（电力系统及其自动化专业论文）空气及复合介质中若干放电特性的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 冲- 扦电流通过传导哇三流和位移电流的共同作t l l 在大地中敝流。由十产生的原冈小刊， 位移电流与传导电流在散流过程中的作用也不同。对于等值频率较高的冲击电流来说，无 论是在低电阻率介质中迷是在高电阻率介质中敞流，位移电流的作j h 不仅不u j 以忽略叮且 廿f 以加以并- i l l l j 。改变接地体对地的电容分，佑可以改变冲击电流散流过程中能量储存和乳址放 的方式，从而n ，咀充分地利f l j 散流电流中位移电流的作川来提高接地体的冲击电流散流性 能：通过与常规的接地技术的效果相比较这种思路已经被证明可以用来设计新型的接地 装置。新型接地元件的形状参数和材料性质是影响它发挥位移电流在冲击电流散流中作h j 大小的关键冈豢。 选_ l ji 类和l i 类复合介质利料做成的、r 极型和叫简型模拟接地儿什足两种具自1 自效结 构形式和实际f , i j t j 价值的新型接地元件。r 板型接地7 l 件叫。以通过并联连接方法构成接地 装置。划筒型接地儿件可以通过垂直排列连接和水平网格连接方法构成接地装拦。接地装 置的冲击电流散流性能与它连接的接地，件的数f | 有密切的关系。模拟实验证明这些接地 装置无论是在低电阻率介质中，还是在高电阻率介质中，都具有比常规接地体更优良的冲 击电流散流性能，困而将是一种实际运川前景十分广阔的新型接地装置。9 7 i 关键词j ：火化放电，_ 三维放电路径，图像处理，统计特征，分形特征，放电模型 接地装置，冲击散流特性，非均匀散流，位移电流，复合介质接地装置 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i np a r to n e ，as i m p l eb u te f f e c t i v ee x p e r i m e n t a ls e t u pw a sb u i l tt op r o d u c et w oo r t h o g o n a i i m a g e so f as p a r kb r e a k d o w np a t ha n dr e c o r dt h e ms i m u l t a n e o u s l yb yah i g h s p e e dv i d e oc a m e r a t h e s ei m a g e sw e r es u b s e q u e n t l yp r o c e s s e db yt h ec o m p u t e ri m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e ss ot h a t t h es p a r kb r e a k d o w np a t h sc o u l db er e b u i l ti nt h r e ed i m e n s i o n s t h e r e f o r ei tl l a sd e v e l o p e dt h e i n v e s t i g a t i o n so fs p a r kb r e a k d o w np a t hc h a r a c t e r i s t i c sf r o mi nt w od i m e n s i o n st oi nt h r e e d i m e n s i o n s t h ep a t h so fs p a r kb r e a k d o w n sa c r o s st h e4 5 - 4 0 0 m ma i r g a p so fap o i n t p l a u e e l e c t r o d es y s t e mw e r er e c o r d e d t h ep a t h sb e t w e e nap o i n t e de l e c t r o d es e ta t0 ，2 0 ，4 0 ，6 0a n d 8 0 。i n c l i n e da n g l ea n dap l a n ee l e c t r o d ew e r ea l s or e c o r d e d t h ed a t ao ft h et h r e e d i m e n s i o n a l s p a r kb r e a k d o w np a t h su n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a i c o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e db yu s i n gs t a t i s t i c a lm e t h o d st og e tt h ed i s t r i b u t i o n so ft h ep a r a m e t e r s t h a tc h a r a c t e r i z et h es h a p eo fs p a r kb r e a k d o w nd a t l l s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e rd i s t r i b u t i o n so ft h r e e d i m e n s i o n a lb r e a k d o w np a t h sa r ef a rd i f f e r e n tf r o mt h o s eo f t w o d i m e n s i o n a lb r e a k d o w np a t h s t h el e n g l ho fa i r - g a p si so n eo ft h em a j o rf a c t o r st h a ta f f e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r e a k d o w np a t h s ，i tc a u s e st h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rd i s t r i b u t i o n so ft h e s p a r kb r e a k d o w np a t h sa c r o s sa i r - g a p so fd i f l b r e n tl e n g t h sn o ts a m e h o w e v e r ，t h ei n c l i n e da n g l e a tw h i c ht h ep o i n t e de l e c t r o d es e th a sn oo b v i o u si n f l u e n c e so nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r d i s t r i b u t i o n s ， as p a r kb r e a k d o w np a t hi sas t a t i s t i c a l l ys e l f - s i m i l a rf r a c t a lp h e n o m e n o n t h ef r a c t a l d i m e n s i o no fs p a r kb r e a k d o w np a t h si n c r e a s e sa st h ea i r - g a pi n c r e a s e s ，v a r y i n gf r o m1 0 3t o1 2 4 t h ea m p l i t u d ee x p o n e n ti sa b o u t2 6a n dt h et i m ee x p o n e n ti sa b o u t1 2 t h e yn e a r l yr e m a i n c o n s t a n te v e nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa l ec h a n g e d t h el o c a t i o no fs p a r kb r e a k d o w np a t h s o nt h ep l a n ee l e c t r o d ec a nb er e g a r d e da st h ee n do ff r a c t a lr a n d o mw a l k s i t sd i s t r i b u t i o n e x h i b i t sap o w e r - l a wb e h a v i o r t h es p a r kb r e a k d o w np a t hi sas e m i r f l n d o mp h e n o m e n o ni nt h a tt h ep r e c e d i n gp a t h1 1 a s r e g u l a ri n f l u e n c e so nt h ed i r e c t i o no ft h ep a t ht h a t w i l lb ef o r m e di nt h en e x ts t e p t h e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h ed i r e c t i o no ft h ef r e s hs t e pi ss y m m e t r i c a la b o u tt h ed i r e c t i o no fi t s p r e d e c e s s o r h e n c ei ti sn a m e da sam e m o l - ye f f e c t am o d e it a k i n gt h em e m o r ye f f e c ti a t o c o n s i d e r a t i o nd e s c r i b e st h ep r o c e s s i o no fs p a r kb r e a k d o w np a t h sw e l ia n di t ss i m u l a t e dr e s u l t s s h o ws a t i s f a c t o r ya g r e e m e n tw i t ht h er e c o r d e dp r a c t i c a ip a t h s i np a r tt w o ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o ni ns o i l s ，t h ev a r i o u sf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o n ，t h en a t u r eo ft h ed i s p e r s i n gc u r r e n t ，t h es p e c i a l f u n c t i o no f t h ed i s p l a c e m e n tc u r r e n ti nt h ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o n ，a n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n g 华中理工大学博士学位论文 t h ed i s p l a c e m e n tc u r r e n th a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t s i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o na n dt h en a t u r eo ft h ed i s p e r s i n gc u r r e n t ，f l e wg r o u n du n i t s ，w h i c h a r ei ne f f e c t i v es t r u c t u r e s ，h a v eb e e nd e s i g n e da n dt r i a l m a n u f a c t u r e db y u s i n gd i f f e r e n t m a t e r i a l s t h ep e r f o r m a n c eo fs o m en e wg r o u n ds y s t e m s ，w h i c hw e r ec o n s t r u c t e db yc o n u e c t i n g ac e r t a i nn u m b e ro fg r o u n du n i t st o g e t h e r ，h a t ；b e e nu n d e r s t o o dw e l lb ym o d e lt e s t s 1 - h en a t u r eo ft h ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o ni ns o i l si st o t a l l yd i f f e r e n tf r o mt h a to fd i r e c to r p o w e rf r e q u e n c yc u r r e n td i s p e r s i o n t h es o i lc o n s t r u c t i o n ，t h ef e e d i n gp o i n t s ，t h ec o n d i t i o no f t h es o i la r o u n dt h ef e e d i n gp o i n t s ，t h es h a p eo ft h eg r o u n de l e c t r o d e ，a n dt h ed i s c h a r g eo no ri n s o i l sa r et h em a j o rf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i l ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o n u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s e si ns o i l s i nd i f f e r e n tw a y s ，p o s s e s s i n g d i 脏r e n tc h a r a c t e r i s t i c s a ni m p u l s ec u r r e n td i s p e r s e si ns o i l sb yt h ew o r ko ft h ec o n d u c t i o nc u r r e r t ta n dt h e d i s p l a c e m e n tc u r r e n tt o g e t h e r t h e i rf u n c t i o n si n t i l ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o n a r ed i f f e l l e n t t h ee q u i v a l e n tf r e q u e n c yo ft h ei m p u l s ec u r r e n ti sh i g hs ot h a tt h ed i s p l a c e m e n tc u r r e n ts h o u l d n o tb en e g l e c t e dn om a t t e ri nt h el o wr e s i s t i v i t yo rh i g hr e s i s t i v i t ys o i l ，o nt i l ec o n t r a r y ，i tc o u l d h eu s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eg r o u n do b j e c td i s p e r s i n gt h ei m p u l s ec u r r e r t t r a i s e d t h ec a p a c i t a n c eo ft h eg r o u n do b j e c tt ot h eg r o u n d ，t i l ef u u c t i o no ft i l ed i s p l a c e m e n tc u l l e n t w o u l db ee n h a n c e d c o n s e q u e n t l y ，t h ep e r f o rm a n c eo ft i l eg r o u n do b j e c ti si m p r o v e da st h ew a y o fe n e r g ys t o r i n ga n dd i s p e r s i n gc h a n g e d t h ev a l i d i t yo ft h en e wi d e ah a sb e e nv e r i f i e di nl n o d e l t e s t st h es h a p ea n dt h em a t e r i a lo f t i l en e w ；r o u n du n i t sa r et h ek e yp a r a m e t e r st h a td e c i d et h e i r e f f i c i e n c 3 t h e r ea r et w ot y p e so ft h en e wg r o u n du n i t s o n ei st h ep l a n eg r o u n du n i t ，a n dt i l eo t h e ri s t h ec y l i n d e rg r o u n du n i tt h e ya r em a d eo ft h ec o m p o u n dm a t e r i a l sn o 1o rn o 1 1al a r g e g r o u n ds y s t e mc a nb ec o n s t r u c t e db yt h ep l a n eg r o u n du n i t st h r o u g hp a r a l l e l c o n n e c t i o n ，o rb y t h ec y l i n d e rg r o u n du n i t st h r o u g hv e r t i c a l - a r r a n g e m e n t c o n n e c t i o na n dg r i d c o n n e c t i o n t i l e p e r f o r m a n c eo fan e wg r o u n ds y s t e mi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h en u m b e ro ft h eg r o u n du n i t s i t c o n t a i n s n om a t t e ri nt h es o i lw i t hl o wo rh i g hr e s i s t i v i t y ，t i l en e wg r o u n ds y s t e m sp e r f o r n l m u c hb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lg r o u n ds y s t e m si nt h ei m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o n t h e i r s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e sw i l ll e a dt oaw i d eu s eo f t h eg r o u n ds y s t e m si n t i l ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：s p a r kd i s c h a r g e ，t h r e e d i m e n s i o n a ls p a r kb r e a k d o w np a t h s ，i m a g ep r o c e s s i n g ， s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f r a c t a lf e a t u r e s ，s i m u l a t i o no fs p a r kb r e a k d o w np a t h ， g r o u n ds y s t e m ，i m p u l s ec u r r e n td i s p e r s i o n ，n o n - u n i f o r mc u r r e n td i s p e r s i o n ， d i s p l a c e m e n tc u r r e n t ，c o m p o u n dm a t e r i a lg r o u n ds y s t e m 华中理_ 7 2 大学博士学位论文 第一部分 p a r tl 华中理工大学博士学位论文 第一章火花放电路径研究现状 1 1 引言 火花放电是一种十分常见的自然现象它对人类生活和文明发展的影响从蒙昧时代就 丌始，闪电这种自然界中最为壮观的放电现象，一直是宗教和神化义学中拙述的对象 至今仍在人们心里产生敬畏之情。然析，人类对火花放电现象的科学研究从十八世纪下半 叶才开始，由f r a n k l i n 证明了闪电与实验室中的火花放电现象其实具有同样的本质。到 本世纪中页，随着高电压技术在电力系统，静电除尘、核技术研究、粒了加速器以及医学 仪器等各方面的应用火花放电现象在这些领域中经常出现并且带来极大的威胁和破坏， 囡此开始了对火花放电现象的广泛研究。目前，普遍地认为空气中的火花放电形成经过几 个连续发展的阶段，即初始电离、电晕、流注出现、流注转换为先导、先导发展直到整个 空气间距击穿形成放电通道。每一阶段的物理机理都很复杂，而且互不相同。对于火拢放 电过程的每一阶段，已经做了大量的研究1 2 4 1 ，并且取得了一定的成果，然而这些结果还 不足以形成完善系统的放电理论。空气中的火花放电现象不仅机理上十分复杂，而且容易 受到诸多冈素的影l 礼例如空气的物理条件、施加电压的类型以及电极的几何形：队等等。 h 前了解最多的是不同条件下的放电电压，有关火花放电路径特征的研究目前还很少，而 在二维空间内研究火化放电路径的发展形成过程特征的报道几乎还没有。火花放电路径作 为放电现象的结果，了解它的特征以及形成过程特点对于丰富人们有关放电现象的圭i 只是 很有意义的。 1 2 放电路径的实验研究 火花放电路径曲折而美丽，对火花放i 电路径的实验研究通常需要记录它的形成过程。 最早运 j 十记录火花放电过程的成像装置是名为b o y s 5 的照相机。接着，s t e k o l n i k o v s 等 发明了扫描记录仪，这种电子光学转换装型在火花放电现象研究中起过十分重要的作州。 然而，受到当时技术条件的限制，这两种记录装置都有比较明显的缺陷。无论是在记录速 度、敏感度和分辨率上都难以达到比较高的水平。而且，记录的图像都是静止的，无法反 映出火化放电的动态过程。近年来，由于电予技术和计算机技术的发展，高速度、高分辨 率的摄像机以及计算机图像处理技术在火花放电现象的研究中开始得到应朋f 6 1 6 1 。这些 技术有它十分明显的优点。放电现象一日j 被记录下来，人们就可以仔细地动态观察放电形 成过程向且，图像处理技术还提高了图像的分辨率，使大规模地处理图像和数据成为a j 能。由十该项技术具有的优越性，人们开始利用它来研究曲折的放电路径，通过分析记录 下来的大量的放电路径来了解它们的特征。比较早的研究有d o m e n s 9 等对实验窜里长间 距冲击放电路径落点的研究。通过记录间距为1 6 ，7 m 棒一平板电极之间的冲击放电路径， 从向统计出在该间距下，火花放电路径偏离电极系统轴线的最远距离i j 以高达1 0 m 。该项 结果对于t 程应川和高压实验审设计有十分重要的意义。近年来，w a t s o n t 1 一l5 】等人运刚 华中理工大学博士学位论文 该项技术记录 r 大量短空气问距之间的放电路径，通过统计分析得到了一些结果。例如， 他们把放电路径分成了六种类型：发现正极性放电路径比负极性放电路杼曲折并且偏离电 极系统轴线较远：放电路往在、i ，扳电枞上的分m 奇犹受外加电压的极性和幅值影口峨以及 组成放电路径的折线段的数f i 与电压类别何关等等：并且在这些观察结果下提出了解释放 电路径曲折规律的空间电荷模型。 从总体上来说，对放电路径特征的研究至今也未能广泛地展_ = ：。对十火花放电路径特 征的这些前期研究工作和成果对于今后研究工作的展开无疑是有帮助的，虽然在这些研究 中还存在比较明显的缺陷。最显而易见的一点是在这些工作中记录的都是二维的放电路杼： 图像，所有的研究工作都是在二维空间内展开的。实际上，放电路径是一条曲折的三维曲 线，有时候出现很大的转折，放电路径在一个方向上的投影不足以反映其真实的情况。从 这些数据分析得到的结果，例如对路行长度和路径曲折率的计算，就十分有可能与实际情 况相差很大。放电路径的落点分布是人们f 分关心的问题，在这些研究中利用铝箔来记录 放电路径的落点。这种方法在多条路径有相同落点或者落点不清晰的情况下就会带来分析 误差。冈此，十分有必要在三维空间上来研究放电路径的特征。 这种必要性在很多年前就已经被许多学者看到并且在他们的文献中 3 4 , 9 1 提到，然f d 一 直没有人能够通过有效的实验方法来实现对三维放电路径特征的研究。根据近二十年来的 报道，只有法国的气体放电研究小组，即l e s r e n a r d i e r e s 4 研究小组对记录三维放电路径 作了初步的尝试。他们利用摆放在两个垂苴方向上两台摄像机来记录放电路径在两个垂直 方向上的像，根据记录到的两个像来确定放电路径的空间坐标。这种看似简单的方法中有 一个极难解决的问题，那就足如何保征两台摄像机记录的是同一时刻的放电路径在两个垂 直侧面上的两个斟像。也许是因为这个问题在这种实验方法中没有得到很好的解决，所以 它没有被推广开来。三维放电路径的研究r 作因此也就停滞下来，在随后的十几年的时问 里都没有与此相关的文献报道。 1 3 放电路径的模型研究 t q 前在研究火化放电路径特征的工作中受到许多实验条件上的限制，比如说测量放电 路径的物理性质，观察放电过程中流注到先导的转换条件，以及观察先导逐步发展的规律 的技术条件几乎u ，以说上没有。近年来，随着具有强大计算功能的计算机工作站的出现， 人们通过模型模拟柬研究放电路径的特征，从而绕过实验技术条件的某些限制。人们建立 火花放电路径模型的目的大致“j _ 以分为两类：一是通过模型来解释实验结果，使人们对肢 电路径的形成机理有直观的理解。另一是通过模型来研究目前实验中无法获取的物理量， 并且根据模型模拟的结果来验证假设是否匝确，从而发展日| j 还不完善的放电理论。由十 目前实验技术条件的限制，模型研究不失为一种有效的补充的研究方法，它不仅能够根据 1 1 前的理论研究成果提供实验中无法获取的数据，而且在修正模型的同时，也会进一步完 善放电的理论体系和加深人们对它的理解。 2 华中理工大学博士学位论文 早期的放电路径模型是一类简单的纯数学模型。这类放电路径模型不能反映放电路径 形成过程中的任何物理意义。曲折的放电路径被看成一个简单的随机过程。h u t z l t e r l l7 1 最 早提出了一个这类模型，用于描述放电路：陉的形成过程。他选择放电路径与垂直轴线之间 的夹角臼为随机变量，并且假设放电路径足逐步形成的，放电路径每前进一步，夹角目就 变化一次。随机变量目的变化符合一定的概率分布，模拟过程中假设不同的概率分布，就 能够得到几组不同的放电路径，然后通过与实验记录的放电路径相比较来确定p 的概率分 布，另一个这类模型是g a l l i m b e r t i 3 1 提出的。他把放电路径形成过程看成一个在水甲和垂 直方向上分别具有概率p 和( 1 一p ) 的随机过程，并且通过实验数据确定了概率p 。放电 路径的这类纯数学模型虽然简单，易于实现，但是不能反映任何物理情况，因而在分析放 电路径形成过程中有相当大的局限性。在随后几年里，n i e m e y e r 【1 s 1 通过在模型中弓i 入物 理量来改善模型的功能。他提出了一种放电路径的模型，在该模型中考虑了外加 l a p l a c i a n 电场对放电路径发展的引导作用及其对放电路径曲折程度的影响。通过该模 型，町以使人们直观定量地了解外加电场对放电路径的影响作用，虽然该模型在电场的计 算上还存在着不尽完善之处。在放电路径模型中考虑某些物理因素的影响是模型研究中的 一大进步。遗憾的足，由十人们对影响放电路径特征的物理量知到得甚少，这项研究t 作 碰需要付出很大的努力。 另一类火花放电路径模型与放电发展过程密切相关。他们基于放电过程中基本的电离 过程，最初被用来研究放电的不同阶段，后来也用于研究有关放电路径的不能为实验所测 得的物理量。如前面所述，火花放电过程的流注一先导阶段十分重要，它最终导致放电路 径的形成，因而与放电路径特征密切相关，然而，有关流注一先导许多重要的物理量，如 等离了参数、电荷分布以及与此相关的电场等等，至今也无法实测到。这类模型正好提供 了从另一个侧面观测这些物理量的可能。 这类模型的基础是放电的微观物理机理。他们通常包括各种正、负粒了密度的连续方 程、能量甲衡方程和泊松电场方程。然而，由于放电过程的物理机理十分复杂，在建立模 型的时候，通常根据研究重点进行一些合理的假设，以简化模型的实现。有关的研究t 作 町以参阅文献【1 9 2 3 1 。在这些文献中，作者基本上足针对某一具体的情况，在适当的假设 上建立相应的模型。例如，k u l i k o v s h y l 2 0 建立了平板电极之间、标准大气压下二维流注模 型。而棒一甲板电极之间的流注一先导过程模型在t 2 t l 有比较详细的研究。这两个模型和 文献【2 2 1 中的模型都假设流注一先导延伸过程中，其径向特征不变，即流注与先导的半径 不变，在径向上，电场的分布以及其他物理量都没有变化。而文献 2 3 1 中的模型却考虑了 流注内部径向上电场的分布情况。这些模：型，虽然在分析相应的问题上起了一定的作_ h j ， 但是要说他们完全反映了放电的物理机理还相差甚远。这不仅是因为这些模型的基础，即 放电的微观机理还有待于完善，而且在实现过程中简化运算也带来了误差。 然而，这类模型毕竟为人们提供了观察流注一先导发展成为放电路径过程中某些无法 测量的物理量的变化情况，虽然这些信息不一定与实际完全相符。遗憾的是，至今没有人 利用在这类模型研究中得到的一些结果。例如先导顶端电场的计算结果来分析放电路径曲 3 华中理工大学博士学位论文 折多样的原冈。这也许是因为流注与先导转换成放电路径的过程还不是很清楚。模型所依 赖的方程很多只适t l j 于流注先导阶段，对j 一描述放电路径还无能为力。此外，在模型的方 程组中，没有一个随机方程来描述流注先导形成放电路径过程中的随机特性。个新的先 导，也町咀说是一段新的放电路径，总是由已经形成的先导顶端的某一方向上的流注演变 而来，冈向放电路径的发展方向足随机的，目前，哪怕足针对某种十分简单的情况，也没 自人研究过返种随机规律。当然，在这类模型巾引入随机方程必将使模型更为复杂，更难 m 。火现。 基十放电现象微观物理机理的模型比较复杂，实现起来耗费的计算时间多。近，十来， 出现了一类新的放电路径模拟模型1 2 4 2 9 j 。这类模型避免了复杂的微观机理以及放电不同 阶段之间不很清楚的转换过程。大致说来，这类模型的理沦基础依然是放电路径形成的基 本过程，只是对其作了简化。在流注一先导出现并丌始向前发展之后，电极之间的间距被 分成- i 、部分：即先导通道、先导顶端的流注区和未电离介质区。先导通道被看成为电极 阻2 5 l 或者是一电阻、电容网络或电阻、电容和电感网络【2 6 2 9 j 。电阻、电容和电感是先导 通道的电阻、电容和电感，随着先导通道的发展，他们的大小也有相心地变化。模型中主 要考虑两个与放电机理有关的条件：一是在先导顶端出现流注的条件，另一则是先导通道 能够一步一步向i j i 发展的条件。在模拟实现过程中，这两个条件反复比较女果满足，先 导通道则向前发展，直至整个放电路径的肜成。这类模型比较容易计算放电路径形成过程 中电流、电荷以及注入的能量，然而，他们并不能很好地反映放电路径本身的特征，比蜘i 放电路径的曲折和随机特性。除此之外，模型中运州到的转换条件还需要进一步考证。 总听寿之，对放电路径的研究工作，无论足通过实验还是通过模型模拟，仅仅是个儿 始。对放电路径特征的认识述远不够，还需要更多的努力去研究它。根据目前有关放电路 径的研究现状，我们认为，当前对放电路径研究最为迫切的几个任务足：( i ) 记录三维的 放电路径，从而克n - 维放电路径研究中的缺陷。( 2 ) 分析三维放电路径的基本特征和发 展规律，增加人们对放电路径特征的基本认识。( 3 ) 建立合理的放电路径模型，比较模拟 结果与文际放电路径之间的差异，循环提高模型的准确性和合理性，以便加深人们对放电 现象的认识。在随后的章节中，将介绍闭绕这几项任务展开的t 作以及取得的一些缩果。 4 华中理工大学博士学位论文 第二章实验装置与图像处理方法 2 1 电极和成像系统 实验中运川的电极系统和成像装置如图2 1 ( a ) 和( b ) 所示。其中，图2 1 ( a ) , u d 十研究短 空气闻距( 小十5 0 r a m ) 的放电路径，图2 1 ( b ) , t l j 于研究中、长空气间距( 大十l o o m m ) 的放 电路径。电极系统包括一棒电极和一甲板电极。棒电极的直径为1 0 m m ，顶端加工成4 5 度的吲锥，两平板电极的直径分别为1 3 0 r a m 和6 0 0 m m 。棒电极与电极系统轴线成口角安 放在平板电极中心之上，口角分别为0 、2 0 、4 0 、6 0 和8 0 度。棒电极与平板电极之间的 空气问距长度按实验需要分别调节为4 5 、1 0 0 、2 0 0 和4 0 0 m m 。图2 1 ( a 1 中的成像装置足 一个与电极系统轴线甲行放置的三棱镜。由于加工尺寸很大的三棱镜在技术和资金上都肯 凼难，所以在研究空气间距长度大于1 0 0 m m 的火化放电路径的时候，成像装置改川一块 垂直放置并肯4 5 度方向角的平面镜，如图2 1 ( b ) 所示。两种成像装置具有相同的光路特 点。这样，在棒电极与甲板电极之间形成放电通路的时候，正面摆放的高速摄像机将同叫 拍摄到放电路径的正面图像，以及一个由成像装置产生的放电路径垂直侧面图像。经过讣 算机处理摄像机记录到的两个图像，就可以得到放电路径在三维空间上的坐标数据。实验 中j 砸该注意，由于甲面镜背面是一层金属膜它可能影响电场的分布，成该在摄像机视野 范围内，尽量把f 面镜安放在离电极系统轴线较远的位置。 饲面像 正面像 侧面像 正面像 ( a )( b ) 2 2 计算机图像处理系统 图2 1 电极系统与成像装置 高速摄像机将放电路径的正面图像以及由成像装置产生的放电路径的侧面图像记录在 磁带同一帧上，它们必需经过计算机图像处理系统的处理，才能转换为数字信号，以便十 计算机存贮和处理。实验中使用的计算机图像处理系统女图2 2 所示，它包括高速摄像机 华中理工大学博士学位论文 “s o n y v i d e o h i 一8 一p r o ”、多媒体图形卡“a n i v i d e o m e d i a c a r d ”、 p e n t i u m - - i i 计算机和图形软件“a n i - - v e d i o ”。该系统具有分辨率高、处理速度快、 图形文件格式多样和转换灵活的特点。高速摄像机记录的放电路径图像在回放的时候，经 过多媒体图形卡传输到计算机上，与多媒体图形卡配套的计算机软件将把放电路释图像以 图形文件的格式存储起来，从而得到放电路径的最原始的数据。这些图形数据必需经过进 一步处理，才能得到便于分析的放电路径三维空间上的坐标数据。 2 3 图像处理方法 图2 2 计算机图像处理系统 火花放电路径的图像以b m p 图形文件的格式存储在计算机内。图2 3 是一帧典型的 放电路径的图像，其分辨率为6 4 0 x 4 4 0 像素。图形文件存储的内容是每一像索点的坐标 和该点上红、黄、蓝三种颜色的比例。由此可以看出，这种文件需要占据大量的存储空 间，向且许多数据与放电路径并无关系。为了得到简洁有用的数据，避免垃圾数据的干 扰，十分有必要对图形文件进行处理。处理过程如下： ( i ) 火花放电路径提取。由幽2 3 可见，在整i 旧火花放电路径图像上，放电路径只 很小 的一部分，因而需要确定放电路径经过的点的坐标，即找出所有代表放电路径的像素点。 经过观察可以知到，火花放电经过的地方i 颈色明亮，接近于白色。于是，根据b m p 图形 文件的格式，可以逐点比较该点颜色与某一选定的，代表放电路径的颜色相比较，如果该 点的颜色比选定的颜色更明亮则记录该点的坐标。图2 4 是根据这些点的坐标画出的放 电路径图像。 ( 2 ) 去噪和细化。由图2 4 可见，提取后的放电路径图像上还有一些分离的点和小斑块， 特别是在靠近平板电极的地方。由于平板电极的反光作用，在它附近容易形成分离的白色 亮点，这些白色亮点必需加以清除。经过去噪处理之后，放电路径还必需进行细化，使其 在同一垂直高度上，放电路径的正面图像和侧面图像都只占有一个像索的位置，以便分别 6 华中理工大学博士学位论文 代表三维放电路径在两个垂直方向上，即x 和y 方向上的坐标。经过去噪和细化之后的 放电路径如幽25 所示。 图2 3 典型的火花放电路径图像 图2 4 提取之后的放电路径图像 图2 5 去噪和细化之后的放电路径 ( 3 ) 建立二维的放电路径。根据上一步的处理结果，放屯路径正面图像的像素点在x y 下面上的坐标被看成是三维空间上x z 方向上的坐标，而放电路径侧面图像的像素点在 7 华中理工大学博士学位论文 x y 下面上的坐标被看成是三维空间上y z 方向上的坐标，再根据电极系统的儿何尺 寸，就口，以建立放电路径在三维空间上的坐标。这些坐标以( x ，y ，z ) 数据文件格式存储 起来，不仅节约了存储空间，f f i 且易十分析处理。根据这些坐标，就aj _ 以重新演示放电路 径在三维空问l ：的发展过程。倒2 6 展示丁这条放电路径在三维空间上的发展情形。 图2 6 计算机处理后的三维放电路径 8 华中理工大学博士学位论文 第三章三维放电路径的统计特征 3 1 三维放电路径特征描述参数 3 i 1 形状特征参数 三维火花放电路径的特征至今鲜为人知，一个重要原因就是很难找到适当的参数柬描 述它的特征。放电路径给人的初次印象基本上都是曲血折折，千变万化的。那么，这些形 状各异的放电路径有没有其基本的规律? 如何去描述这些规律? 这些问题是研究放电路径 首先要回答的。由于放电路径发展形成过程有随机性，因而，利用统计分析的方法来分析 放电路径特征是行之有效的。在以往的研究工作中，由于实验得到的放电路径的样本都是 在二维空间内的，因而，有关放电路径特征的统计量，例如放电路径的长度等，与实际情 况有较大的出入。即使是这样，有关放电路径形状特征的统计资料也十分不完善，几下n j 以说足十分缺乏。冈此，有必要对放电路径进行详细的统计分析以描述其形状特征。 y 图3 1 描述放电路径特征的参数 为了分析简便，放电路径被简化成由一系列长短不一的折线段组成，如图3 1 中粗箭 头线段所示。由目前的放电理论知到，放电路径形成过程是先导通道一步一步向前发展形 成的。先导通道每次向前发展的方向和前进的距离都不是一定的，这正是形成曲折放电路 径的主要原因。把放电路径看成由一系列眭短不一的折线段组成这种简化方法比较贴切地 反映了它形成的过程虽然这种简化与先导通道的发展过程可能不完全一致。处理中只要 选定适当的误差，就可以比较容易地找到描述放电路径特征的简化版本。它对于研究放电 路径的基本形状特征十分有效，因为它使得分析工作变得简单。如图3 1 所示，三维放电 9 华中理工大学博士学位论文 路径的基本形状可以通过如下几个特征参数来描述：组成放电路径线段的长度上、相邻两 条线段之间的交角0 、线段与电极系统垂直轴线之间的夹角口和线段末端距离电极系统轴 线之间的距离d 。只要弄清楚这些参数的分稚规律，就