一種vfto下高溫氣體擊穿特性檢測裝置及方法
【專利摘要】一種VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置及方法，該裝置實現(xiàn)VFTO條件下氣體擊穿過程的檢測，包括氣體封閉室、加熱單元、放電單元、光譜儀、測溫儀、氣體充放與回收單元、電壓源、VFTO產生單元、電流表和計算機；該方法從微觀的角度檢測氣體的擊穿過程，通過光譜儀測量擊穿過程中的光強和波長，得到擊穿過程中的粒子溫度，并進一步得到粒子的粘性系數、電導率、擴散系數；且根據VFTO下粒子碰撞的特點，對玻爾茲曼方程的碰撞項進行了修正。
【專利說明】—種VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體放電領域，具體涉及一種VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]氣體、液體和固體電介質在直流、工頻交流等常規(guī)條件下?lián)舸┨匦砸呀涍M行了相當多的研究工作，近年來，極端條件下的電介質絕緣性能以及不同形式和條件的氣體放電規(guī)律等引起了國內外廣泛關注。在超特高壓GIS(Gas Insulated Switchgear,全封閉組合電器)，隔離開關操作時由于重燃頻率高，會產生幾十MHZ的VFT0(Very Fast TransientOver-voltages,快速暫態(tài)過電壓)，危害開關的開斷性能。因此，對于VFTO條件下氣體擊穿過程的研究具有重要意義，然而，目前對于VFTO條件下氣體擊穿特性的檢測手段還不完善。在VFTO條件下氣體擊穿過程中等離子體的狀態(tài)往往是非離平衡態(tài)的，應考慮粒子間的碰撞過程，需要用非玻爾茲曼分布函數來描述，并且由于VFTO的頻率極高，擊穿過程中粒子間的碰撞與工頻電壓下粒子間的碰撞存在差異，原有的玻爾茲曼碰撞模型無法適用這種極端情況。

【發(fā)明內容】

[0003]針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提供了一種VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置及方法。
[0004]本發(fā)明的技術方案:
[0005]一種VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，包括:
[0006]氣體封閉室、加熱單元、放電單元、光譜儀、測溫儀、氣體充放與回收單元、電壓源、VFTO產生單元、電流表和計算機；
[0007]所述氣體封閉室為封閉的圓柱桶形結構，采用絕熱的透明材料，用于盛裝氣體；
[0008]所述加熱單元包括電阻絲和陶瓷片；所述電阻絲安裝在氣體封閉室內腔底部位置上；所述陶瓷片鋪設在電阻絲表面上；
[0009]所述放電單元包括陽極電極板和陰極電極板；所述陽極電極板和陰極電極板分別安裝在氣體封閉室內腔壁的中間位置上，且陽極電極板和陰極電極板相對放置；
[0010]所述光譜儀的探頭插入到氣體封閉室內腔中并置于陽極電極板和陰極電極板之間，光譜儀的輸出端連接計算機的一個輸入端；
[0011]所述測溫儀安裝在氣體封閉室內腔頂部位置上；
[0012]所述氣體充放與回收單元通過氣管與氣體封閉室內腔連通；
[0013]所述電壓源的兩個輸出端分別連接電阻絲的兩個接線端；
[0014]所述VFTO產生單元包括脈沖觸發(fā)器組、脈沖發(fā)生器組和VFTO合成電路；所述脈沖觸發(fā)器組包括多個脈沖觸發(fā)器；所述脈沖發(fā)生器組包括多個脈沖發(fā)生器；所述脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器的輸入端分別與所述計算機的不同輸出端連接；所述脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器的輸出端分別與脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器的輸入端連接；所述脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器的輸出端分別連接VFTO合成電路的各個輸入端，VFTO合成電路的輸出端作為VFTO產生單元的輸出端通過電流表與陽極電極板和氣體封閉室的連接端相連接；所述VFTO產生單元的零電位端與陰極電極板和氣體封閉室的連接端相連接；
[0015]所述電阻絲用于對氣體封閉室中的氣體進行加熱；所述陶瓷片用于對電阻絲加熱時產生的金屬蒸汽與被測氣體之間進行隔離；
[0016]所述放電單元的陽極電極板和陰極電極板之間的間距可調節(jié)；
[0017]所述光譜儀用于測量氣體等離子體產生的光譜的強度以及光譜的波長并將測得的光譜的強度以及光譜的波長傳送至計算機；
[0018]所述電壓源用于為電阻絲供電，使電阻絲發(fā)熱；所述測溫儀用于測量被加熱氣體的溫度；
[0019]所述氣體充放與回收單兀用于氣體封閉室的充氣和抽真空處理；
[0020]所述計算機用于接收光譜儀發(fā)送的氣體等離子體產生的光譜的強度和光譜的波長并計算出等尚子體內的各種粒子溫度及氣體擊穿過程中各種粒子的分布且根據氣體擊穿過程中各種粒子的分布函數分別計算出粒子的擴散系數、粒子的電導率和粒子的粘滯系數，并用于仿真獲得VFT0，且將獲得的VFTO分解為多個不同周期的納秒級脈沖信號并分別發(fā)送給VFTO產生單元的脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器；
[0021]所述脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器用于分別控制脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器的輸出頻率；所述脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器用于分別產生所需頻率的脈沖信號；
[0022]所述VFTO合成電路用于分別對脈沖信號發(fā)生器組中的各個脈沖信號發(fā)生器產生的脈沖信號進行幅值調節(jié)，并對幅值調節(jié)后的各個脈沖信號進行疊加處理和相位調節(jié)處理后輸出所需的VFTO ；
[0023]采用所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置進行VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測的方法，包括如下步驟:
[0024]步驟1:調節(jié)陽極電極板和陰極電極板之間的間距，達到所需值；
[0025]步驟2:氣體充放與回收單元對氣體封閉室進行抽真空處理；
[0026]步驟3:氣體充放與回收單元向氣體封閉室內充入所需壓強的氣體；
[0027]步驟4:電壓源對電阻絲供電；
[0028]步驟5:測溫儀測量氣體封閉室內氣體溫度；
[0029]步驟6:判斷氣體封閉室內氣體溫度是否達到目標溫度，是，則執(zhí)行步驟7，否，則轉去執(zhí)行步驟4 ；
[0030]步驟7:關閉電壓源，停止向電阻絲供電；
[0031]步驟8 =VFTO產生單元同時對陽極電極板和陰極電極板加載VFTO ；
[0032]步驟9:光譜儀測量氣體等離子體產生的光譜的強度以及波長并傳送至計算機；
[0033]步驟10:根據電流表指示值是否發(fā)生變化判斷氣體在VFTO下是否擊穿，若電流表指示值發(fā)生變化，則認為氣體在VFTO下?lián)舸?，轉去執(zhí)行步驟11，若電流表指示值未發(fā)生變化，則認為氣體在VFTO下未擊穿，轉去執(zhí)行步驟9 ；[0034]步驟11:氣體充放與回收單元對氣體封閉室進行抽真空處理；
[0035]步驟12:計算機根據接收到的氣體等離子體產生的光譜的強度和波長計算出等離子體內的各種粒子溫度；
[0036]步驟13:計算機根據氣體等離子體內的各種粒子溫度計算出氣體擊穿過程中各種粒子的分布，得到氣體擊穿過程中各種粒子的分布函數；
[0037]氣體擊穿過程中各種粒子的分布由玻爾茲曼方程式(I)獲得，
【權利要求】
1.一種VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于:包括: 氣體封閉室、加熱單元、放電單元、光譜儀、測溫儀、氣體充放與回收單元、電壓源、VFTO產生單元、電流表和計算機； 所述氣體封閉室為封閉的圓柱桶形結構，采用絕熱的透明材料，用于盛裝氣體； 所述加熱單元包括電阻絲和陶瓷片；所述電阻絲安裝在氣體封閉室內腔底部位置上；所述陶瓷片鋪設在電阻絲表面上； 所述放電單元包括陽極電極板和陰極電極板；所述陽極電極板和陰極電極板分別安裝在氣體封閉室內腔壁的中間位置上，且陽極電極板和陰極電極板相對放置； 所述光譜儀的探頭插入到氣體封閉室內腔中并置于陽極電極板和陰極電極板之間，光譜儀的輸出端連接計算機的一個輸入端； 所述測溫儀安裝在氣體封閉室內腔頂部位置上； 所述氣體充放與回收單元通過氣管與氣體封閉室內腔連通； 所述電壓源的兩個輸出端分別連接電阻絲的兩個接線端； 所述VFTO產生單元包括脈沖觸發(fā)器組、脈沖發(fā)生器組和VFTO合成電路；所述脈沖觸發(fā)器組包括多個脈沖觸發(fā)器；所述脈沖發(fā)生器組包括多個脈沖發(fā)生器；所述脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器的輸入端分別與所述計算機的不同輸出端連接；所述脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器的輸出端 分別與脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器的輸入端連接；所述脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器的輸出端分別連接VFTO合成電路的各個輸入端，VFTO合成電路的輸出端作為VFTO產生單元的輸出端通過電流表與陽極電極板和氣體封閉室的連接端相連接；所述VFTO產生單元的零電位端與陰極電極板和氣體封閉室的連接端相連接。
2.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于:所述電阻絲用于對氣體封閉室中的氣體進行加熱；所述陶瓷片用于對電阻絲加熱時產生的金屬蒸汽與被測氣體之間進行隔離。
3.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于:所述放電單元的陽極電極板和陰極電極板之間的間距可調節(jié)。
4.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于:所述光譜儀用于測量氣體等離子體產生的光譜的強度以及光譜的波長并將測得的光譜的強度以及光譜的波長傳送至計算機。
5.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于:所述電壓源用于為電阻絲供電，使電阻絲發(fā)熱；所述測溫儀用于測量被加熱氣體的溫度。
6.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于:所述氣體充放與回收單元用于氣體封閉室的充氣和抽真空處理。
7.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于: 所述計算機用于接收光譜儀發(fā)送的氣體等離子體產生的光譜的強度和光譜的波長并計算出等離子體內的各種粒子溫度及氣體擊穿過程中各種粒子的分布且根據氣體擊穿過程中各種粒子的分布函數分別計算出粒子的擴散系數、粒子的電導率和粒子的粘滯系數，并用于仿真獲得VFT0，且將獲得的VFTO分解為多個不同周期的納秒級脈沖信號并分別發(fā)送給VFTO產生單元的脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器。
8.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于:所述脈沖觸發(fā)器組中的各個脈沖觸發(fā)器用于分別控制脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器的輸出頻率；所述脈沖發(fā)生器組中的各個脈沖發(fā)生器用于分別產生所需頻率的脈沖信號。
9.根據權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置，其特征在于: 所述VFTO合成電路用于分別對脈沖信號發(fā)生器組中的各個脈沖信號發(fā)生器產生的脈沖 信號進行幅 值調節(jié)，并對幅值調節(jié)后的各個脈沖信號進行疊加處理和相位調節(jié)處理后輸出所需的VFT0。
10.采用權利要求1所述的VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測裝置進行VFTO下高溫氣體擊穿特性檢測的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:調節(jié)陽極電極板和陰極電極板之間的間距，達到所需值； 步驟2:氣體充放與回收單元對氣體封閉室進行抽真空處理； 步驟3:氣體充放與回收單元向氣體封閉室內充入所需壓強的氣體； 步驟4:電壓源對電阻絲供電； 步驟5:測溫儀測量氣體封閉室內氣體溫度； 步驟6:判斷氣體封閉室內氣體溫度是否達到目標溫度，是，則執(zhí)行步驟7，否，則轉去執(zhí)行步驟4 ； 步驟7:關閉電壓源，停止向電阻絲供電； 步驟8 =VFTO產生單元同時對陽極電極板和陰極電極板加載VFTO ； 步驟9:光譜儀測量氣體等離子體產生的光譜的強度以及波長并傳送至計算機； 步驟10:根據電流表指示值是否發(fā)生變化判斷氣體在VFTO下是否擊穿，若電流表指示值發(fā)生變化，則認為氣體在VFTO下?lián)舸D去執(zhí)行步驟11，若電流表指示值未發(fā)生變化，則認為氣體在VFTO下未擊穿，轉去執(zhí)行步驟9 ； 步驟11:氣體充放與回收單元對氣體封閉室進行抽真空處理； 步驟12:計算機根據接收到的氣體等離子體產生的光譜的強度和波長計算出等離子體內的各種粒子溫度； 步驟13:計算機根據氣體等離子體內的各種粒子溫度計算出氣體擊穿過程中各種粒子的分布，得到氣體擊穿過程中各種粒子的分布函數； 氣體擊穿過程中各種粒子的分布由玻爾茲曼方程式(I)獲得，
【文檔編號】G01R31/12GK103941166SQ201410165534
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權日:2014年4月23日
【發(fā)明者】李鑫濤, 林莘, 楊壯壯, 曹辰, 徐建源, 張明理 申請人:沈陽工業(yè)大學