若要产生电弧, 首先得起晕, 空气中起电晕的起始电场强度为E_c, 如式(1)所示^[5]。

Ec(V/m)=30.38×105×mδn1+0.298r(1)

式(1)中, δ 为空气相对密度; n为空气密度指数, r为导线半径, m为表面粗糙系数, 小于1。

起晕之后, 空气中形成大量的正负离子, 分别向两极高速移动, 产生电弧。 空气中电弧模型可以参考开断器电弧开断的研究领域, 有许多关于电弧的模型方程式, 包括Habedank模型, Schwarz模型等, 其中一般常用的为Mayr或Cassie电弧模型方程式^[6]。 Kizillcay M, Terzija V V等在对自由空气状态下的电弧做了大量试验研究, 提出开关电弧模型同样适用于电弧在自由空气状态下的研究^[7]。 Mayr电弧模型可以通过热原理导出, 其方程式为式(2)

1gdgdt=dlngdt=1fuiP-1(2)

式(2)中, u为电弧电压, g为电弧电导, i为电弧电流, f为电弧时间常数, P为电弧散热功率。 Mayr电弧模型较为简单, 它的原理与空气散热功率和电弧功率的大小有关。 一般来说, Mayr电弧模型比较适用于小电流的开断。

另一个较为常用的为Cassie电弧模型, 方程式为式(3)

1gdgdt=dlngdt=1fu2uc2-1(3)

式中, g为电弧电导, u为电弧电压, i为电弧电流, f为电弧时间常数, u_c为恒定电弧电压, 根据IEC提供的电弧瞬态恢复电压取法的参考电压峰值。 同时, Germer等研究了接通电路, 提出放电材料和电弧电压决定了电弧特性^[8]。

电弧/电晕本质都是大气压下的空气放电, 在放电的过程中就会伴随着产生光、 声、 臭氧、 热量以及化学物质等。 空气中的电弧电晕的光谱范围较宽, 包含了从紫外、 可见光波段到红外波段^[3]。

图1

Fig.1

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	图1 光谱测量实验流程图Fig.1 The diagram of spectrum detection

工作中对电弧/电晕目标进行了光谱特性的测量。 搭建电弧目标光谱测量系统, 主要包含电弧/电晕制造器, 光学扩束镜头, 宽波段紫外型光纤, 高分辨率光谱仪和上位机, 实验流程如图1所示, 光谱测量结果如图2所示。 发现电弧电晕放电的辐射特性光谱强度分布主要为200~400 nm波段, 即光谱集中在紫外区域。 在400~460, 570~690, 700~780和800~900 nm等可见光、 近红外波段, 也有微弱的光谱。

图2

Fig.2

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	图2 电弧电晕光谱曲线 (a): 200~1 000 nm光谱曲线; (b): 180~400 nm光谱曲线Fig.2 Arc and corona spectrum curve (a): 200~1 000 nm; (b): 180~400 nm

图2所示为测得的空气中电弧电晕的光谱曲线图, 图2(a)为200~1 000 nm波段的光谱图, 图2(b)为180~400 nm波段的光谱曲线, 其中200~400 nm区间为紫外波段的光谱曲线。

紫外光谱包括波长范围在10~400 nm, 其中200 nm以下为真空紫外。 由于地球臭氧层对240~280 nm波长的紫外线具有强烈的吸收, 所以太阳光在射入大气层后, 由于臭氧层的保护, 在地球表面没有这个窄波段区间的太阳光背景, 一般被叫做日盲紫外。 因此, 若能最大限度地选用日盲紫外进行目标探测, 既可以排除背景对光电系统探测的干扰, 提高信噪比, 又可以利用高信噪比的探测系统直接对该波段的目标捕获最多的波段信息, 在军用和民用方面都可以得到广泛的应用^[4]。

针对空气放电目标电弧电晕, 选取紫外波段进行目标探测和分析比较合理。 但是一般情况下, 在室外, 太阳光是最大的辐射背景。 而日盲紫外的波段(< 280 nm)就可以利用大气层天然的吸收太阳谱段的优势, 去除太阳辐射的强背景, 可靠地进行电弧电晕的紫外波段探测。 而在室内, 一般很少有紫外光源, 因此也可以采用非日盲紫外波段进行探测。 故由上述分析可知, 可采用日盲紫外结合非日盲紫外的技术手段, 在白天或夜间, 室内或室外, 进行空气放电目标的探测、 成像以及定量化分析。

定标是通过对标准辐射源的测量, 建立系统的输出码值和辐射物理量之间的函数关系。 基于紫外增强型氙灯的紫外均匀光源系统绝对定标法, 用以标定这套自行设计与研制的面阵型紫外成像系统, 拟合出面阵紫外成像系统的输出码值曲线, 转化为入瞳处的光谱辐亮度^[9]。

采用8英寸开口的紫外均匀光源系统, 具备在实验室条件下校准紫外光学成像系统及杂散光测试的能力。 仪器设备采用氙灯积分球, 是目前常用的室内紫外辐射能量定标方法, 其选用的球内反射层材质能够承受在紫外光照下的衰减满足一定要求, 在紫外光谱辐射能量绝对定标中起到至关重要的作用。 在对待测系统定标前, 本套Labsphere公司的积分球已经过NIST标定溯源。 采用宽波段光谱测量系统, 得到紫外均匀光源系统的输出光谱曲线。 其中, 图3(a)为200~1 400 nm波段的光谱曲线, 图3(b)为200~400 nm紫外光谱波段的放大曲线。

图3

Fig.3

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	图3 紫外均匀光源光谱曲线 (a): 200~1 400 nm光谱; (b): 200~400 nm光谱Fig.3 UV light source spectrum curve (a): 200~1 400 nm; (b): 200~400 nm

紫外均匀光源系统是内表面涂有均匀厚度的紫外增强型漫反射特殊材料, 是一个中空的球体, 一般称为积分球, 在内部可有选择地放置不同灯源(氙灯、 卤素灯等), 通过光阑达到亮度的可控调节, 球体直径大小不同, 输出口径大小也各不相同, 均可根据实际项目需求来定制。 系统具备在

190~1 100 nm绝对能量的同步检测能力。 系统的开口处可近似成为一个近乎理想的郎伯漫射面源, 通过开关内部光源的数量或数字化控制光阑大小, 在待测系统的入瞳处输入经过标定的光谱辐亮度^[10]。 通过上述紫外均匀光源系统, 开展对自制的面阵紫外光学成像系统的绝对定标实验, 拟合出相关的绝对定标曲线, 获得目标反演模型式(4), 最终获得目标辐亮度, 其处理过程流程图见图4。

L=a·DN+b(4)

图4

Fig.4

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	图4 目标信息反演过程流程图Fig.4 Diagram of target information inversion

式(4)中, L为目标入瞳处的辐亮度, DN为系统的响应码值, a和b为模型中的拟合系数。

通过搭建一套电弧电晕产生器实验装置, 和一套自制的紫外光学成像面阵探测系统, 在实验室环境内搭建了实验环境。 紫外面阵成像探测系统在本实验中的置放位置, 从左至右如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 成像实验系统示意图Fig.5 The diagram of experimental system of imaging

4.1 电弧/电晕发生器装置

为了能够在实验室内部开展观测电弧/电晕的实验, 需要设计选用一套合理可行的电弧产生方案。 参考雅各布天梯的设计原理, 自行搭建了一套电弧产生原理样机。 选用两根等高等长的金属棒, 在其底部可自定义搭载上4~10 kV不等的高电压发生器, 金属棒分别接高电压发生器的两极, 并设计3 m外放置上电的开关。 在室温的空气环境下, 上电后即可产生随着时间挪动的高亮电弧, 同时伴随有呲呲的空气击穿声音。 金属电极的底部, 从局部放电形成一条连续的电弧, 并在热流作用下向上运动, 在顶部电弧熄灭后, 又从底部形成连续的电弧, 形成自持式放电。 电弧电晕发生器如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 电弧/电晕发生器展示图 (a): 近紫外通道; (b): 可见光通道Fig.6 Arc and corona creator (a): NUV band; (b): Visible light

实验时, 选用一台高电压产生器, 设计产生6 kV的高压。 在实验室内环境下, 既满足局部放电并产生电弧的效果, 又能保持相对安全。 设计两根金属棒底部的间距为1.2 cm, 顶端间距为4.8 cm。 环境温度23 ℃, 空气湿度50%。

上电后, 会在两金属极间产生电弧放电, 最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点, 同时发出嗤嗤的空气击穿的声音。 电弧光柱的颜色与室内空气环境直接相关, 可能与空气成分、 浓度、 湿度和电磁场氛围相关。 紫外面阵成像系统在距离目标2 m处实时拍摄成像。 同时, 金属电极棒上带有高压电, 会在近距离内形成非均匀电场分布, 吸引空气中的游离电子, 在电场极强点就会产生局部放电, 为瞬时产生的电晕现象。

4.2 紫外面阵成像系统

本套自制的紫外光学面阵成像系统, 紫外成像波段选为240~280 nm, 由前置紫外镜头, 紫外光学光路、 紫外面阵探测器、 信息处理模块、 千兆网线、 一台PC计算机, 以及一套独立开发编写的上位机软件和对应的图像处理软件构成。

信息处理模块主要由FPGA来控制完成, 包括对紫外面阵探测器的时序驱动控制, 对AD的采样控制, 对上位机的响应和数据传输工作。 通过调用FPGA的千兆IP核, 实现对数据进行TCP/IP协议的打包, 通过Marvell千兆网卡芯片和一根千兆网线, 上传至一台运行64位win 7的普通PC机, 从而实现对TCP/IP数据帧进行接收。 对应开发的上位机具有控制相机、 图像实时显示和存储数据功能。 对应于本实验, 其光电信号处理流程如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 光电信息处理图Fig.7 The diagram of the photoelectric signals

4.3 电弧电晕紫外成像实验结果

经过试验和调整, 成像得到在不同空间位置下的电弧/局部电晕的图像, 如图8所示, 依次展示了整体立体图、 局部放大立体图和能量分布图。 其中, 图8(a), (d)和(g)为电弧目标位于底部的图像。 图8(b), (e)和(h)为目标位于中部的图像。 图8(c), (f)和(i)为目标位于顶部的图像。 从图8(a), (b)和(c)中, 展示了电弧目标在空间不同位置的立体形状、 以及能量强弱分布, 在图8(c), (f)和(i)等高线图中可以看到电弧柱上成像系统入瞳处方向的能量分布情况。 另外, 在图8(a)和(c)中, 除了高起的柱型电弧之外, 也能明显看到局部放电产生的电晕目标, 图中可见电弧柱附近的尖峰。

图8

Fig.8

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	图8 实验获得的紫外面阵图像 (a), (b), (c): 目标全局图; (d), (e), (f): 目标立体图; (g), (h), (i): 能量分布等高线图; (a), (d), (g): 目标位于底部; (b), (e), (h): 目标位于中部; (c), (f), (i): 目标位于顶部Fig.8 The target UV images (a), (b), (c): Target whole 3D view; (d), (e), (f): Target 3D view; (g), (h), (i): Energy contour curve; (a), (d), (g): Target at bottom; (b), (e), (h): Targetat the middle; (c), (f), (i): At top

采用目标反演模型如式(4), 其中a=1.72× 10^-8, b=-5× 10^-8, 最终得到电弧电晕产生器顶部拱形电弧的最大辐照度为3.39× 10^-5 W· cm^-2。

(1)完成了对电弧电晕目标在200~1 000 nm之间的光谱特性测量, 获得该目标的紫外辐射特性, 验证了紫外面阵成像系统能够在电弧电晕探测和测量中起到重要作用。

(2)采用一套自行研制的紫外面阵光学成像系统, 对由实验室高压设备在大气压下产生的电弧/电晕目标进行了相应的紫外成像实验, 观测到了完整电弧和局部放电的电晕目标, 并进行了定量化的研究和分析。 针对在6 kV下产生的电弧目标, 开展了多方位数据和图像分析, 通过紫外均匀光源定标系统标定后的目标反演模型最终得到目标在240~280 nm的最大辐照度为3.39× 10^-5 W· cm^-2。

将进一步开展工作, 进行室外条件下高电压电弧电晕紫外辐射强度特性的实验, 掌握更多的图像特征数据, 进行定量化反演。 还可利用多物理场仿真软件COSMOL, 开展对电弧/电晕仿真特性的研究, 搭建空气放电的模型, 进行电弧附近空气温度变化和电场强度等的仿真, 可为已完成的紫外面阵成像系统对电弧/电晕目标采集到的图像数据进行验证。