快速震蕩電壓下六氟化硫氣體間歇放電光電檢測(cè)分析

【摘 ?要】本文對(duì)六氟化硫氣體在震蕩電壓下間歇放電利用光電倍增管和分幅式變像管高速相機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看到，光電檢測(cè)下快速震蕩脈沖在六氟化硫氣體放電中有效?？梢缘贸鼋Y(jié)果，六氟化硫氣體在快速震蕩下的放電特性和標(biāo)準(zhǔn)雷電波放電特性的影響不用。在負(fù)極作用環(huán)境及電機(jī)作用的快速震蕩電壓情況下，六氟化硫氣體表現(xiàn)出放電的特性。

【關(guān)鍵詞】分幅式變像管高速相機(jī);六氟化硫;放電鐵興;快速震蕩電壓;

六氟化硫氣體有著非常優(yōu)秀的絕緣性和物理化學(xué)性質(zhì)，通常被使用在氣體絕緣高壓封閉組合電器里。通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，氣體絕緣高壓封閉組合電器的開關(guān)操作中快速暫態(tài)過(guò)電壓的幅度速度非?？?，高頻震蕩的快速暫態(tài)過(guò)電壓在氣體絕緣波的波頭震蕩震蕩頻率不高，小于2.5PU，但是其在氣體絕緣高壓封閉組合電器發(fā)生的事故率中可以看出，其在雷電波和操作的沖擊下試過(guò)率很高。這種情況下，快速暫態(tài)過(guò)電壓六氟化硫的擊穿特性及機(jī)理的研究有助于對(duì)氣體絕緣高壓封閉組合電器系統(tǒng)的完善。對(duì)于快速暫態(tài)過(guò)電壓的作用下六氟化硫其他間隙擊穿理研究的過(guò)程中，通常使用一些宏觀參數(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，不過(guò)這樣的測(cè)定方式操作起來(lái)比較復(fù)雜和困難。當(dāng)前在常規(guī)研究中所遇到和應(yīng)當(dāng)解決的問(wèn)題有：（1）初始電離電離所發(fā)射光信號(hào)較微弱，普通光電器材難以察覺(jué);（2）放電通道行程時(shí)間較短，難以捕捉其中的光信號(hào)。因此，本研究對(duì)預(yù)防電和放電通道形成過(guò)程中發(fā)射的光利用光電倍增管和分幅式變像管高速相機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

一、預(yù)放電的光電檢測(cè)

（一）系統(tǒng)組成

光電増倍管的作用是監(jiān)測(cè)紫外線、近紅外輻射和可見(jiàn)光，它的優(yōu)勢(shì)在于增益高，噪音少，且有著很強(qiáng)的抗干擾特性，線度性，響應(yīng)的速度也非?？?。光電倍增管模型為408GDB，光譜的響應(yīng)范圍在170～850IM，曾一再105，脈沖上升的時(shí)間小于15IS[4]。

（二）干擾抑制措施

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，采用Marx發(fā)生器用來(lái)銳化其中差距，從而使波調(diào)制的電感及電容可調(diào)波來(lái)形成快速震蕩脈沖電壓，可以模擬出氣體絕緣高壓封閉組合電器里的環(huán)境。在快速震蕩脈沖電壓產(chǎn)生之后，主隔離球隙和陡化間隙放電會(huì)形成非常強(qiáng)烈的電測(cè)輻射，這種情況下會(huì)對(duì)光電檢測(cè)的準(zhǔn)確性會(huì)造成強(qiáng)烈的干擾，因此需要制定相應(yīng)的干擾抑制措施。首先要對(duì)電路情況進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)，采用隔離變壓器對(duì)電源供應(yīng)器進(jìn)行供電，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的接地屏蔽。此外對(duì)于數(shù)字示波器，要將其置入金屬屏蔽盒之中，作用是防止因?yàn)楫a(chǎn)生的放電現(xiàn)場(chǎng)而對(duì)示波器產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。然后需要在設(shè)備上連接雙重屏蔽電纜，采用示波器的光電倍增管進(jìn)行信號(hào)的生成及信號(hào)的輸入輸出，對(duì)于輸入示波器的信號(hào)要采用相應(yīng)的屏蔽措施。測(cè)試系統(tǒng)所有設(shè)備都采用單點(diǎn)接地方式。

二、快速放電通道的高速拍攝

在通常的試驗(yàn)中，六氟化硫氣體放電通道形成時(shí)間較短，在10～100ns之內(nèi)，整個(gè)過(guò)程速度非常快，通常的記錄方式無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確地拍攝整個(gè)放電過(guò)程。因此為了對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行記錄，本次實(shí)驗(yàn)利用高速相機(jī)進(jìn)行拍攝。

（一）基本原理

高速相機(jī)分為鼓輪式高速相機(jī)、光學(xué)補(bǔ)償式光學(xué)相繼等。本次實(shí)驗(yàn)所采用的是變像管高速相機(jī)，它的基本原理是利用變像管當(dāng)做圖像轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)等[5]。被變像管高速相機(jī)所記錄的物體會(huì)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在光陰極上城鄉(xiāng)，并將這樣的圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像，利用加速、通斷等方式對(duì)電子束進(jìn)行控制，通過(guò)將電子束沖擊熒光屏，能夠獲取可見(jiàn)光圖像。

在進(jìn)行記錄的過(guò)程中，可以選擇變像管上不同類型的光陰極，使其能夠通過(guò)紫外線、應(yīng)地紅外線等波段進(jìn)行光學(xué)圖像的輸入。相比其他高速相機(jī)，變像管高速相機(jī)對(duì)時(shí)間的分辨能力好，光增益高，在圖像的傳輸過(guò)程中失真少，并且其圖像處理系統(tǒng)能夠?qū)D像進(jìn)行自動(dòng)處理。

（二）同步觸發(fā)與延時(shí)

六氟化硫氣體由于其放電通道形成時(shí)間短，其放電過(guò)程非常迅速，捕捉起來(lái)非常困難。因此要保證高速相機(jī)能夠?qū)ζ浞烹娺^(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄，需要對(duì)其拍攝啟動(dòng)過(guò)程和放電過(guò)程進(jìn)行同步，而要做到同步進(jìn)行就需要同步觸發(fā)與延時(shí)裝置。根據(jù)高速相機(jī)觸發(fā)原理，可以從其信號(hào)源角度出發(fā)。能夠?qū)ζ溆|發(fā)的信號(hào)源有兩種，第一是通過(guò)光觸發(fā)，將放電產(chǎn)生的光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并同步將電信號(hào)輸入高速相機(jī)從而觸發(fā);第二是點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)耦合高壓回路所產(chǎn)生的電脈沖觸發(fā)相機(jī)。

在選擇觸發(fā)方式的過(guò)程中，需要考慮兩種觸發(fā)方式的利弊。通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，高速相機(jī)存在延遲時(shí)間，使用光信號(hào)觸發(fā)之后高速相機(jī)的延遲時(shí)間會(huì)造成記錄上的滯后，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行同步，因此在實(shí)驗(yàn)中選擇采取電觸發(fā)的方式。電觸發(fā)的原理在于使用高壓放電脈沖分壓而產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)而觸發(fā)高速相機(jī)，結(jié)合可以調(diào)整時(shí)間的演示系統(tǒng)，將信號(hào)輸送到高速相機(jī)及控制系統(tǒng)，可以對(duì)其啟動(dòng)和圖像處理進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，利用天線耦合主球隙放電產(chǎn)生的電磁波觸發(fā)相機(jī)的方式非常安全可靠[6]，效果理想，但也有缺陷，在波尾擊穿的情況下不能夠準(zhǔn)確地觸發(fā)高速相機(jī)。高速相機(jī)得觸發(fā)信號(hào)要求很高，特別是信號(hào)的上升沿需要在幾納秒之內(nèi)。如果觸發(fā)信號(hào)上升沿過(guò)于緩慢，需要進(jìn)行陡化，進(jìn)行延時(shí)匹配。

三、測(cè)試線路結(jié)果

通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的雷電波與快速震蕩脈沖電壓之間在預(yù)放電情況下的發(fā)光狀態(tài)是不一樣的。在標(biāo)準(zhǔn)的雷電波下，其發(fā)光呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，并且發(fā)光只集中在波頭;在快速震蕩沖擊下發(fā)光狀態(tài)是連續(xù)不斷的，并顯示出周期性特點(diǎn)，其頻率是快速震蕩脈沖電壓的兩倍之多，發(fā)光集中在在波峰與波谷。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是當(dāng)震蕩電壓下降時(shí)，空間電荷形成了反電場(chǎng)，其累積到一定程度會(huì)發(fā)生逆放電現(xiàn)象。從高速相機(jī)所獲取的圖像可以看出，放電通道產(chǎn)生在間隙的中央，并延伸到兩極位置。首先到達(dá)的是陽(yáng)極，隨后到達(dá)陰極。當(dāng)通道延伸到兩極之后，其半徑開始膨脹，出現(xiàn)程度強(qiáng)烈的放電及發(fā)光現(xiàn)象，這符合莖先導(dǎo)機(jī)理。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次研究采用了新的研究方法，利用光電檢測(cè)研究快速震蕩脈沖電壓的作用下六氟化硫氣體的放電形成。這種研究方式在傳統(tǒng)研究方式基礎(chǔ)上有了突破性進(jìn)展，能夠準(zhǔn)確地記錄快速震蕩脈沖電壓的作用下六氟化硫氣體的放電形成的過(guò)程，為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域等提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和證據(jù)。通過(guò)光電檢測(cè)的研究方式發(fā)現(xiàn)，這種研究方式是研究放電過(guò)程有效，可靠的方式之一。通過(guò)光電倍增管與高速相機(jī)所獲得的信號(hào)和圖像可以看出，標(biāo)準(zhǔn)混的雷電波沖擊所產(chǎn)生的的發(fā)光現(xiàn)象與快速震蕩沖擊下的預(yù)放電發(fā)光是不同的，具有連續(xù)和不連續(xù)的區(qū)別，且前者發(fā)光主要集中在波頭，而后者發(fā)光主要在波峰和波谷，并有一定的周期性。因此在負(fù)極性快速震蕩沖擊情況下六氟化硫應(yīng)當(dāng)遵循莖先導(dǎo)機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

王璐，女，40歲，本科，助理工程師。研究方向：電氣設(shè)備高壓試驗(yàn)，單位：國(guó)網(wǎng)湖南電力有限公司湘潭供電分公司。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)湖南電力有限公司湘潭供電分公司）