一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置

本发明涉及气体放电过程模拟方法及其模拟系统，特别涉及一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置。

背景技术：

1、电力系统传输电压在电力行业迅猛发展过程中不断升高，电气设备的绝缘配合会遇到更严峻的挑战。固体绝缘除结构性缺陷外，在运行过程中还会产生裂纹、气泡等随机性绝缘损伤，它们构成了电力系统中潜在的故障源。然而气体介质以其无法比拟的优越特性而广泛应用在超、特高压输电电力系统中。

2、由于sf6气体良好的电负性成为目前应用最广泛的气体电介质，但是sf6的使用会带来一定的温室效应，造成环境污染。在高压输电过程中，n2气体作为空气的主要成分而承担主要绝缘强度，因此研究n2气体的放电过程对保证电力系统安全运行具有重要意义。近几十年来，国内外许多研究学者对气体放电过程进行了深入研究，并取得显著成果，但是仍然不够完善。

3、气体放电研究的目的是要弄清楚在不同情况下放电时，电离气体的宏观现象和规律及微观上气体电离时的基本过程，并且联系宏观和微观分析，由表及里的研究气体放电机理。从气体放电的微观过程推及分析其宏观伴随的现象，由复杂并看似随机的放电现象中寻找其根本的规律。由此可知，研究各种气体放电现象的物理过程和其内在规律是气体放电研究的主要任务。

4、目前各种各样的气体放电已经在实验条件和生产实践中有了许多研究，但是因为气体放电的多样性，随机性，复杂性，所以对于气体放电还知之其少，处于半定量研究中，有许多现象的研究还有待更加深入。

5、本文采用光电检测技术，基于流体理论和气体放电特性，建立超临界(p＝3.4～10mpa，t＝126～500k)条件下气体仿真过程。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决如何在超临界条件下建立流体放电过程带电粒子动力学行为与场函数耦合模型，如何对瞬态非线性方程进行解析的问题，而提出一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法、模拟系统及光信号检测处理装置。

2、上述目的通过以下的技术方案实现：

3、一种基于光电检测技术的超临界条件下气体放电过程模拟方法，所述方法通过以下步骤实现：

4、步骤一、通过materialsstudio软件castep模块搭建超临界氮三维可视的结构模型；

5、步骤二、分析放电过程，并与步骤一建立的结构模型结合显示分析出的数据，分析出的数据通过二维、三维、图表、动画演示或矢量图形式显示；

6、步骤三、基于气体放电原理，利用流体模型框架建立连续性方程组，描述电子、离子在电场中产生、运动及消失过程；并根据质量守恒原理，利用连续性方程描述带电粒子时间及空间运动特性；所述的连续性方程是指，某一封闭面在某一时间内流体密度的变化，即流出的流体质量和流入的流体质量差；

7、步骤四、构造fct构造点对点净输运的通量，求解步骤三建立的连续方程。

8、进一步地，所述的步骤三中，基于气体放电原理，利用流体模型框架建立连续性方程组，描述电子、离子在电场中产生、运动及消失过程；并根据质量守恒原理，利用连续性方程描述带电粒子时间及空间运动特性时，气体的放电过程涉及的特性描述为：

9、当离子为正电离子时：

10、a.封闭曲面方程表示为：

11、

12、放电流体模型由粒子连续性方程耦合泊松方程组成：

13、b.电子、正离子的连续性方程表示为：

14、

15、

16、式中，t为时间；s为光电离生成的粒子；βep为正离子和电子的复合系数；η为电子的附着系数；a为电子的碰撞电离系数；de为电子的扩散速度；省略正离子的扩散运动；vp为正离子的迁移速度，ve为电子的迁移速度；np为正离子的空间电荷密度，ne为电子的空间电荷密度；

17、c.基于空间电荷对电场的影响，泊松方程表示为：

18、

19、式中：np为正离子的密度，ne为电子的密度；εr为气体的相对介电常数，ε0为真空介电常数；为电势；e为电场强度；

20、d.气体放电过程中，电子能量的产生和损失，电子的能量方程表示为：

21、

22、

23、

24、式中，nε是电子能量密度，sε是由于碰撞导致的能量损耗；是电场强度矢量，是电子能量通量，是电子密度通量，μe是电子在电场中的迁移率，是电子能量迁移率，是电子能量的扩散系数；

25、

26、式中：ai是第j种碰撞反应的反应系数，δεj是电子能量因为第j种碰撞反应导致的能量损失；nn是放电空间中性粒子密度。

27、步骤四所述的构造fct构造点对点净输运的通量，求解步骤三建立的连续方程的过程中，还采用结合有限差分与超松弛迭代方法对泊松方程表示的非线性守恒方程进行求解。

28、进一步地，所述的步骤三中，当离子为负电离子时：

29、由玻尔兹曼(boltzmann)方程得到电子的连续性方程为：

30、

31、

32、式中：ne为电子密度；γe为电子通量；re为电子源项；μe为电子迁移率；e为电场强度矢量；de为电子扩散率；

33、电子能量方程为：

34、

35、

36、式中：nε为电子能量密度；γε为电子能量通量；iε为电子能量源项；με为标量或张量形式的电子能量迁移率；dε为电子能量扩散率；

37、电子输运过程中电子的源项re和电子的能量源项rε由等离子体化学确定，在使用速率系数计算的情况下，电子的源项re的计算公式为：

38、

39、式中：m为有助于电子密度增长或衰减的m个碰撞反应；xj为反应j的碰撞时目标物质的摩尔分数；kj为反应j的发生有效碰撞的速率系数；n表示总中性数密度；

40、电子能量源项rε的计算公式为：

41、

42、式中：p为非弹性电子－中性碰撞的反应数，p＞＞m；δεj表示反应j的能量损失。

43、进一步地，步骤四所述的构造fct构造点对点净输运的通量，求解步骤三建立的连续方程的过程中，还采用结合有限差分与超松弛迭代方法对泊松方程表示的非线性守恒方程进行求解。

44、一种气体放电过程模拟系统，其组成包括放电装置、光信号采集器件和光电倍增管；

45、光电倍增管，用于采集放电过程的光信号，并将其输入到数字示波器；

46、光信号采集器件，用于记录放电过程微观时间尺度的时空结构。

47、一种用于上述任一权利要求所述的方法的光信号检测处理装置，其组成包括光信号采集装置、光电转换电路、放大电路和滤波电路；光信号采集装置采集光信号并将光信号发送至光电转换电路，光电转换电路连接放大电路，放大电路连接滤波电路，最后输出到示波器；

48、光信号采集装置包括透镜、窄带干涉滤光片和针孔；待测光信号由透镜聚焦后，在光路中通过窄带干涉滤光片和针孔，以除去待测光波长以外的杂散光，到达光电转换电路的检测窗口，也就是到达光电倍增管的阴极上，经光电转换变为电信号输出；

49、光电转换电路对输入的光信号进行光电转换并输出微弱电信号至放大电路，放大电路对微弱电信号进行放大后输出放大电信号至滤波电路，滤波电路对放大电信号进行去噪处理得到去噪信号；

50、进一步地，光电转换电路包括光电倍增管、分压电阻r1～分压电阻r11、旁路电容c1、c2、c3和负载电阻rl；总的工作电压u通过分压电阻网络r1～r11加到各相应的电极d1～d10，各电机的电位按照阴极k、第一倍增极d1，第二倍增极d2至d10，第十倍增极d10，阳极a的次序递增，形成依次递增的电场，光电倍增管和采样电阻rl的公共端通过端口pdin连接放大电路。

51、进一步地，所述的放大电路包括运算放大器ad827、第十二电阻r12、第十三电阳r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第四电容c4；第十四电阻r14与第十五电阻r15串联，且公共端通过第十六电阻r16接地，具体地，运算放大器的反相输入端接地；第十二电阻r12一端连接光电转换电路的输出端，另一端连接运算放大器的同相输入端；第四电容c4一端连接运算放大器同相输入端，另一端连接运算放大器的输出端；第十四电阻r14的另一端连接运算放大器同相输入端；第十五电阻r15另一端连接运算放大器的输出端；运算放大器的输出端接第十三电阻r13输出放大电信号；

52、所述的滤波电路包括运算放大器ad827、第十七电阻r17、第十八电阻r18、第十九电阻r19、第二十电阻r20、第五电容c5和第六电容c6；第十七电阻r17与第十九电阻r19串联，且公共端连接第五电容c5一端，第十七电阻r17另一端连接放大电路，具体地，第十九电阻r19另一端连接运算放大器的同相输入端，且通过第六电容c6接地。第五电容c5另一端连接运算放大器的输出端，且通过第二十电阻r20连接运算放大器u的反相输入端:第十八电阻r18一端连接运算放大器的反相输入端，另一端接地；运算放大器的输出端输出去噪信号；然后将去噪信号输入到示波器。

53、本发明的有益效果为：

54、1.本发明方法实现超临界流体氮(p＝3.4～10mpa，t＝126～500k)仿真模型的建立。在处理对高浓度粒子和大电场梯度的计算时通过fct构造了点对点净输运的通量，它能够精确处理高密度粒子和陡梯度势场问题，加速收敛，避免振荡现象。采用这种方法对气体放电粒子连续方程进行求解，并结合有限差分与超松弛迭代方法完成泊松方程的求解，减少运算时长。

55、2.本发明方法实现超临界状态下氮气的新型模型搭建和数值分析，以及对高浓度粒子和大电场梯度的部分参数计算。建立scn2放电过程带电粒子动力学行为与场函数耦合模型，设计瞬态非线性方程解析方法。所采用的气体放电流体模型及求解方法完整地仿真n2气体放电的微观过程，得到n2气体放电过程的空间粒子分布、空间电场分布和z轴上电流等参量。数值分析计算结果可以定量的研究放电的基本过程，得到每个对应时刻条件下的电子、正离子、电场分布、流注发展速度及流注通道的半径，流注发展过程中电子的温度等微观参量，从而更好的和实验进行对比，从微观去研究和分析气体放电的规律。

56、4.本发明搭建全方位光电信息采集系统，以实现完整真实的模型搭建。