技术领域
[0001] 本
发明涉及机电检测领域，尤指一种陡波放电同步观测系统及方法。
背景技术
[0002] 陡波试验是一种可以有效剔除绝缘子内部
缺陷、检测高陡度的雷电波下耐受性能的试验方法，绝缘子在陡波冲击试验下的耐受性能可以作为评价绝缘子
质量的一个重要指标。为使盘形绝缘子在保持高机械强度的同时兼具优良的防污闪性能，涂覆RTV涂层的大吨位绝缘子在交、直流特高压线路上被大量应用。然而试验中却意外发现，涂敷RTV涂层后，160kN、210kN等吨位盘形绝缘子的陡波试验通过率从100％下降到仅为70％，而550kN等大吨位盘形绝缘子的试验通过率仅为50％左右。目前对于这一现象始终未能有相应的解释，更缺乏机理说明。涂覆RTV前后绝缘子内绝缘并没有变化，陡波试验通过率的下降似乎不能归咎于绝缘子内绝缘性能的下降。为解释并解决此问题，首先需要深入研究陡波下放电的特点。
[0003] 目前对于流注放电的发展过程已有一定的研究，但是对于陡波冲击下的放电现象，以及绝缘子这种极不均匀场的绝缘结构在陡波下的击穿放电过程，相关研究较少。对于放电的观测，已有研究人员提出了利用高速摄影进行观测；但是该些常规观测手段无法观测陡波放电的主要原因在于，陡波放电发展过程极为迅速，波头时间仅为100～200ns，常规高速摄影最快每
帧为1μs，无法对放电过程进行分析。目前ICCD超高速
照相机可以达到每帧最短曝光时间为3ns，帧间隔最小为0ns，可以实现对陡波放电过程的捕捉。但是ICCD无法实现后触发模式(照相机循环拍摄，触发后保留触发时刻前的n张照片)，且从触发到拍摄有一定的时间延迟，因此无法从放电回路中取
信号触发相机动作(放电过程极快，从触发到拍摄的延迟时间大于放电的时间，从回路中取信号触发相机，待相机曝光时放电已经结束)，实现放电时刻与相机曝光时刻的对应十分困难。而且放电
电压波形测量结果和观测照片也没有有效的办法实现准确对应。
发明内容
[0004] 本发明目的在于提供一种填补陡波放电观测的空白，并且实现观测图像与电压波形同步对应，为陡波放电过程和机理的研究提供试验平台的陡波放电同步观测系统及方法，以利用两路信号分别触发陡波发生装置和ICCD相机，实现对放电过程的捕捉拍摄，并通过对光路和
电路信号传播时间的计算，得到放电波形和观测照片的对应方法。
[0005] 为达上述目的，本发明所提供的陡波放电同步观测系统具体包含：触发信号输出模
块、延时脉冲发生器、放电回路和观测回路；所述触发信号输出模块用于输出测试触发信号；所述延时脉冲发生器分别与所述触发信号输出模块、所述放电回路和所述观测回路相连，用于根据所述测试触发信号计算获得所述观测回路拍摄待测试品与所述放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形两者之间的时延；根据所述时延生成冲击触发信号和拍摄信号；所述放电回路与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述冲击触发信号于待测试品两端放电，产生放电电压波形；所述观测回路与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述拍摄信号，于待测试品两端放电时，同步采集所述待测试品的放电电压波形所对应的观测图像数据。
[0006] 在上述陡波放电同步观测系统中，优选的，所述延时脉冲发生器还包含放电时延计算模块、拍摄时延计算模块和比较模块；所述放电时延计算模块用于计算所述触发信号输出模块输出测试触发信号到所述放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形之间的所用的放电控制时间；所述拍摄时延计算模块用于计算所述触发信号输出模块输出测试触发信号到所述观测回路拍摄待测试品之间的所用的拍摄控制时间；所述比较模块用于根据所述放电控制时间和所述拍摄控制时间比较获得两者之间的时延，根据所述时延生成冲击触发信号和拍摄信号，并使所述待测试品产生放电电压波形同时被所述观测回路所拍摄到。
[0007] 在上述陡波放电同步观测系统中，优选的，所述放电回路包含：第三时延计算单元、第四时延计算单元和第五时延计算单元；所述第三时延计算单元用于获取所述延时脉冲发生器根据所述测试触发信号生成所述冲击触发信号的第三时延；所述第四时延计算单元用于根据所述延时脉冲发生器输出冲击触发信号时间及所述放电回路接收到所述冲击触发信号时间的差值获得第四时延；所述第五时延计算单元用于所述放电回路的放电延迟时间获得第五时延；根据所述第三时延、所述第四时延和所述第五时延之和获得放电控制时间。
[0008] 在上述陡波放电同步观测系统中，优选的，所述观测回路包含：第一时延计算单元、第二时延计算单元和第六时延计算单元；所述第一时延计算单元用于根据所述测试触发信号输出时间及所述观测回路接收到所述拍摄信号时间的差值获得第一时延；所述第二时延计算单元用于根据所述观测回路中拍摄单元的曝光动作时间获得第二时延；所述第六时延计算单元用于根据光从所述待测试品上传导至所述拍摄单元所用时间获得第六时延；根据所述第一时延、所述第二时延和所述第六时延之和获得拍摄控制时间。
[0009] 在上述陡波放电同步观测系统中，优选的，所述放电回路包含
冲击电压发生器、冲击电压徒化装置和传导电路；所述传导电路与所述延时脉冲发生器相连，用于将所述延时脉冲发生器输出的冲击触发信号经过光电转化后输出至所述冲击电压发生器；所述冲击电压发生器通过所述传导电路与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述冲击触发信号控制所述冲击电压徒化装置于所述待测试品两端放电，产生放电电压波形。
[0010] 在上述陡波放电同步观测系统中，优选的，所述观测回路包含ICCD相机、示波器和
电阻分压器；所述ICCD相机与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述拍摄信号，于待测试品两端放电时，同步采集所述待测试品的放电电压波形所对应的观测图像数据；所述示波器的测量通道一端与所述延时脉冲发生器相连，另一端与所述电阻分压器相连，用于获得电压波形；所述电阻分压器一端与所述冲击电压徒化装置，另一端与所述示波器的测量通道相连，用于将所述冲击电压徒化装置输出的陡波电压转化为低压信号后输出至所述示波器。
[0011] 在上述陡波放电同步观测系统中，优选的，所述延时脉冲发生器为DG535四通道数字延时脉冲发生器。
[0012] 本发明还提供一种陡波放电同步观测方法，所述方法包含：根据接收到的测试触发信号，获得观测回路拍摄待测试品的时间与放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形时间之间差值；根据所述差值，通过延时脉冲发生器分别生成冲击触发信号和拍摄信号；根据所述冲击触发信号和所述拍摄信号，控制观测回路在放电回路于待测试品两端放电时，同步采集所述待测试品的放电电压波形所对应的观测图像数据。
[0013] 在上述陡波放电同步观测方法中，优选的，所述根据接收到的测试触发信号，获得观测回路拍摄待测试品的时间与放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形时间之间差值包含：根据接收测试触发信号到所述放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形之间的所用的时间获得放电控制时间；根据接收测试触发信号到所述观测回路拍摄待测试品之间的所用的时间获得拍摄控制时间；根据所述放电控制时间和所述拍摄控制时间比较获得两者之间的时延，根据所述时延生成冲击触发信号和拍摄信号，并使所述待测试品产生放电电压波形同时被所述观测回路所拍摄到。
[0014] 在上述陡波放电同步观测方法中，优选的，所述放电控制时间包含第三时延、第四时延和第五时延；所述第三时延为所述延时脉冲发生器根据所述测试触发信号生成所述冲击触发信号的时间；所述第四时延为所述延时脉冲发生器输出冲击触发信号时间及所述放电回路接收到所述冲击触发信号时间的差值；所述第五时延为所述放电回路的放电延迟时间。
[0015] 在上述陡波放电同步观测方法中，优选的，所述拍摄控制时间包含：第一时延、第二时延和第六时延；所述第一时延为所述测试触发信号输出时间及所述观测回路接收到所述拍摄信号时间的差值时间；所述第二时延为根据所述观测回路中拍摄单元的曝光动作时间；所述第六时延为光从所述待测试品上传导至所述拍摄单元所用时间。
[0016] 本发明还提供一种计算机设备，包括
存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的
计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
[0017] 本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。
[0018] 本发明所提供的陡波放电同步观测系统及方法不仅适用于陡波放电过程的捕捉，同样可应用于雷电波、操作波等冲击放电过程；其可有效实现观测图像与电压波形同步对应，为陡波放电过程和机理的研究提供试验平台。
附图说明
[0019] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本
申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
[0020] 图1为本发明所提供的陡波放电同步观测系统的结构示意图；
[0021] 图2为本发明一
实施例所提供的陡波放电同步观测系统的结构示意图；
[0022] 图3为本发明一实施例所提供的陡波放电同步观测系统的结构示意图；
[0023] 图4为本发明一实施例所提供的陡波放电同步观测系统的结构示意图；
[0024] 图5为本发明所提供的陡波放电同步观测方法的流程示意图；
[0025] 图6为本发明一实施例所提供的陡波放电同步观测方法的时序逻辑示意图；
[0026] 图7A至图7E为本发明一实施例所提供的放电照片及对应波形示意图。
具体实施方式
[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0028] 请参考图1所示，本发明所提供的陡波放电同步观测系统具体包含：触发信号输出模块、延时脉冲发生器、放电回路和观测回路；所述触发信号输出模块用于输出测试触发信号；所述延时脉冲发生器分别与所述触发信号输出模块、所述放电回路和所述观测回路相连，用于根据所述测试触发信号计算获得所述观测回路拍摄待测试品与所述放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形两者之间的时延；根据所述时延生成冲击触发信号和拍摄信号；所述放电回路与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述冲击触发信号于待测试品两端放电，产生放电电压波形；所述观测回路与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述拍摄信号，于待测试品两端放电时，同步采集所述待测试品的放电电压波形所对应的观测图像数据。在该实施例中，主要采用控制观测回路和放电回路的触发信号时间间隔的方式实现放电回路和观测回路的时间同步；而控制方式则是主要由延时脉冲发生器实现，利用设置两路信号分别触发放电回路和观测回路的方式，实现对放电过程的捕捉拍摄；通过对光路和电路信号传播时间的计算，得到放电波形和观测照片的对应方法。所述延时脉冲发生器可为DG535四通道数字延时脉冲发生器。
[0029] 在本发明一实施例中，所述延时脉冲发生器还包含放电时延计算模块、拍摄时延计算模块和比较模块；所述放电时延计算模块用于计算所述触发信号输出模块输出测试触发信号到所述放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形之间的所用的放电控制时间；所述拍摄时延计算模块用于计算所述触发信号输出模块输出测试触发信号到所述观测回路拍摄待测试品之间的所用的拍摄控制时间；所述比较模块用于根据所述放电控制时间和所述拍摄控制时间比较获得两者之间的时延，根据所述时延生成冲击触发信号和拍摄信号，并使所述待测试品产生放电电压波形同时被所述观测回路所拍摄到。
[0030] 在上述实施例中，所述放电回路包含：第三时延计算单元、第四时延计算单元和第五时延计算单元；所述第三时延计算单元用于获取所述延时脉冲发生器根据所述测试触发信号生成所述冲击触发信号的第三时延；所述第四时延计算单元用于根据所述延时脉冲发生器输出冲击触发信号时间及所述放电回路接收到所述冲击触发信号时间的差值获得第四时延；所述第五时延计算单元用于所述放电回路的放电延迟时间获得第五时延；根据所述第三时延、所述第四时延和所述第五时延之和获得放电控制时间。所述观测回路包含：第一时延计算单元、第二时延计算单元和第六时延计算单元；所述第一时延计算单元用于根据所述测试触发信号输出时间及所述观测回路接收到所述拍摄信号时间的差值获得第一时延；所述第二时延计算单元用于根据所述观测回路中拍摄单元的曝光动作时间获得第二时延；所述第六时延计算单元用于根据光从所述待测试品上传导至所述拍摄单元所用时间获得第六时延；根据所述第一时延、所述第二时延和所述第六时延之和获得拍摄控制时间。
[0031] 以下以陡波放电同步观测系统的原理结构为例，请参考图2所示，其中所述延时脉冲发生器采用DG535、所述观测回路采用ICCD超高速相机、所述放电回路采用冲击电压发生器；DG535四通道数字延时脉冲发生器可以输出四路脉冲信号，时间间隔0～1s可调，最小调整步长为1ns，配合光电转换模块和电光转换模块可以实现延迟同步控制。放电回路中，触发信号从信号源经过DG535的t3延迟(第三时延)后输出，到达冲击设备延迟为t4(第四时延)。从冲击设备接收到触发信号到试品两端出现电压的时间为t5(第五时延)，为放电延迟，与冲击设备的放电延迟和放电回路长度相关。观测回路中，触发信号从信号源输出到相机的时间为t1(第一时延)，是触发信号在
电缆线上的延迟。ICCD从接收到触发信号到曝光动作的延迟为t2(第二时延)，可人为设置，
精度为1ns，但是存在最小值，最小值与相机的每帧曝光时间和两帧时间间隔有关，每帧曝光时间、间隔时间越短延迟时间越长。光从试品表面到达相机
传感器时间为光路时间t6(第六时延)。为了能拍摄到放电过程，需要满足t1+t2＝t3+t4+t5+t6。其中t1、t4与信号线长度有关，t6与光路长度有关，均可准确测量计算。t4+t5与冲击设备和放电回路长度有关，经测量不超过10μs且较为稳定。实际操作中ICCD相机的信号线长度30m，镜头拍摄距离即光路长度不超过10m，因此t1-t6不超过0.1μs，所以t1-t6与t4+t5相差不超过10μs。t2有最小值，t2和t3都是人为可调量，调节精度都为1ns，调节上限为1ms，完全可以满足要求。所以只要控制t2和t3，就能够实现观测回路和放电回路的同步。
[0032] 为了能够将陡波放电的过程照片中的状态和测量得到的电压波形相对应，需要对每一部分的时间进行测量，分析和计算；请参考图3所示，在本发明一实施例中，t1是信号从发出到ICCD相机接收到触发信号的延迟，是信号在
信号传输电缆上消耗的时间；t2是相机从触发到拍摄照片的延迟，这个值可以人为设定并且在
软件中读出每张照片的延迟；t3是每帧曝光的时间；t4是试品发出的光到相机传感器的时间，相机到试品的距离为L1，光速为c，所以在相机拍摄到的实际上是L1/c前的图像；t5为电压信号从试品经分压器和信号电缆、
衰减器到达示波器的时间。信号在信号电缆、衰减器上的时延可以通过在一端加信号的方式测量为t/5，试品经
导线、分压器到达电缆输入端的电路长度约为L2，按光速还需要传播时间t//5＝L2/c，t5＝t/5+t//5。t7为测量值，是发出触发信号和收到陡波电压波形上某一点的时间间隔，由示波器读出。t6为触发信号和试品照片所对应的状态的实际延迟。为直观说明在整个放电及拍摄中的时间对应问题，根据放电的时序逻辑，可以得出时间间隔的关系，其时序逻辑如图6所示，t7＝t1+t2+t3-t4+t5。其中，t1、t5、t4为固定值，t2、t3是人为设定的可控制量，所以可以计算出t7，进而从图中找到对应该张放电照片的波形时间点。需要说明，在该实施例中，由于陡波波前时间极短，ICCD曝光时长不能忽视，因此实际拍摄照片为曝光时段内的
叠加状态。但是由于放电过程是连续发展的(由照片可知)，而放电通道消散的时间远大于拍摄时间，因此可以用曝光时段内拍摄到的放电状态近似代替曝光结束时刻的放电状态进行分析。
[0033] 请参考图4所示，在本发明一实施例中，所述放电回路包含冲击电压发生器、冲击电压徒化装置和传导电路；所述传导电路与所述延时脉冲发生器相连，用于将所述延时脉冲发生器输出的冲击触发信号经过光电转化后输出至所述冲击电压发生器；所述冲击电压发生器通过所述传导电路与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述冲击触发信号控制所述冲击电压徒化装置于所述待测试品两端放电，产生放电电压波形。所述观测回路包含ICCD相机、示波器和电阻分压器；所述ICCD相机与所述延时脉冲发生器相连，用于根据所述拍摄信号，于待测试品两端放电时，同步采集所述待测试品的放电电压波形所对应的观测图像数据；所述示波器的测量通道一端与所述延时脉冲发生器相连，另一端与所述电阻分压器相连，用于获得电压波形；所述电阻分压器一端与所述冲击电压徒化装置，另一端与所述示波器的测量通道相连，用于将所述冲击电压徒化装置输出的陡波电压转化为低压信号后输出至所述示波器。
[0034] 在上述实施例中，整个陡波放电同步观测系统如图4所示；冲击发生器高压输出端用扁
铜线与陡化球一端相联，陡化球另一端与试品上
电极也用扁铜线相联。冲击电压发生器、试品工装下电极，电阻分压器可靠共地。为了保护ICCD相机和示波器、DG535不受地电位抬升的影响，其电源全部接带
滤波器的隔离
变压器，并经过UPS提供双重保护。利用示波器1输出下降沿信号触发DG535，由DG535分别给出放电回路和观测回路的触发信号，两个信号的时间间隔可调，并将观测回路触发信号输出到示波器2的测量通道CH1。在放电回路中，触发信号经电光转换模块转化为
光信号，经光纤到达冲击电压发生器，经光转电模块触发冲击，冲击电压经陡化球到达试品表面完成放电。陡波电压经电阻分压器输出低压信号，由信号电缆传输到示波器2的另一个测量通道CH2，得到电压波形；观测回路触发信号经相机信号电缆触发ICCD相机，触发后相机经一定延迟(图2中的t2)再开始动作拍照。触发信号到放电时刻的时间存在一定
波动，这是由放点分散性导致的，但是试验发现波动范围不大，可以通过预先试验，然后调整t2。
[0035] 请参考图5所示，本发明还提供一种陡波放电同步观测方法，所述方法包含：S501根据接收到的测试触发信号，获得观测回路拍摄待测试品的时间与放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形时间之间差值；S502根据所述差值，通过延时脉冲发生器分别生成冲击触发信号和拍摄信号；S503根据所述冲击触发信号和所述拍摄信号，控制观测回路在放电回路于待测试品两端放电时，同步采集所述待测试品的放电电压波形所对应的观测图像数据。
[0036] 在上述实施例中，所述根据接收到的测试触发信号，获得观测回路拍摄待测试品的时间与放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形时间之间差值包含：根据接收测试触发信号到所述放电回路控制所述待测试品产生放电电压波形之间的所用的时间获得放电控制时间；根据接收测试触发信号到所述观测回路拍摄待测试品之间的所用的时间获得拍摄控制时间；根据所述放电控制时间和所述拍摄控制时间比较获得两者之间的时延，根据所述时延生成冲击触发信号和拍摄信号，并使所述待测试品产生放电电压波形同时被所述观测回路所拍摄到。
[0037] 在上述实施例中，所述放电控制时间包含第三时延、第四时延和第五时延；所述第三时延为所述延时脉冲发生器根据所述测试触发信号生成所述冲击触发信号的时间；所述第四时延为所述延时脉冲发生器输出冲击触发信号时间及所述放电回路接收到所述冲击触发信号时间的差值；所述第五时延为所述放电回路的放电延迟时间。所述拍摄控制时间包含：第一时延、第二时延和第六时延；所述第一时延为所述测试触发信号输出时间及所述观测回路接收到所述拍摄信号时间的差值时间；所述第二时延为根据所述观测回路中拍摄单元的曝光动作时间；所述第六时延为光从所述待测试品上传导至所述拍摄单元所用时间。
[0038] 以正极性带涂料试品的某次试验结果为例，进行波形与放电图片的对应；所选取的放电照片第一张，其相机设定延迟为4.33μs，则第一张照片对应的时间间隔应为4.33+0.095+0.07+0.06＝4.555μs。ICCD的触发电平设置为上升沿2.5V，所以从触发电平达到
2.5V开始计时。通过上述方法找到对应的四张照片，曝光时间40ns，帧间隔0ns。为方便标注，分别将其对应时段的终点标注在波形图上。只截取放电时刻附近波形，横坐标进行拉伸，整个过程不进行滤波等处理，如图7A至图7E。通过图7A至图7E可看出，第一张图对应放电过程的时刻电压较低，几乎还看不到有任何放电，如图7A随着电压的升高，电极周围开始出现电晕，甚至有一些较为细小的放电触
角的出现如图7B，此时电压已经接近幅值的一半左右。然后电压进一步上升，形成向电极四周延伸的许多较亮的放电通道。此时各放电通道之间差别并不明显，各放电通道的长度和
亮度大体相当，如图7C随着电压的迅速升高，放电通道长度也迅速增加，当电压接近峰值时，某条放电通道会接近贯穿放电间隙，并变得更加明亮，整个沿面空气距离被击穿，然后电压迅速降低，放电完成，如图7D。
[0039] 本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
[0040] 本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。
[0041] 本发明所提供的陡波放电同步观测系统及方法不仅适用于陡波放电过程的捕捉，同样可应用于雷电波、操作波等冲击放电过程；其可有效实现观测图像与电压波形同步对应，为陡波放电过程和机理的研究提供试验平台。
[0042] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全
硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0043] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的
流程图和/或方
框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程
数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中
指定的功能的装置。
[0044] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0045] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0046] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
