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氣體放電光輻射的光譜分析

發(fā)布時(shí)間:2020-06-24 14:14:06人氣:

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備大都處在空氣中,在設(shè)備沿面空氣發(fā)生電離放電時(shí),根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度(或電壓差)的不同,會(huì)產(chǎn)生電暈、火花放電或弧光放電等。放電過(guò)程中,空氣中的電子將通過(guò)不同形式釋放出能量,其中包括光輻射。以棒一板電極為例,在電壓還較低時(shí),棒極處的場(chǎng)強(qiáng)可能已超過(guò)臨界值,棒端附近即發(fā)生自持放電,離棒端稍遠(yuǎn)處,由于場(chǎng)強(qiáng)大為減小,故電離放電只能局限在棒極附近的空間,而不能擴(kuò)展開(kāi)去。該區(qū)內(nèi)所形成的離子在復(fù)合時(shí)或被激發(fā)的氣體分子在回到常態(tài)時(shí)將輻射出光子,其中除了可見(jiàn)光外大部分為紫外光,此時(shí)表現(xiàn)為電暈放電。外加電壓升高時(shí),若電極間距較小,則間隙可能被直接擊穿而形成火花放電,若間距比較大,則在擊穿前還存在一個(gè)過(guò)渡階段,即刷形放電。刷形放電時(shí),表現(xiàn)為從棒極散發(fā)出毛刷樣式的密集細(xì)光束,若電壓再升高時(shí),則毛刷中的個(gè)別光束突發(fā)地前伸到達(dá)板極,間隙被擊穿形成明亮火花,刷形放電轉(zhuǎn)變成火花放電。當(dāng)電源功率足夠時(shí),火花擊穿迅即轉(zhuǎn)變成電弧??梢?jiàn)火花放電和電弧放電是電暈放電惡化后更嚴(yán)重的放電,光輻射的性質(zhì)相同,紫外輻射同樣是增強(qiáng)的,兩者的發(fā)展方向是一致的。圖2.1是典型的電力設(shè)備電暈放電光譜,光譜大部分處于400nm以下的紫外區(qū)域,故可選擇處于紫外區(qū)域作為檢測(cè)放電的突破點(diǎn)。

典型電暈放電圖譜
如圖2.1所示,由于能級(jí)躍遷過(guò)程中的不連續(xù)性,電暈放電產(chǎn)生的光譜分布曲線是不連續(xù)的,它包含很多譜線,譜線高密度區(qū)域形成譜帶。其中譜線非常狹窄,陡峭得像一條線,是原子能量躍遷輻射出來(lái)的,取決于原子的結(jié)構(gòu)。譜帶是分子在其振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷時(shí)輻射出來(lái)的,取決于分子的結(jié)構(gòu)。因此,光譜隨波長(zhǎng)的分布特性表征了一定類型的原子和分子的特性。

有研究表明對(duì)空氣中不同外加電壓下尖板放電的電暈光譜進(jìn)行了實(shí)測(cè),如圖2.2-2.4所示。
電暈光譜
上述測(cè)試結(jié)果中,電暈放電的光譜包括近紫外、可見(jiàn)光、紅外3個(gè)譜段,既有連續(xù)譜,也有譜帶和分離譜線,可知,放電過(guò)程中,不僅發(fā)生了分子的解離,而且還伴隨有一定數(shù)量的原子電離。因此,空氣中的電暈放電光譜包括分子光譜、原子和離子的發(fā)射光譜。在放電電壓較低時(shí),當(dāng)尖一板距離不變,紫外區(qū)的輻射強(qiáng)度隨電壓的升高而增強(qiáng),紅外區(qū)的輻射強(qiáng)度隨電壓的升高而降低;而在電壓不變的情況下,隨著尖一板距離的增大紅外區(qū)的輻射強(qiáng)度會(huì)提高,紫外輻射強(qiáng)度反而減弱??梢?jiàn)光區(qū)域?qū)ν饧与妷汉蜌庀堕L(zhǎng)度較不敏感。該研究說(shuō)明紫外光對(duì)外加電壓敏感,能用紫外輻射表征電壓大小和放電強(qiáng)弱,因此,紫外光作為檢測(cè)信號(hào)可用于高壓設(shè)備的放電檢測(cè)。

紫外光的波長(zhǎng)范圍是10nm-400nm,由圖2.1典型放電光譜可知,其波長(zhǎng)大部分在280nm-400nm的區(qū)域,也有小部分波長(zhǎng)在230nm-280nm。太陽(yáng)也是強(qiáng)烈的紫外輻射源,但由于波長(zhǎng)小于280nm的部分被大氣中的O3所吸收,所以能通過(guò)大氣傳輸?shù)闹挥?80nm-400nm的紫外波段,低于280nm的波長(zhǎng)區(qū)間稱為“日盲”區(qū)。因此,為了實(shí)現(xiàn)在日照情況下對(duì)電氣設(shè)備的放電檢測(cè),可利用這一段日盲區(qū),采用特定的紫外線傳感器,使之工作在185nm-260nm之間,從而去除其他頻譜的干擾,可以得到比較理想的探測(cè)效果。

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