气体放电灯（精选6篇）
气体放电灯 篇1
0 引言
高强度气体放电灯HID(High-IntensityDischarge Lamps)具有长寿命、高效率、显色效果好等优点,越来越受到人们的重视。HID主要包括高压汞灯(HHL)、高压钠灯(HPS)、金属卤化物灯(MHL)。由于其优良的性能,HID被广泛应用于厂房、道路、广场等场所的照明。虽然HID有优良的工作特性,但是启动却比较困难。有些情况下HID还存在声谐振现象,声谐振一旦产生,灯弧扭曲,灯不能正常工作。因此要求所设计的镇流器必须能够克服声谐振现象。与此同时为了确保HID的正常启动和稳定工作,还需要选择能够产生高压脉冲的启动电路,以及电压电流双闭环的恒功率控制策略。
1 声谐振现象及其抑制
当HID工作在1～500 kHz的频率的时候,在某些频率段上可能发生灯弧不稳定现象,这就是HID特有的物理现象——声谐振[1]。研究表明HID发生声谐振现象要同时满足两个条件:
(1)提供给HID的电场能量中所含的高频能量高于引发声谐振的最低阀值能量。
(2)驱动灯的频率位于产生声谐振的频带上。
当声谐振发生时,会出现明显的光输出波动并伴以电流、电压起伏。严重时会导致电弧熄灭,甚至导致电弧管炸裂。下面是几种常见的抑制声谐振的方法。
1)超高频工作法指电子镇流器的工作频率高于500 k Hz。使频率超出发生声谐振的频带范围,从而抑制了声谐振的发生。这种方法的优点是电子镇流器的功率密度很高。缺点是开关管的损耗严重,使得电子镇流器的整机效率很低。
2)高频方波工作法指电子镇流器输出理想的高频方波。理想的高频方波不含有高频谐波,不满足发生声谐振的条件2,从而达到克服声谐振的目的。但是实际电路中不存在理想的方波,输出波形的高频谐波能量极易超过引起声谐振的阀值能量,声谐振很难抑制。
3)低频方波工作法指电子镇流器工作频率在1 kHz以下。使工作频率低于声谐振频带范围,所以可以避免声谐振发生。采用低频方波方案的优点是控制简单,镇流器工作可靠稳定,因此在目前的HID用电子镇流器中应用比较广泛。
2 恒功率控制
HID的控制不同于传统的荧光灯,其难点在于对其启动过程的控制。HID的启动过程运行特性如图1所示。当HID被击穿后,HID将呈现负阻状态,其特性如图2所示,此时若不对电流加以控制将造成电流过大烧毁HID;当灯两端电压逐渐上升到稳态电压之后,恒功率控制将保证HID工作在额定功率下[2,3,4,5],可以有效地延长灯的使用寿命。
实现恒功率控制一般有两种方式,一种是采用传统的模拟控制方式,另一种是采用数字控制方式。下面分别从模拟和数字两个方面来说明恒功率控制的实现。
2.1 模拟恒功率控制
图3所示为模拟恒功率控制的一种方式。通过R1、R3分别对电流电压采样,并进行芯片内部逻辑计算,最后由OUT脚输出控制信号。由于灯功率和灯电压之间关系是一条抛物线曲线,经过调试将HID的工作点设计在抛物线顶点附近,这样当灯电压在一定范围内变化时,就可以实现灯功率近似不变。模拟恒功率控制最大优点是它的实时性好,而且电压、电流的分辨率很高。缺点是控制电路复杂,参数选择困难。
2.2 数字恒功率控制
数字恒功率控制框图以三级镇流器为例如图4所示。基本思路是通过采集HID电流和电压信号,然后经过单片机CPU处理计算与给定值比较,输出合适的控制信号达到恒功率控制的目的。数字恒功率控制的优点是所需外围器件少,相对模拟控制来说电路简单。但是由于受到A/D采样精度和PWM位数的影响,使得其计算数据的准确性不如模拟控制。尽管如此,随着微控制器的性价比的逐渐提高,数字恒功率控制的电子镇流器还是会有很好的发展前景。
3 HID启动策略
HID灯的启动要求电子镇流器提供足够高的开路电压使电弧管击穿,使灯管内的混合气体发生电离,并且能够提供足够的能量使辉光放电转化为弧光放电。HID灯一般有两种启动方式:脉冲启动方式和串联谐振启动方式,与之相对应的是下面两种电路。
3.1 开关脉冲电路
开关脉冲电路如图5所示,其工作原理是在升压变压器原边施加一个几百伏的高压脉冲,瞬间使高压触发管(SIDAC)导通,在变压器副边产生一个几千伏的高压脉冲,用来电离击穿HID管。该电路的优点是可靠性很高;缺点是由于变压器的存在,镇流器的体积很大,效率不高。
3.2 谐振脉冲电路
谐振脉冲电路的工作原理是根据LC谐振理论,利用LC谐振产生的高压启动金卤灯等效电路如图6所示。在灯启动前,灯相当于开路,L、C组成LC串联谐振电路。
输入方波电压VIN如图7所示,进行傅里叶分解,选取某次谐波,使L、C发生谐振,在电容C两端产生一个高电压将灯点燃。
电路的谐振频率为:
谐振脉冲电路的优点是不需要升压变压器,电子镇流器体积较小,成本较低。缺点是由于电路的谐振频率点对电感、电容等参数的变化非常敏感,谐振点较难控制,所以谐振脉冲电路一般需要采用扫频方式实现HID的启动。此外谐振电压越高,谐振电流也往往越大,增加了开关器件的应力。但是随着开关器件性能的不断提高,谐振脉冲电路的应用将越来越广泛。
4 结语
通过对HID镇流器关键技术的研究,发现采用低频方波策略可以有效地抑制HID声谐振现象的发生;采用高压脉冲电路很容易产生高压脉冲启动信号。其中谐振脉冲电路不需要采用变压器,可以大大减小镇流器的体积,是一种不错的选择。最后,通过数字、模拟两种恒功率控制方式的比较,可以看出数字恒功率控制已经成为一种趋势。随着数控技术的不断完善,相信在不久的将来,数控镇流器一定会开拓一片新的市场。
参考文献
[1]Bhosle S,Rouffet J B,Zissis G.Acoustic resonance in high pressure discharge lamps[C]//IEEE Conference on Plasma Science,2003.
[2]Huang C M,Liang T J,Lin R L,Chen J F.Constant power control circuit for HID electronic ballast[C]//Industry Applications Conference,2005Fourtieth IAS Annual Meeting,2005:1193-1197.
[3]Cardesin J,Alonso M,Corominas E L,Calleja A,Ribas J,Rico-Secades M,Garcia J.Low cost power control for LCC series-parallel inverters with resonant current mode control for HID lamps[C]//Power Electronics Specialist Conference,2003:994-999.
[4]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2000.
[5]李志豪,刘卓,刘克富.高可靠性HID灯电子镇流器恒功率控制研究[J].中国照明电器,2009(5):1-4.
气体放电灯 篇2
CISPR 15 (对应的国标GB17743)中明确地规定了照明设备的无线电频率骚扰限值的要求,但只对那些视为成品并计划投放终端用户市场的照明设备作出了规定。例如:灯具、自镇流荧光灯和独立式镇流器。但对打算安装在灯具内的部件没有要求。
气体放电灯镇流器也被装入许多不同型号的灯具。(不仅是不同厂家的灯具,还有同一个厂家的不同型号的灯具)
虽然某种类型灯具的骚扰数据能在配备相同的镇流器和灯管的其他灯具的测量中被预知.但是所有这些灯具仍须进行检测。
这就引出了一个问题,是否设计一个最为恶劣情况下的试验灯具来安装受试镇流器,在这种情况下,若该试验灯具符合相关要求,那么内装该镇流器的所有灯具均符合要求,这样可以避免大量多余的试验。这个想法似乎是正确的、简单的而且是有趣的,但引出了两种意见:
——最恶劣情况的灯具太严格了。预测试表明市场销售的镇流器在最恶劣情况的试验灯具中不能通过某些试验,而在实际灯具中能够通过。
——即使镇流器在最恶劣情况的试验灯具内试验通过了,仍遗留一个问题就是,如果镇流器内装在实际的灯具中不符合标准,由谁来负责。
结论是改变CISPR 15对于灯具国的内装式部件没有发射要求的基本原则是不明智的.
然而,在无线电频谱内必须要有检测镇流器性能的独立试验方法。
CISPR 30规定了单端和双端荧光灯用电子镇流器的电磁发射试验方法(对应的国标GB/T 22148),在CISPR/F/539/DRT技术报告中(项目号CISPR 30-2TREd.1),提出了气体放电灯镇流器的电磁发射试验方法,尽管这还是一个草案方法,但是全世界照明电器的领先企业都在大力推广这一试验方法。
1标准要求
气体放电灯镇流器基准灯具的基本机构为:用厚度为(1±0.5) mm金属平板制成,外形尺寸如图1、图2所示,试用于输出功率不大于150 W的气体放电灯电子镇流器。图1表示Ⅰ类基准灯具,图2表示Ⅱ类基准灯具。
2制作基准灯具
我们依照标准的规格要求,制作了一块气体放电灯用电子镇流器的基准灯具,图3～图5是一些关键的尺寸要求。
3测试数据
根据CISPR 15 (GB17743)《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》的试验要求,对同一镇流器做了一组电源端子骚扰电压的对比试验(CISPR 15条款4.3.1),见图6、图7。
从图6、图7可以看出,用基准灯具后的测试数据和未用基准灯具的测试数据几乎可以认为是2个完全不同产品的测试数据,基本没有什么可比性。
再来看一组辐射电磁骚扰的对比数据,(辐射电磁骚扰30～300 MHz,CDN法,CISPR 15条款4.4.2),见图8、图9。
同样的,用基准灯具后的测试数据和未用基准灯具的测试数据差异非常大,也基本没有什么可比性。
4标准动向
随着气体放电灯镇流器的发展,以后势必会开发出更多的越来越大功率的放电灯电子镇流器新产品。例如目前用得比较多的250 W和400 W高强度气体放电灯用的电子镇流器。笔者认为,150 W以上的基准灯具完全可以根据不大于150 W放电灯用基准灯具拓展,只要将光源腔的位置加长到适合放大功率的放电灯即可,如250 W的基准灯具见图10。
5结束语
尽管基准灯具不是一个最恶劣情况的灯具,基准灯具的使用不能准确反映实际灯具的性能。内装受试镇流器的灯具,不能满足CISPR15的要求。但是,规定了基准灯具、规定了试验方法,对于新产品的开发测试,对于各实验室之间的比对试验,都是有很大好处的。基准灯具大大减低了灯具内部结构和走线对镇流器性能的影响。对不同的镇流器规定不同的基准灯具,势必也是未来标准制定的方向之一。
摘要：介绍了CISPR/E/539/DRT技术报告中对气体放电灯镇流器的电磁发射试验方法,并对使用基准灯具和未使用基准灯具的镇流器进行了对比试验。
关键词：CISPR 30,气体放电灯镇流器,基准灯具,电磁发射试验方法
参考文献
[1]CISPR 15(GB17743).电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法[S].
[2]CISPR 30(GB/T22148).单端和双端荧光灯用电子镇流器的电磁发射试验方法[S].
陶瓷气体放电管特性及应用 篇3
陶瓷气体放电管的主要应用是瞬间过压时的保护作用, 除此之外, 还在点火时也会有所应用。相比于其他类型的放电管设备, 陶瓷气体放电管两极间电容更低, 对于冲击电流的耐受性能更好, 且具有高阻抗的特性, 这都是普通放电管所不具备的性能, 可见陶瓷气体放电管是一类性能较为优越的放电管设备。
当通电线路在遭遇雷击等状况下出现瞬时突变高压状况时, 设备的放电管将被击穿, 其阻抗瞬间由原有的高值降低, 短时内呈现几乎线路短路的状态。此时, 陶瓷气体放电管可将过大的电流进行放泄, 即通过设备中的线路接地或者原有的回路泄出电流, 从而使得瞬间升高的电压下降到某一安全的低值, 保证电路中电流、电压均控制在较为合理的范围之内, 从而在瞬时高压状况之下对线路及线路中的各个设备起到了保护作用。陶瓷气体放电管的电压限制作用将一直持续到线路瞬时高压消失, 此后, 气体放电管将快速的重新恢复到其所固有的高电阻状态, 以使得线路可以恢复其正常的工作状态。
1 陶瓷气体放电管工作原理
陶瓷气体放电管在使用过程中其基本原理相对简单, 为气体放电, 即特殊情况下设备间气体通过放电使得原有的陶瓷气体放电管由断路状态转换为短路的工作状态, 将额余电流释放, 从而保持电路的电压、电流稳定状态, 实现其正常的运作。目前实际应用中较为常见的陶瓷气体放电管其击穿电压通常不低于数百伏, 部分可达千余伏乃至更高。正常状态下, 放电管电阻率很高, 电容较小, 设备处于断路状态。一旦线路在某种特定状况之下出现瞬时高压, 且该高压达到陶瓷气体放电管的脉冲击穿电压, 此时, 放电管两极之间的电场强度亦将迅速增强, 并超过间隙间惰性气体的击穿强度, 从而引发间隙放电现象。放电管内原有的惰性气体一旦发生电离, 则放电管将由原始的断路状态变为通路, 加之不存在用电器, 故整个电路呈现几乎短路的状态。此种状况之下, 线路中所通过的电流极大, 电流通过接地线路被泄放出原有电路, 从而保证与陶瓷气体放电管串联的原有的设备所流经的电流保持在某一较为稳定的低值状态, 避免受到瞬时高压及瞬时过大电流的破坏, 从而实现了陶瓷气体放电管的线路保护作用。
2 陶瓷气体放电管的特性分析
陶瓷气体放电管是目前使用范围较为广泛的一类放电管设备, 相比于其他类型的放电管, 其具备显著的优越性能, 同时亦存在自身的不足之处。
2.1 陶瓷气体放电管优越性分析
陶瓷气体放电管绝缘电阻要高于其他普通类型的放电管, 其电阻通常为109Ω以上, 同时, 此类放电管的两极之间电容较小, 通常小于3p F, 而一旦形成通路, 则其电容量又大于普通放电管。这些特性使得陶瓷气体放电管在实际工作过程中对于瞬时高压的捕捉更为高效、敏感, 电流的泄放过程较之普通放电管而更为彻底, 避免了电流漏放等现象。由此可见, 陶瓷气体放电管对线路的保护性能更为优越。
2.2 陶瓷气体放电管不足性分析
受设备组构影响, 陶瓷气体放电管同时存在着一系列的不足之处, 其不足之处主要表现在对击穿电压进行瞬时高压分散的过程中。由于陶瓷气体放电管的结构局限性, 导致线路在出现瞬时过压状况时, 放电管对其实现高压分散的过程中难以做到充分、彻底, 会出现约达20%的电压分散误差。此外, 气体放电过程不够敏捷是此类型放电管的另一弊端。当线路出现过压状况时, 陶瓷气体放电管必须有一定的反应时长, 该时长通常为0.1~0.2μs, 此后方能实施保护。上述弊端导致陶瓷气体放电管在实际应用中的可靠性大大降低, 成为其亟待完善之处。
除此之外, 陶瓷气体放电管受材料类型所限, 其在接受冲击的过程中设备损伤率较高, 容易发生设备老化, 影响放电效果。故设备寿命较短, 成为陶瓷气体放电管的又一显著局限。
3 陶瓷气体放电管的应用分析
陶瓷气体放电管应用领域较为广泛, 在室外分线盒的过压保护、通讯设备线路保护、空调大功率保护、电源保护、信号防护等多个领域均可起到相应作用。
在线路保护方面, 陶瓷气体放电管主要适用于给类电压较低电器电源、插线、空气开关等的雷暴天气防雷工作, 同时也可以起到对于潜水泵、电气系统、各类传动设备等的浪涌电压的保护作用。
在信号保护方面, 陶瓷气体放电管主要可以应用于各类通讯网络的信号保护, 如电话、传真机、网线、移动通讯设备等等。选用气体放电管中的微型管与中小通流容量的组合设备, 可以对上述设备起到较好的信号保护作用。
总之, 陶瓷气体放电管性能优越, 线路保护性能好, 是目前线路防雷等任务中十分常用的放电管类型。其适用领域广泛, 应用效果好, 在各相关行业内收到越来越广泛的应用。因此, 必须不断加强对陶瓷气体放电管的研发投入, 更加深入的掌握该类型放电管的特性以及其在实际应用中的各注意事项, 同时不断开发其新属性、新性能, 实现设备升级, 并最终将其更好的投入到线路保护工作之中。
参考文献
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[4]姚学玲, 杜志航, 杨志豪, 等.气体放电管直流击穿电压测量技术的研究[J].西安交通大学学报, 2012, 10:1-7.
均匀电场中气体放电过程的分析 篇4
设外界游离素在阴极表面辐照出一个电子, 这个电子由于受到电场力的作用而向阳极方向运动, 运动过程会频繁的与气体分子发生碰撞, 其中一些碰撞可能导致分子的电离, 得到一个电子和一个正离子。在电场的作用下新电子和原有电子会继续向前运动, 与气体分子碰撞又能引起新的电离过程, 电子数目成倍增加像雪崩一样发展, 因而称之为电子崩。如图1 所示:
2 低气压、短间隙下的气体放电
2.1自持放电与非自持放电
非自持放电是指放电过程必须依赖于外界游离因素, 一旦撤掉外界游离因素放电便停止。反之, 撤掉外界游离因素放电仍能继续发展, 这时放电即达到自持阶段。随着外加电压的增加, 放电都是逐渐发展的, 都是由非自持放电转入自持放电。放电达到自持的条件为:
2.2汤逊理论
低气压、短间隙的放电过程可以用汤逊理论来解释, 此时指δ•d<0.26cm的情况 (δ指气体的相对密度, d指间隙的距离) 。当外施电压足够高时, 气体中会发生强烈的游离过程, 使气体中的自由电子数和正离子数按几何级数增加, 即出现电子崩。由于正离子的体积和质量相对较大, 其平均自由程比电子要小得多, 所以很难发生碰撞游离。但如果场强足够强, 因碰撞游离而产生的新的正离子在电场作用下向阴极运动, 并撞击阴极, 如果至少能从阴极表面释放出一个有效电子, 以弥补原来那个由于外界游离因素产生电子崩并进入阳极的电子, 则放电达到自持放电, 这就是汤逊放电理论的叙述过程。
3 高气压、长间隙下的气体放电
当 δ 与d的乘积较大时, 有一些现象用汤逊理论就解释不清楚了, 比如放电时间、阴极材料的影响、放电外形等。针对汤逊放电理论的不足, 1940 年左右, H. Raether及Loeb、 Meek等人提出了流注 (Streamer) 击穿理论, 从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷, 能有效地解释高气压下, 如大气压下的气体放电现象, 使得放电理论得到进一步的完善。
3.1 流注的形成条件
形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后, 电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变, 大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大, 所以复合过程频繁, 放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。3.2 流注自持放电条件 (即形成流注的条件)
流注的形成需要初崩头部的电荷达到一定的数量, 使电场发生足够的畸变和加强, 并造成足够的空间光游离。一般认为, 当 αd ≈ 20或eαd≈ 108即可满足上述条件, 使流注得以形成, 而一旦形成流注放电便转入自持。
4 汤逊放电理论与流注放电理论的比较
汤逊理论的实质为气体放电的主要原因是电子碰撞游离, 二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子, 逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。流注理论认为形的必要条件是电子崩发展到足够的程度后, 电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。
注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式, 且有时火花通道呈曲折形, 又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间, 再如为何击穿电压与阴极材料无关。两种理论各适用于一定条件的放电过程, 不能用一种理论取代另一种理论。
摘要：在自然界中, 气体放电是一种很普遍的自然现象。干燥气体通常是良好的绝缘体, 但当气体中存在自由带电粒子时, 它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压, 就有电流通过气体, 这个现象称为气体放电。气体放电与电场的形式、电压的种类及大气条件等因素有关, 本文主要分析均匀电场中低气压、短间隙和高气压、长间隙的放电过程, 同时对两种放电理论加以阐述和比较。
关键词：电子崩,汤逊理论,流注理论
参考文献
[1]张红.高电压技术[M].北京:中国电力出版社, 2006
[2]严璋, 朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社, 2007
气体放电灯 篇5
1 气体放电管物理结构和原理
气体放电管物理结构如图1所示, 气体放电管的工作原理是气体放电。当两极间的电压足够大时, 极间间隙将被击穿放电, 由原来的绝缘状态转化为导电状态, 类似短路。导电状态下两极间维持的电压很低, 一般在20~50V之间, 因此可以起到保护后级电路的效果。
气体放电管的工作过程可以由图2表示, 当气体放电管两端电压上升到击穿电压时, 放电管击穿进入辉光放电区, 电压维持在辉光电压附近, 随着电流上升到超过弧光转换电流, 放电管进入弧光放电区, 放电管通过电流激增, 电压降低到弧光电压, 随着电压降低到熄弧电压, 放电管恢复到高阻状态, 完成一次放电过程。
2 搭建气体放电管仿真模型
基于上述气体放大管的电气特性, 利用Cadence软件搭建气体放电管Pspice模型如图3。该模型考虑的参数有:直流击穿电压 (90V) ;脉冲击穿电压 (<300V@100V/us、<350V@1k V/us) ;辉光电压 (60V) ;弧光电压 (15V) ;熄弧电压 (20V) ;弧光转换电流 (500m A) ;绝缘电阻 (1G欧) ;间隙电容 (1p F) 。
电路中, 端口1、2代表气体放电管的两极, C1代表间隙电容, R5代表绝缘电阻, E2为60V稳压, E4为15V稳压, R4为放电管击穿电阻。
电路工作时, E1取端口1、2电压差的绝对值, S4根据该压差断开或导通, 设置S4合理的Ron和ROFF使其对C2的充电用于模拟直流击穿和脉冲击穿的响应时间。S1设置为90V导通, 当S1导通时, R4接入到电路中, 此时S2也导通, 电路稳压在60V, 随着流过R4的电流增大, 当大于弧光转换电流时S3导通, 电路稳压到15V上, 当电压降低到熄弧电压, 放电管恢复绝缘状态。
3 气体放电管仿真结果
3.1 直流击穿仿真
在仿真模型两端施加50Hz, 幅度100V的交流电, 其仿真结果如图4所示, 可以看到在电压上升到90V时, 气体放电管击穿, 进入辉光区, 电压稳定在60V, 当电流超过弧光转换电流后进入弧光放电区, 电压稳定在15V, 当电压低于20V时, 放电管恢复到绝缘状态。
3.2 脉冲击穿仿真
对于一个400V的8/20us冲击波形 (电压上升率约100V/us) 进行仿真, 其结果如图5, 在约3us时电压冲击到270V左右放电管导通, 电压稳定在15V, 与器件参数一致。
对于一个4k V的8/20us冲击波形 (电压上升率约1k V/us) 进行仿真, 其结果如图6, 在约0.5us时电压冲击到340V左右放电管导通, 电压稳定在15V, 与器件参数一致。
4 结论
该模型仿真结果与器件参数特性一致性较好, 能够用于器件的电路仿真, 可以满足使用要求, 但该模型未考虑温度对放电管的影响。该模型也可以通过修改参数, 适用于其它参数的气体放电管。
参考文献
[1]田家波, 于月东, 彭晨, 杜志航.基于PSPICE的半导体放电管仿真模型的建立[J].南京信息工程大学学报, 2010 (04) .
[2]薛红兵, 段平, 张广春.气体放电管在浪涌抑制电路的应用[J].电源技术应用, 2002 (08) .
气体放电灯 篇6
关键词：预放电,光电倍增管,分幅式高速相机,六氟化硫放电特性,快速振荡冲击电压
由于六氟化硫 (SF6) 具有优异的绝缘性能和物理化学性质, 它被广泛用于在气体绝缘高压封闭组合电器 (GIS) 。现场测试和仿真结果表明, GIS开关操作VFTO的幅度非常快速, 其次是高频振荡的快速暂态过电压 (VFTO以下简称) 在GIS波波头, 虽然不高, 一般小于2.5PU, 而是因为它导致GIS的事故发生率比事故发生率的影响下, 雷电波和操作冲击下的试过率很高。因此, 研究快速暂态过电压6SF6击穿特性和机理, 进一步完善GIS系统的可靠性具有重要意义。在对VFTO作用下的6SF6气体间隙击穿机理研究的行动中, 传统的方法是一些宏观参数 (如击穿电压, 击穿时间延迟等) 进行测定, 但它是非常困难的, 有一个更好的理解, 由于气体放电发光现象, 新的检测方法, 光电检测方法的诞生, 可以产生电子雪崩的现像, 流动到先导和通道形成过程的研究。在对放电进行光电检测的时, 应该解决的困难是:初始电离发射的光信号是非常弱的, 使用普通的光电器件是很难察觉;放电通道形成在很短的时间, 为10纳秒到几十纳秒, 那么快的时间内, 光信号捕捉是非常困难的。为此, 分别使用上的预放电和放电通道的形成过程中发射的光由光电检测的光电倍增管和高速摄影机。
1 预放电的光电检测
为检测预放电时所发出的微弱光信号, 采用光电倍增管进行光电检测。
1.1 系统组成
光电倍增管 (PMT) 是检测紫外线, 可见光和近红外辐射的电真空微弱的光检测装置, 其优点如下:高增益 (103~108) , 低噪音, 强抗干扰能力强, 良好的线性度, 响应速度快 (上升时间一般为1到几十个的IS) 。PMT模型:408 GDB, 光谱响应范围为170~850IM, 增益为105, 脉冲上升时间小于15IS。
1.2 干扰抑制措施
在实验室中, 使用Marx发生器, 锐化差距, 波调制的电感和电容的可调波以产生快速振荡脉冲电压 (以下简称为FOI) , 以模拟在VFTO。在政府信息公开, 隔离球的差距, 锐化间隙放电会产生强大的电磁辐射, 严重干扰预放电过程中的光电检测, 因此, 我们必须采取一系列的措施, 以防止干扰。
首先, 检测电路, 电源供应器 (光电倍增管和数字示波器电源) 由隔离变压器供电, 并采取接地屏蔽措施, 数字示波器被放置上的金属屏蔽盒中, 示波器的干扰, 以防止放电。
其次, 通过双重屏蔽电缆连接, 从信号生成用示波器的光电倍增管的输出信号, 传输到示波器的输入应该采取有效的屏蔽, 整个测量系统中使用单点接地模式。
2 快速放电通道的高速拍摄
我们通过传统的试验可以知道六氟化硫气体中的放电通道形成时间只有十几纳秒到几十纳秒, 为拍摄到如此快的过程, 采用高速相机对放电通道进行拍照。
2.1 高速拍摄的基本原理
根据行业标准高速相机可分为:间歇式高速相机、光学补偿式高速相机、鼓轮式高速相机、转镜式高速相机、变像管高速相机等。在此采用的高速相机为变像管高速相机。变像管高速相机以变像管作为基本的图像转换器件, 其组成一般包括输入输出光学系统、变像管、控制和图像数据处理系统。
被摄物体经光学系统成像在变像管的光阴极上, 将光学图像转变为电子图像, 通过电磁场
对电子束进行加速、聚焦、通断、偏转等控制以后, 电子束轰击荧光屏, 重又获得可见光图像。
我们在试验的过程中, 选择不同类型的光阴极, 可使变像管响应红外、可见光、紫外和射线等不同波段的输入光学图像。与其他类型的相机相比, 变像管相机的优点是时间分辨能力强、光增益高、传输图像过程中的光能损失少和图像数据处理容易实现自动化等。所用的分幅式高速相机的分幅数为6, 分幅速度可人为调节, 最快分幅速度为2.5ns/幅。其硬件主要有变像管高速相机、变焦透镜、耦合透镜、摄像头、计算机控制系统、图像采集卡、触发和延时系统构成。
2.2 同步触发与延时的实现
我们都知道, 六氟化硫气体中的放电是一个极快的过程, 为了使高速相机能捕捉到该过程, 要求高速相机的拍摄启动与放电过程要严格同步, 这就需要一同步触发和延时装置。
对高速相机进行触发的信号源有种:
一种为光触发, 即将放电所发出的光转化为电信号去触发高速相机;
另一种为电触发, 靠耦合高压回路所产生的放电脉冲去触发高速相机。
由于高速相机存在固有延迟时间 (由触发输入到拍摄启动) , 这一延迟时间约为十几纳秒, 故利用光信号进行触发时往往会导致高速相机对放电拍摄的启动滞后。
所以采用电触发的方式, 触发信号的产生是利用高速响应分压器对主放电间隙放电时所产生的高压放电脉冲进行分压而获得, 并通过时间可调的延时系统, 分别送给高速相机和计算机控制系统, 以实现对拍摄的启动和拍摄后的数据处理。在实验时发现, 利用天线耦合主球隙放电所产生的空间电磁波去触发高速相机也是一种既安全又理想的触发方式, 其缺点是对发生在波尾的击穿不能实现有效触发。高速相机对触发信号的上升沿有较严格的限制, 要求其上升沿在几纳秒以内, 触发电平为左右。如果原触发信号上升沿过缓时, 还需对其采用数字电路进行陡化, 同时要进行精确的延时匹配。
3 测试线路及测试结果
标准雷电波与FOI下预放电的发光是完全不同的。在雷电波下发光是不连续的, 且只在波头附近发生;而在快速振荡冲击下发光是连续的, 发光呈一定周期性, 其频率为FOI振荡波频率的2倍, 发光最大值分别对应振荡波的波峰和波谷处。出现此现象的原因可解释为:在振荡波的波峰处, 开始形成流注电晕, 并积累一定的空间电荷。当振荡电压下降时, 空间电荷形成反电场, 当反电场达到一定程度后形成逆放电。由高速相机拍摄的放电分幅图像可看出, 放电通道先在间隙的中间产生, 并向两极延伸, 通道先到达阳极, 然后向阴极发展, 当通道贯穿两极后, 通道半径开始膨胀, 形成较大的放电发光, 这一放电过程与茎先导机理是一致的。
4 结论