1 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院, 吉林长春 130021
2 南昌工程学院电气工程学院, 江西南昌 330099
受拍摄环境及局部放电程度影响, 夜间型紫外相机拍摄电晕放电图像不清晰、放电区域的颜色不仅接近背景颜色且与背景交叉重叠等导致难以自动分割局部放电, 针对该问题提出一种新的电力线紫外图像局部放电区域精确分割方法。首先, 构建基于 Unet深度学习语义分割模型, 利用已训练 Unet网络对紫外图像语义分割获得电晕放电区域粗分割结果; 其次, 将放电区域紫外图像转换为灰度图像, 基于前景加权的 Otsu阈值分割法对粗分割结果进行精确分割。对 426个样本进行测试, 本文方法全部分割出了样本图像中的局部放电区域, 且分割出的放电区域与真值之间的误差接近 0, 所提出的电晕放电分割方法能为局部放电大小量化和评估提供准确的数据源。
电晕放电 紫外成像 语义分割 Otsu阈值 corona discharge, ultraviolet imaging, semantic se
局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。 空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。 采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程, 并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200~980 nm范围内的发射光谱。 放电初期的发射光谱主要由氮气分子N2的带状光谱组成, 分别为N2第二正带系(second positive system, SPS)和N2第一正带系(first positive system, FPS)。 放电程度加深后, 发生能级跃迁的粒子种类更加丰富, 由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线, 光谱范围也由放电初期的280~460 nm扩展至200~980 nm。 放电处于临界击穿时, 发射光谱的强度急剧增加, 强度最高值出现在500.715和777.202 nm处, 分别对应氮离子N+和氧原子O的辐射谱线, 这意味着微观放电过程再次发生改变。 基于空气放电机理分析得到: 放电初期、 放电加深、 放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N2, NO与O和N+辐射跃迁所致, 这由放电间隙的能量所决定, 其特征光谱分别为336.907, 239.687和500.715 nm。 放电初期, 336.907 nm处的强度绝对占优, 239.687和500.715 nm处的相对强度极小; 放电程度加深时, 239.687 nm处的强度占优, 500.715 nm处的相对强度极小; 临界击穿时, 500.715 nm处的强度占优, 336.907 nm处的强度最弱。 空气电晕放电的200~980 nm光谱范围内, 紫外波段、 可见光波段和近红外波段的光子数虽然都随着施加电压的升高而增加, 但各波段光子数的归一化结果表明: 随着放电程度的加深, 紫外波段的光子比例逐渐减小, 可见光波段的光子比例逐渐增加, 近红外波段光子比例变化相对较小。 不同放电阶段的“紫外-可见光-近红外”波段的相对光子数分布有较明显的差异, 可以反映放电的发展程度。
空气电晕放电 发射光谱 放电过程 特征谱线 Air corona discharge Optical emission spectroscopy Discharge process Characteristic spectrum wavelength 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2956
快脉冲直线变压器型驱动源（FLTD）是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术，多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能，但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响，确定了电晕针电极的尺寸，之后研究了N2，CO2，SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性，研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明，N2中电晕电流较大且不稳定，空气中电晕电流比N2中低，且电晕放电较为稳定，微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时，气体开关击穿电压随气压升高线性增加，但存在低值击穿，微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时，击穿电压约为197.33 kV，标准偏差占击穿电压比例为1.50%，1% C4F7N /99%N2混合气体在0.15 MPa时，击穿电压约为190.42 kV，标准偏差为0.55%。这表明，微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。
电晕均压 多间隙开关 电晕特性 自击穿特性 corona discharge for voltage balance multi-gap gas switch corona characteristics self-breakdown characteristics 强激光与粒子束
2020, 32(2): 025012
1 浙江大学 工业生态与环境研究所，杭州 310028
2 军事科学院防化研究院 国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205
随着印染行业的快速发展，印染废水的排放与日俱增。由于废水中的有机物具有成分复杂、难以降解的特点，若未经有效处理直接排放，会对生态环境造成严重的污染和危害。试验设计了一种多针-网式反应器循环处理有机组分为酸性红73（AR73）的模拟废水，其采用自行设计的基于TLT（Transmission Line Transformer）的高压重频纳秒脉冲电源驱动。电源可以产生峰值电压为50 kV，脉宽40 ns，上升沿20 ns的纳秒脉冲信号，工作频率可达500 Hz。试验考察了峰值电压、放电频率、染料初始质量浓度及作用时间等因素对AR73降解效果的影响。为评价处理效果，采用紫外分光光度法分别测量了废水中剩余染料浓度、过氧化氢浓度等指标。结果表明，在初始浓度30 mg/L，循环流量3.4 L/min，放电间距30 mm，峰值电压44.26 kV，放电频率200 Hz条件下处理30 min，AR73降解率可以达到83.20%，单次脉冲注入能量为11.73 mJ，过氧化氢浓度为47.36 μmol/L，反应器脱色能效（G50）可以达到31.07 g·kW?1·h?1。增大放电电压可以进一步提高AR73降解率，溶液中活性物质浓度提高，但是能量效率有所下降。
纳秒脉冲 电晕放电 低温等离子体 染料降解 高级氧化 nanosecond pulsed corona discharge non-thermal plasma dye degradation advanced oxidation 强激光与粒子束
2020, 32(2): 025010
强激光与粒子束
2019, 31(12): 123201
1 西南科技大学材料科学与工程学院, 四川 绵阳 621010
2 固体废物处理与资源化教育部重点实验室, 四川 绵阳 621010
3 西南科技大学环境与资源学院, 四川 绵阳 621010
4 国家城市污水处理及资源化工程技术研究中心, 四川 绵阳 621000
电晕放电等离子体技术是近年发展起来的一种新型高级氧化工艺, 因其处理效果好、 操作简单、 占地面积小的特点在印染废水处理领域得到了广泛应用。 目前因大部分有机污染物的降解机理不详, 该技术尚处于探索阶段。 因此, 为了尽早将电晕放电等离子体技术应用于工业印染废水的处理, 不同污染物降解机理的研究对该技术的工业化和产业化应用具有重要意义。 至今, 电晕放电等离子体技术对研究较多的染料的降解效果均较好, 然而, 是否适合所有染料的降解有待进一步研究。 采用电晕放电等离子体技术处理三苯甲烷类染料甲基蓝, 研究了溶液的初始浓度对甲基蓝紫外-可见光谱中芳香环的降解率、 发色基团吸光度变化的影响, 测定了溶液的浓度、 总有机碳(TOC)、 总氮(TN)、 pH值等指标随着放电时间的变化, 并对其相关性进行了分析。 结合紫外-可见光谱(UV-Vis)、 三维荧光光谱(3D-fluorescence)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)三种光谱学手段分析了电晕放电降解甲基蓝过程溶液的颜色、 荧光物质和官能团变化, 分析了电晕放电降解甲基蓝30 min后生成的中间产物。 结果表明: 电晕放电等离子体降解甲基蓝过程, 溶液的浓度随着放电时间的延长逐渐减小, 表明该技术对甲基蓝溶液有一定的降解能力; 降解过程高压电极放电击穿含有大量氮气的空气产生N, NO·, N+2等含氮高活性粒子, 这些粒子通过扩散作用迁移至液相, 使得溶液中TN含量在整个降解过程逐渐升高; 另有部分含氮高活性粒子与钨钢针电极溶出的C元素键合生成发色的CN双键, 使得溶液中的总有机碳在放电5 min时有所升高。 延长反应时间产生的高活性粒子与溶液中的有机物(甲基蓝及中间产物)继续作用, 部分有机物矿化生成CO2, 引起溶液中TOC含量的下降。 电晕放电相同时间内产生的活性粒子数量相当, 增大甲基蓝浓度, 未被降解的甲基蓝分子越多, 导致甲基蓝降解率的减小。 电晕放电过程甲基蓝分子之间的聚合与发色CN双键的生成共同促使甲基蓝发色基团吸光度在放电5 min时达到最大; 且甲基蓝溶液的初始浓度越高, 吸光度(A5-A0)升高的越多。 概括来说, 甲基蓝结构中发色CN双键的存在是电晕放电等离子体降解甲基蓝过程溶液颜色加深再变浅的主要原因。 反应过程羟基自由基的消耗导致放电5 min时溶液的pH值升高; 随着反应的进行溶液中生成的硝酸及小分子酸增强了溶液的酸性, 导致pH值降低。 三维荧光光谱结果表明, 甲基蓝降解过程出现了三类明显的荧光峰, 位于EX/EM=310~320/430~450, EX/EM=240~250/320~340和EX/EM=280/340, 分别代表腐殖酸类物质、 芳香族蛋白质和溶解性微生物代谢副产物。 甲基蓝溶液降解前的荧光物质主要为腐殖酸类, 随着降解时间的延长, 腐殖酸类物质首先降解生成了芳香族蛋白质, 进一步降解产生可溶性微生物代谢副产物。 比较电晕放电前后甲基蓝溶液的红外光谱图和红外分峰图发现, 甲基蓝结构中N—H键3 432.8 cm-1处不对称伸缩振动峰红移了0.3 cm-1, 烯烃和苯环上C—H键2 975.9 cm-1处的伸缩振动峰向高波数偏移了0.5 cm-1, 1 638.7 cm-1处RCHCHR的双键伸缩振动位置蓝移了3.2 cm-1, 芳仲胺的C—N伸缩振动峰1 341.6 cm-1向高波数偏移了1.3 cm-1, 磺酸基SO的伸缩振动峰1 121.1和1 034.3 cm-1分别红移了3.8和13 cm-1, 甲基蓝结构中的环外CC双键与CN双键吸收峰消失, 在1 692.4和1 400.4 cm-1处分别出现了CO和NO的伸缩振动吸收峰, 产生了2,5-环己二烯-1,4-二酮、 对硝基苯磺酸钠和芳香酮类等中间产物。 该结果对于利用电晕放电等离子体技术处理甲基蓝废水具有重要的理论意义和实用价值。
电晕放电等离子体 甲基蓝 含氮自由基 红外光谱 红外分峰 三维荧光光谱 Corona discharge plasma Methyl Blue Nitrogen free radicals FTIR FTIR fitting Three-dimensional fluorescence 光谱学与光谱分析
2018, 38(11): 3354
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海大学理学院, 上海 200444
4 同济大学理学部, 上海 200092
通过数值模拟光丝与负电晕相互作用过程中的空间电场分布,实验观测飞秒激光诱导负电晕放电现象, 研究了空气中飞秒激光光丝与针-板电极结构中产生的负电晕之间的相互作用的规律和机理。模拟和实验结果表明,在相互作用过程中, 光丝末端出现高于雪崩电离阈值的空间电场分布, 产生了负电晕放电现象。通过调控光丝长度可以控制负电晕的作用区域, 由此提出一种全光诱导负电晕的新方法。
激光技术 负电晕放电 有限元计算 飞秒光丝 中国激光
2018, 45(10): 1001002
1 桂林电子科技大学生命与环境科学学院, 广西 桂林, 541004
2 广西信息科学实验中心, 广西 桂林, 541004
采用LIGA(Lithographie, Galvanoformung, Abformung)工艺设计加工了一种微型针-柱放电结构芯片,可实现敞开式离子源和微型气泵的系统集成。此微型放电结构由采用电镀铜加工而成的针电极、上圆柱电极和下圆柱电极组成, 针-柱间距有1 mm、2 mm两种规格。在室温、大气压环境、无外界通入气流的条件下, 通过在针-柱电极上加载负直流高压, 可产生稳定的气体放电。利用风速计testo 405-V1测量芯片气体放电产生的离子风风速, 结果表明针-柱间距为2 mm时产生的离子风流速最大, 可达0.79m/s。对针-柱间距2mm规格的微型芯片进行乙酸进样电离实验, 当针-柱之间产生稳定的电晕放电后, 可发现位于芯片出口处已被去离子水润湿的PH试纸变红。此时利用微弱电流检测系统采集电离产生的离子, 当放电电压为-3300V时, 通过微弱电流采集系统检测到的电流信号可达120pA。采用LTQ XL 离子阱质谱仪, 对芯片电离丙酮、无水乙醇和乙酸乙酯的离子产物进行检测, 所得到的主要物质为质子化单体离子和二聚物离子。放电产生离子风风速以及乙酸的进样和电离实验表明, 基于LIGA的微型针-柱结构芯片可实现大气压环境下敞开式离子源和微型气泵的双重功能。
微型放电结构 电晕放电 离子源 微型气泵 Micro discharge structure corona discharge ion source mini air pump
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海大学理学院, 上海 200444
4 同济大学理学部, 上海 200092
针对飞秒激光诱导电晕放电实验, 提出了一种新的电极优化设计方案。理论分析了球形电极与传统锥形电极在飞秒激光诱导电晕放电中的不同, 给出了飞秒光丝附近的空间电场分布, 比较了两种情形下飞秒光丝尖端附近电晕放电的起晕电场阈值。对比了球形电极与锥形电极在飞秒激光诱导电晕放电中的实验现象。理论和实验结果表明, 新设计的球形电极可显著提高飞秒光丝与外加电场的耦合效率, 并可提高飞秒光丝诱导电晕放电的效率。
激光技术 飞秒光丝 电晕放电 电场阈值 有限元计算
