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基于彩色高速成像技术的绝缘子片覆水表面电弧演化观测实验

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绝缘子片覆水表面沿面放电(湿闪)过程中电弧形态与色彩完整演化过程,使用千眼狼(Revealer)NEO25C彩色高速摄像机捕获。

1 实验背景

绝缘子片在潮湿环境下的沿面放电(湿闪现象)是导致电网外绝缘失效的主要诱因之一。电弧的形成与熄灭涉及局部电晕起始、等离子通道建立及能量耗散等多个瞬态物理过程,演化时间尺度微秒量级。

现有观测手段存在局限性:一是普通高速摄像机帧率不足,难以完整记录电弧从萌生到击穿的连续演化过程;二是过往观测实验多采用黑白型高速摄像机,无法辨识电弧等离子体在复合过程中辐射光谱的颜色特征,无法进一步分析放电强度、等离子状态与能量密度等物理特征。

山西大学电力科研团队引入千眼狼(Revealer)NEO25C 彩色高速摄像机,在覆水绝缘子表面工况下,以微秒级时间分辨能力捕捉放电全过程的电弧形态与色彩演化过程。

2 实验设备

实验观测核心为千眼狼(Revealer)自研的NEO25C彩色高速摄像机。相机搭载背照式CMOS芯片,具备85%的峰值量子效率,可在极短曝光条件下保持高信噪比成像,ROI画幅下采集帧率可达138888帧/秒,时间分辨能力约7μs。

系统配套RCC4.0采集与控制软件,内置智能图像触发功能,可通过设定放电瞬间光强突变阈值实现自动触发,支持回放界面一键定位触发关键帧,提升关键事件捕捉效率与数据有效性。

此外,系统配备了适用于绝缘子片放电测试的高压电源及电极系统,实验对象为表面覆水的绝缘子试样。

3 实验方法

实验在环境温度与湿度保持恒定的实验室进行。首先在绝缘子片表面均匀喷涂去离子水以模拟潮湿工况,电极布置于绝缘子表面指定区域。

调节高压电源输出,采用逐步升压方式,直至绝缘子表面发生沿面放电。

RCC4.0采集控制软件中设置NEO25C高速摄像机ROI下帧率为138888帧/秒,极短曝光时间。选择图像智能触发模式,以放电瞬间产生的光信号作为触发源,确保从电晕起始前开始记录,持续至电弧熄灭。

采集完成后,通过RCC4.0软件关键帧定位功能直接定位电弧起始时刻为零时刻,提取从电晕萌生到电弧熄灭的完整图像序列。

4 实验数据解析

以关键帧定位的电弧起始时刻为零时刻(0 μs),对后续图像序列进行逐帧解析如下:

I. 0μs~7μs:电压施加的初始微秒内,绝缘子表面覆水区域的水滴尖端因局部电场集中处发生电离,颜色呈淡蓝紫色,表明放电能量较低,属典型的低能量电子碰撞激发过程,尚未形成贯通电极的导电通道。通过观测电晕起始位置与形态,可评估绝缘子片表面导电介质分布的均匀性。



II. 14μs附近:主电弧发生击穿,图像中可见一道明亮的粉白色电弧通道瞬间贯穿绝缘子表面,桥接高压与地电极。相较于电晕阶段,粉白色表明通道内温度大幅跃升,电弧通道的能量密度达到峰值。受绝缘子几何结构引发的局部气压梯度致使电场矢量扭曲影响,电弧形态上呈现明显的弯曲状。



III. 21μs之后:主电弧进入能量消散阶段。粉白色电弧通道开始收窄变暗,28 μs通道颜色开始分化,核心高温片段仍呈白色,其他片段呈紫色,表明等离子体径向温度差异较大;36 μs,电弧形态上断裂为若干孤立发光片段,颜色转变为橙黄色;43 μs后,随着电弧热效应继续衰减,电弧通道各片段逐次熄灭,并在100 μs时仅剩零星暗红色微光点,表明电弧能量基本耗散完毕,介质去电离过程结束。



5 实验结论

本实验利用千眼狼(Revealer)NEO25C彩色高速摄像机,以138888帧/秒时间分辨率记录了潮湿绝缘子片表面电弧从萌生、击穿到熄灭的形态及色彩完整演化过程,主要结论:

I. 完整放电生存周期约100 μs,主电弧击穿窗口仅维持不到10 μs,凸显高速成像在瞬态放电现象捕捉中的必要性。

II. 电弧颜色演化过程:电晕阶段的蓝紫色->主电弧击穿时刻的粉白色->能量耗散阶段的橙黄色->熄灭阶段的暗红色,这一色彩映射关系为间接诊断放电强度、评估绝缘表面劣化程度提供直观有效的依据。

III. 实验结果深化了对湿闪机理的认知,可为电网外绝缘防护设计与故障诊断提供数据支撑。

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