快速震荡电压下六氟化硫气体间歇放电光电检测分析

【摘  要】本文对六氟化硫气体在震荡电压下间歇放电利用光电倍增管和分幅式变像管高速相机进行监测。通过实验可以看到，光电检测下快速震荡脉冲在六氟化硫气体放电中有效。可以得出结果，六氟化硫气体在快速震荡下的放电特性和标准雷电波放电特性的影响不用。在负极作用环境及电机作用的快速震荡电压情况下，六氟化硫气体表现出放电的特性。

【关键词】分幅式变像管高速相机;六氟化硫;放电铁兴;快速震荡电压;

六氟化硫气体有着非常优秀的绝缘性和物理化学性质，通常被使用在气体绝缘高压封闭组合电器里。通过测试可以发现，气体绝缘高压封闭组合电器的开关操作中快速暂态过电压的幅度速度非常快，高频震荡的快速暂态过电压在气体绝缘波的波头震荡震荡频率不高，小于2.5PU，但是其在气体绝缘高压封闭组合电器发生的事故率中可以看出，其在雷电波和操作的冲击下试过率很高。这种情况下，快速暂态过电压六氟化硫的击穿特性及机理的研究有助于对气体绝缘高压封闭组合电器系统的完善。对于快速暂态过电压的作用下六氟化硫其他间隙击穿理研究的过程中，通常使用一些宏观参数对其进行测定，不过这样的测定方式操作起来比较复杂和困难。当前在常规研究中所遇到和应当解决的问题有：（1）初始电离电离所发射光信号较微弱，普通光电器材难以察觉;（2）放电通道行程时间较短，难以捕捉其中的光信号。因此，本研究对预防电和放电通道形成过程中发射的光利用光电倍增管和分幅式变像管高速相机进行监测。

一、预放电的光电检测

（一）系统组成

光电増倍管的作用是监测紫外线、近红外辐射和可见光，它的优势在于增益高，噪音少，且有着很强的抗干扰特性，线度性，响应的速度也非常快。光电倍增管模型为408GDB，光谱的响应范围在170～850IM，曾一再105，脉冲上升的时间小于15IS[4]。

（二）干扰抑制措施

在实验的过程中，采用Marx发生器用来锐化其中差距，从而使波调制的电感及电容可调波来形成快速震荡脉冲电压，可以模拟出气体绝缘高压封闭组合电器里的环境。在快速震荡脉冲电压产生之后，主隔离球隙和陡化间隙放电会形成非常强烈的电测辐射，这种情况下会对光电检测的准确性会造成强烈的干扰，因此需要制定相应的干扰抑制措施。首先要对电路情况进行严密的监测，采用隔离变压器对电源供应器进行供电，并对其进行相应的接地屏蔽。此外对于数字示波器，要将其置入金属屏蔽盒之中，作用是防止因为产生的放电现场而对示波器产生干扰现象。然后需要在设备上连接双重屏蔽电缆，采用示波器的光电倍增管进行信号的生成及信号的输入输出，对于输入示波器的信号要采用相应的屏蔽措施。测试系统所有设备都采用单点接地方式。

二、快速放电通道的高速拍摄

在通常的试验中，六氟化硫气体放电通道形成时间较短，在10～100ns之内，整个过程速度非常快，通常的记录方式无法进行准确地拍摄整个放电过程。因此为了对这个过程进行记录，本次实验利用高速相机进行拍摄。

（一）基本原理

高速相机分为鼓轮式高速相机、光学补偿式光学相继等。本次实验所采用的是变像管高速相机，它的基本原理是利用变像管当做图像转换器，内置光学系统、图像处理系统等[5]。被变像管高速相机所记录的物体会经过光学系统在光阴极上城乡，并将这样的图像转换为电子图像，利用加速、通断等方式对电子束进行控制，通过将电子束冲击荧光屏，能够获取可见光图像。

在进行记录的过程中，可以选择变像管上不同类型的光阴极，使其能够通过紫外线、应地红外线等波段进行光学图像的输入。相比其他高速相机，变像管高速相机对时间的分辨能力好，光增益高，在图像的传输过程中失真少，并且其图像处理系统能够对图像进行自动处理。

（二）同步触发与延时

六氟化硫气体由于其放电通道形成时间短，其放电过程非常迅速，捕捉起来非常困难。因此要保证高速相机能够对其放电过程进行准确的记录，需要对其拍摄启动过程和放电过程进行同步，而要做到同步进行就需要同步触发与延时装置。根据高速相机触发原理，可以从其信号源角度出发。能够对其触发的信号源有两种，第一是通过光触发，将放电产生的光转化为电信号，并同步将电信号输入高速相机从而触发;第二是点出发，通过耦合高压回路所产生的电脉冲触发相机。

在选择触发方式的过程中，需要考虑两种触发方式的利弊。通过研究可以发现，高速相机存在延迟时间，使用光信号触发之后高速相机的延迟时间会造成记录上的滞后，不能准确地进行同步，因此在实验中选择采取电触发的方式。电触发的原理在于使用高压放电脉冲分压而产生的触发信号而触发高速相机，结合可以调整时间的演示系统，将信号输送到高速相机及控制系统，可以对其启动和图像处理进行控制。在实验过程中发现，利用天线耦合主球隙放电产生的电磁波触发相机的方式非常安全可靠[6]，效果理想，但也有缺陷，在波尾击穿的情况下不能够准确地触发高速相机。高速相机得触发信号要求很高，特别是信号的上升沿需要在几纳秒之内。如果触发信号上升沿过于缓慢，需要进行陡化，进行延时匹配。

三、測试线路结果

通过测试可以发现，标准的雷电波与快速震荡脉冲电压之间在预放电情况下的发光状态是不一样的。在标准的雷电波下，其发光呈现不连续状态，并且发光只集中在波头;在快速震荡冲击下发光状态是连续不断的，并显示出周期性特点，其频率是快速震荡脉冲电压的两倍之多，发光集中在在波峰与波谷。这种现象产生的原因是当震荡电压下降时，空间电荷形成了反电场，其累积到一定程度会发生逆放电现象。从高速相机所获取的图像可以看出，放电通道产生在间隙的中央，并延伸到两极位置。首先到达的是阳极，随后到达阴极。当通道延伸到两极之后，其半径开始膨胀，出现程度强烈的放电及发光现象，这符合茎先导机理。

结语

综上所述，本次研究采用了新的研究方法，利用光电检测研究快速震荡脉冲电压的作用下六氟化硫气体的放电形成。这种研究方式在传统研究方式基础上有了突破性进展，能够准确地记录快速震荡脉冲电压的作用下六氟化硫气体的放电形成的过程，为工业生产领域等提供了数据基础和证据。通过光电检测的研究方式发现，这种研究方式是研究放电过程有效，可靠的方式之一。通过光电倍增管与高速相机所获得的信号和图像可以看出，标准混的雷电波冲击所产生的的发光现象与快速震荡冲击下的预放电发光是不同的，具有连续和不连续的区别，且前者发光主要集中在波头，而后者发光主要在波峰和波谷，并有一定的周期性。因此在负极性快速震荡冲击情况下六氟化硫应当遵循茎先导机理。

参考文献：

[1]杨玉秋.快速震荡电压下六氟化硫气体间歇放电光电检测[J].黑龙江科技信息，2012，（35）：38.

[2]邱兵，陈庆国.快速震荡电压下六氟化硫气体间隙放电光电检测[J].江苏电机工程，2002，21（3）：4-7.

[3]张北镇，王淦平，宋法伦，等.14级紧凑Marx发生器自击穿建立的分析与实验[J].太赫兹科学与电子信息学报，2019，17（2）：327-331.

[4]张璐，黄国强，吴经锋，等.冲击电压下SF6气体放电的驼峰现象及形成机理[J].高电压技术，2018，44（2）：527-533.

[5]夏亚龙，林莘，徐建源，等.高压六氟化硫断路器触头间动态击穿特性试验研究[J].电工电气，2016，（4）：7-11.

[6]唐超颖.局部放电作用下SF6分解特性研究[D].华北电力大学;华北电力大学（北京），2017.

作者简介：

王璐，女，40岁，本科，助理工程师。研究方向：电气设备高压试验，单位：国网湖南电力有限公司湘潭供电分公司。

（作者单位：国网湖南电力有限公司湘潭供电分公司）