙放电通常是微秒级，试验人员对放电过程中某一瞬时的电弧形态仅凭肉眼是无法捕捉的。当前半密闭微空腔装置大多数设计成多腔室结构，腔室数量较多，数量达到几十至两百不等，淬灭电弧时存在电弧发展不均匀不对称，不同腔室淬灭电弧存在时延，传统的单台高速摄像机无法实现多方向、多角度电弧整体和特定区域的拍摄，实际试验中多从侧面拍摄电弧图像，不利于多腔室结构灭弧过程的分析和研究。
3.针对前述问题，武汉大学提供了一种采用单镜头反光式取景照相机拍摄电弧路径取代人眼目测的方法，但该方法中由于照相机的性能不足无法高速地拍摄电弧产生和消散的全过程，拍摄之前需手动设置拍摄时间且每次拍摄时刻间隔较长，无法实现电弧出现瞬间开始拍摄。清华大学采用镜像法利用高速摄影仪拍摄空气间隙的放电路径，该方法中摄像机到镜面中虚像的距离是到实际电弧的两倍，造成图像缩小，实际拍摄的电弧镜像较为模糊，且由于必须同时拍摄两面镜面中的虚像无法实现电弧局部的拍摄，无法观察电弧形态的细节。


技术实现要素：

4.本实用新型主要目的在于解决半密闭微空腔气体放电试验中需要预先设定拍摄时间再施加电压产生电弧，即无法实现同步拍摄；和拍摄多腔室吹灭电弧图像时存在只能拍摄大范围整体图像，无法在特定区域局部拍摄观察电弧形态的发展和消散过程的问题，进而提供了一种半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置，具有拍摄过程简单，成像效率高，图像特征提取更精确，拍摄局部电弧图像的优势。
5.本实用新型采用的技术方案为：
6.一种半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置，该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置包括冲击电流发生器、穿芯式电流互感器、电容分压器、数字存储示波器、同步触发器、高速摄像机和数据处理器；
7.所述冲击电流发生器的负极通过编织铜带作连接线接地，其电流输出端通过脉冲点火球隙与试验试品半密闭微空腔装置的高压端连接，且脉冲点火球隙与试验试品半密闭微空腔装置的连接线路上接有电容分压器；试验试品半密闭微空腔装置的低压端通过编织
铜带作连接线穿过穿芯式电流互感器后接地的同时与电容分压器接地端连接；
8.所述高速摄像机至少包括一台能够拍摄电弧整体图像的高速摄像机和一台能够拍摄电弧局部图像的高速摄像机，高速摄像机分别通过信号线与数据处理器和同步触发器连接，同步触发器与数字存储示波器的输出通道连接，数字存储示波器的输入通道分别与电容分压器和穿芯式电流互感器相连接。
9.优选的，所述冲击电流发生器包括智能控制系统、调压器t1、升压变压器t2、硅堆d、调波电阻r、调波电感l、脉冲电容器组c和脉冲点火球隙，调压器t1的进线端通过导线与380v工频电源连接，调压器t1的出线端与升压变压器t2的原边通过导线连接，升压变压器t2的副边与硅堆d用导线连接，硅堆d整流对脉冲电容器组c进行充电。
10.优选的，所述冲击电流发生器能够产生幅值为8～200ka可调、波前时间为1.2～20μs可变、波尾时间为20～1000μs可变的双指数电流波，且脉冲点火球隙通过脉冲点火装置施加点火脉冲进行击穿放电。
11.优选的，所述穿芯式电流传感器与数字存储示波器组成电流测量系统；所述穿芯式电流互感器由不导磁骨架、铜质线圈、积分电路、刺刀螺母连接器插座和聚合物绝缘外壳构成；不导磁骨架为内径为2～10cm，外径为2.5～12cm，截面直径为1～4cm，材质为不导磁的聚合物的圆环。
12.优选的，所述电容分压器与数字存储示波器组成电压测量系统；分压比为1000:1，测量幅值为-400～400kv，频率为0～1mhz的电压信号。
13.优选的，所述数字存储示波器采用独立电源供电，能够在2个信号采集通道同时采集幅值为-400～400v、频率为0～100mhz的电压信号，采样频率为0～10gs/s、存储容量为0～100mb。
14.优选的，所述高速摄像机均通过信号线与同步触发器相连，两台高速摄像机为在同一位置呈上下放置的高速摄像机，或两台高速摄像机以试验试品半密闭微空腔装置为中点对称放置。
15.优选的，所述高速摄像机均通过信号线与同步触发器相连，高速摄像机为以试验试品半密闭微空腔装置为圆心的圆弧上相隔等圆心角放置的若干台高速摄像机。
16.本实用新型的有益效果是：
17.1.该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置中冲击电流发生器的容量很大，因此能在模拟试验中产生幅值很高的冲击电流，从而能够准确模拟实际雷电击中线路时试验试品半密闭微空腔装置的半密集微腔室淬灭电弧的过程，使模拟试验结果的可靠性大大提高。
18.2.该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置利用两台以上高速摄像机同步拍摄电弧整体和局部图像，局部图像可作为整体图像的补充，有针对性的观察某一区域电弧的发展过程和形态特征。
19.3.该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置的数字存储示波器采用独立锂电池与逆变器组合或离线ups电源供电，能有效的防止冲击电流发生器放电时，实验室地网电位急剧升高而损毁数字存储示波器、穿芯式电流互感器等测量设备现象的发生。
20.4.该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置具有简单，操作简便，能方便的调整试验参数等优点。此外，模拟试验安全性好，模拟试验结果的准确度和可靠性高。
附图说明
21.图1为本实用新型的连接关系示意图；
22.图2为本实用新型的电路原理示意图；
23.图3为利用本实用新型拍摄的瞬态电弧发展至消散过程整体图像；
24.图4为利用本实用新型拍摄的瞬时电弧局部图像；
25.图1中，1—冲击电流发生器、2—脉冲点火球隙、3—电容分压器、4—穿芯式电流互感器、5—数字存储示波器、6—同步触发器、7—高速摄像机、8—数据处理器、9—试验试品半密闭微空腔装置。
具体实施方式
26.下面将结合本实用新型实施例的附图、对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.如图1—2所示，本实用新型提供一种半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置，该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置包括冲击电流发生器1、穿芯式电流互感器4、电容分压器3、数字存储示波器5、同步触发器6、高速摄像机7和数据处理器8。所述冲击电流发生器1的负极通过编织铜带作连接线接地，其流输出端通过脉冲点火球隙2与试验试品半密闭微空腔装置9的高压端连接，且脉冲点火球隙2与试验试品半密闭微空腔装置9的连接线路上接有电容分压器3；试验试品半密闭微空腔装置9的低压端通过编织铜带作连接线穿过穿芯式电流互感器4后接地的同时与电容分压器3接地端连接。所述高速摄像机7的至少包括一台能够拍摄电弧整体图像的高速摄像机7和一台能够拍摄电弧局部图像的高速摄像机7，高速摄像机7分别通过信号线与数据处理器8和同步触发器6连接，同步触发器6与数字存储示波器5的输出通道连接，数字存储示波器5的输入通道分别与电容分压器3和穿芯式电流互感器4连接。
28.所述冲击电流发生器1（impulse current generator, icg）能够产生幅值为8～200ka可调、波前时间为1.2～20μs可变、波尾时间为20～1000μs可变的双指数电流波，且脉冲点火球隙2通过脉冲点火装置施加点火脉冲进行击穿放电。冲击电流发生器1包括智能控制系统、调压器t1、升压变压器t2、硅堆d、调波电阻r、调波电感l、脉冲电容器组c和脉冲点火球隙2。试验中380 v交流电源通过升压，调压器t1的进线端通过导线与380v工频电源连接，调压器t1的出线端与升压变压器t2的原边通过导线连接。升压变压器t2的副边与硅堆d用导线连接，硅堆d整流对脉冲电容器组c进行充电。当充电电压达到预设值后，脉冲点火球隙2通过脉冲点火装置施加点火脉冲实现击穿放电，从而形成注入试验试品半密闭微空腔装置9的冲击电流。通过改变的调波电感l以及调波电阻r，能够得到不同波前时间和半峰值时间的冲击电流波形；通过控制脉冲电容器组c的充电电压，可以得到具有不同峰值的冲击电流。
29.为实现冲击电流和冲击电流值精细测量为触发高速摄像机7拍摄提供测量数据，采用穿芯式电流传感器与数字存储示波器5组成电流测量系统。所述穿芯式电流互感器4由不导磁骨架、铜质线圈、积分电路、刺刀螺母连接器插座和聚合物绝缘外壳构成。不导磁骨
架为内径为2～10cm，外径为2.5～12cm，截面直径为1～4cm，材质为不导磁的聚合物的圆环。其作用是固定铜质线圈，同时避免穿芯式电流互感器4铁芯在测量冲击大电流时饱和。所述的铜质线圈由线径为0.44～1.67mm的铜漆包线均匀绕制在圆环形的不导磁骨架上，绕制的匝数为50～1000匝，铜质线圈两端的引出线与积分电路的输入端连接，用以对感应电动势进行积分，从而得到电流随时间t变化的大小。所述电容分压器3与数字存储示波器5组成电压测量系统；分压比为1000:1，测量幅值为-400～400kv，频率为0～1mhz的电压信号，被测信号不产生衰减和变形。
30.所述数字存储示波器5采用独立电源供电，能够在2个信号采集通道同时采集幅值为-400～400v、频率为0～100mhz的电压信号，采样频率为0～10gs/s、存储容量为0～100mb。能保证采集信号的精度和长度，一旦试验试品半密闭微空腔装置9的半密闭微腔室内气隙被击穿，同一时刻数字存储示波器5将同步触发器6发送触发信号，同步触发器6同时发送多个信号触发多台高速摄像机7启动拍摄电弧出现、发展和消散过程。
31.所述的同步触发器6可接收数字存储示波器5的触发信号，可实时接收触发信号并同步发送至多四路输出信号用于控制多台高速摄像机7启动拍摄模式。
32.所述高速摄像机7具有一个12位的单色芯片（36位 rgb彩色），20μm的像素点，帧速根据像素可调，最高可达1000000fps，通过在数据处理器8上安装软件，通过软件控制拍摄参数。用于拍摄局部区域电弧图像的高速摄像机7还需配备焦段为25mm—85mm的调焦镜头。
33.此外，本实用新型给出多种高速摄像机7的放置方式：
34.方式一：所述高速摄像机7均通过信号线与同步触发器6相连，高速摄像机7为两台在同一位置呈上下放置的高速摄像机7。此放置方式实现两台高速摄像机7从同一方向同时拍摄电弧的产生、发展和消散过程中的图像，拍摄特定局部区域得到的电弧图像可对电弧在发展过程中的形态变化提供更为细致的图像材料。
35.方式二：两台高速摄像机7以试验试品半密闭微空腔装置9为中点对称设置。此放置方向实现从相对方向一台高速摄像机7拍摄电弧整体图像，另一台高速摄像机7拍摄特定的电弧局部图像，通过对两台摄像机相对拍摄得到电弧图像的比较，可分析试验中多腔室结构吹灭电弧过程中电弧发展的对称性和电弧分布的均匀性，为比较腔室的灭弧性能提供直观的图像。
36.方式三：所述高速摄像机7均通过信号线与同步触发器6相连，高速摄像机7为以试验试品半密闭微空腔装置9为圆心的圆弧上相隔等圆心角放置的若干台高速摄像机7。此放置方式从不同角度拍摄电弧发展和消散的图像，实现多角度观测电弧的具体形态，根据拍摄图像可直观地展示电弧在三维空间中的发展和消散形态，并根据图像大致判断电弧的喷射方向是否与腔室喷口相平行，研究电弧等离子的扩散趋势，为多腔室结构的性能提升具有积极意义。
37.但以上方式均需选定一台高速摄像机7拍摄电弧整体图像，另一台高速摄像机7拍摄局部图像。拍摄电弧整体图像的高速摄像机7手动对焦，并调节光圈大小，同时设置iso感光度，在数据处理器8的软件中设置帧速为1000~10000fps，选择触发模式为中心点触发。拍摄电弧局部图像的高速摄像机7需加装长焦镜头后对局部区域对焦，调节光圈大小，在数据处理器8的软件中将帧速设置与另一台高速摄像机7相同，触发模式为中心点触发。多台摄像机依据拍摄需要可选定不同位置的摄像机拍摄电弧整体图像和局部图像，需保证拍摄帧
速和触发模式相同。
38.采用上述的半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置进行试验试品半密闭微空腔装置9的半密闭微空腔中气体放电试验观测时，可以按照以下拍摄步骤进行拍摄：
39.步骤一确定试验回路元件参数：先分别将实际雷电流的波头时间、波尾时间除以模拟比例n，计算出模拟试验的冲击电流的波头时间、波尾时间，再通过改变冲击电流发生器1回路中的调波电阻r、调波电感l的大小达到所计算的冲击电流的波头时间、波尾时间；
40.步骤二检查冲击电流波形是否满足要求：将试验试品半密闭微空腔装置9的两端短路接线，在短路条件下，启动冲击电流发生器1输出冲击电流，通过数字存储示波器5显示的波形判断电流波形是否符合要求；
41.步骤三确定高速摄像机7的摆放位置并调节拍摄参数：将两台高速摄像机7相对放置，放置高度与试验试品半密闭微空腔装置9高度相同，调整拍摄电弧整体图像的摄像机焦距直至数据处理器8显示清晰图像，为拍摄局部图像的摄像机加装长焦镜头，调焦直至数据处理器8显示局部位置的清晰图像，固定高速摄像机7与试验试品半密闭微空腔装置9位置，通过数据处理器8控制软件设置帧速为2500fps、触发模式为中心点触发和iso感光度所需参数，保证两台高速摄像机7的帧速和触发模式相同；
42.步骤四开始试验：拆除试验试品半密闭微空腔装置9两端的短路接线，设置冲击电流发生器1的充电电压值，并根据冲击电压值的高低设置充电时间后开始充电，充电完成后，触发冲击电流发生器1，同时同步触发器6发出触发信号至高速摄像机7拍摄电弧图像，根据拍摄的图像情况，调整数据处理器8的控制软件帧速，并多次重复试验。
43.由于该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置的数字存储示波器5作为高速摄像机7同步拍摄的触发信号源。因此当试验试品半密闭微空腔装置9的半密闭微腔室内气隙被击穿，同一时刻数字存储示波器5向同步触发器6发送触发信号，同步触发器6同时发送多个信号触发多台高速摄像机7，使得高速摄像机7同步启动拍摄。高速摄像机7拍摄帧速和触发模式相同，多台高速摄像机7拍摄时刻相同。
44.为了进一步证明该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置进行试验试品半密闭微空腔装置9的半密闭微空腔中气体放电试验观测的可行性。本实用新型还给出了拍摄的瞬态电弧发展至消散过程整体图像和拍摄的瞬时电弧局部图像；拍摄的瞬态电弧发展至消散过程整体图像和拍摄的瞬时电弧局部图像如图3—4所示。
45.由此可以进一步证明采用该半密闭微空腔中瞬态气体放电的试验观测装置能够解决在实际半密闭微空腔气体放电试验中需要预先设定拍摄时间再产生电弧，即无法实现同步拍摄的问题；以及拍摄电弧图像时存在只能拍摄大范围整体图像无法局部拍摄造成电弧形态细节模糊的问题。