[发明专利]基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统及方法

说明书

一种基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统及方法，属于高电压长间隙放电等离子体诊断技术领域，解决传统莫尔偏折光路中得光栅与放电电极之间存在一定间距，而导致的利用传统莫尔偏折光路进行先导通道莫尔条纹成像误差大的问题；通过在莫尔偏折光路的高压放电电极和朗琦光栅组之间采用由两个相同参数的第一成像透镜、第二成像透镜组成的共轭光学系统，并使先导放电通道成像于朗琦光栅组的参考光栅处，消除了朗琦光栅组对先导放电通道形成和发展过程的干扰，解决了利用传统莫尔偏折光路进行先导通道莫尔条纹成像误差大的问题，可实现长间隙先导放电通道温度的准确测量。

技术领域

本发明属于高电压长间隙放电等离子体诊断技术领域，涉及一种基于莫尔偏折的长间隙先导放电通道温度测量系统及方法。

背景技术

先导放电是长空气间隙放电击穿的主导物理过程，其中正先导放电特性是超/特高压输变电系统操作过电压绝缘配合和地面高目标物雷电防护技术的重要基础。先导通道是由空气分子发生热电离过程而形成的热等离子体，气体温度大小不但是中性粒子平动动能的标志，也是通道中复杂热电离过程参与程度的宏观参数表征。通道温度与电场、电子密度以及电导率等关键参数紧密相关，是决定通道等离子体特性的基础参数。同时通道温度直接影响热传导、热对流等能量耗散速率，在通道形态、尺寸演化过程中起着关键的作用。因此开展先导放电通道气体温度演化规律研究，对于揭示先导放电物理机制和支撑设备绝缘配合、雷电屏蔽设计具有重要的科学意义和工程应用价值。

在实验室正极性长空气间隙放电过程中，通道径向尺寸通常处于亚mm量级，温度径向梯度可达数千K/mm。在电流注入初期，通道处于等容加热过程，通道中心温度时间变化率可达到2000K/初期以上，对测量系统时间分辨能力要求很高；而在流注-先导转化暗区期间，通道中心温度通常仅有数百K，因此需要测量系统具备较高的灵敏度。实验室中先导放电通常持续数十甚至上百微秒，且先导放电通道形成时间和发展路径具有很强的随机性，变化十分复杂，针对长空气间隙先导放电通道温度测量，目前等离子体温度诊断方法难以同时满足非介入、快响应、高灵敏度、高时空分辨率以及时域连续测量的要求。

针对大气压放电通道气体温度的测量，目前主要采用发射光谱、瑞利激光散射等方法，其具有μ对量级空间分辨和ns量级瞬态测量能力等优点；但由于先导通道气体温度呈现快速变化的特征，通道径向温度梯度可达数千K/mm；同时先导放电具有不可重复性，导致上述方法难以应用于先导放电通道温度分布测量。针对长间隙先导放电过程，目前主要是采用长光路的光学流场显示技术实现先导通道温度参数分布非介入式定量重构，主要包括：马赫-曾德(M-Z)激光干涉法、定量纹影法和莫尔偏折法等。其中M-Z激光干涉法是利用条纹成像的方式进行通道参数检测，且条纹偏移量与气体密度变化量绝对值成正相关，而对于暗区通道气体密度变化量很小，同时条纹具有一定的宽度，导致利用M-Z激光干涉法难以完全适用于先导放电通道温度的测量。定量纹影法和莫尔偏折法分别利用图像灰度变化量和条纹偏移量反映光线偏折角大小，且灰度变化量和条纹偏移量均与气体折射率分布的一阶导数正相关，即使在先导放电通道折射率绝对值变化量小，但折射率空间梯度较大更有利于检测。由于定量纹影法是利用纹影图像灰度变化量进行参数反演，而图像灰度变化容易受放电自发光、成像元器件噪声等干扰的影响，且定量纹影系统时间和空间分辨率的提升受LED光源光强限制，导致其在先导放电通道瞬态温度测量领域的应用仍存在一定的局限性。而在莫尔偏折光路中采用激光源作为传感光源，由于激光源发光强度高，在保证条纹图像对比度的前提下可充分提升系统的时间和空间分辨率；同时莫尔偏折技术采用条纹方式成像，整个系统具有很强的抗环境噪声和抗振动的能力，在实现先导放电通道气体瞬态温度测量方面具有较大的应用前景。