逐光IsCMOS像增强相机 拍摄奇异的高压放电电弧
应用背景
随着国家电网容量不断增大，电网供电稳定性要求也在不断提高。高压电气设备是电力系统的重要组成部分，更是电气系统的核心，所以高压电气设备运行状态的检测以及故障诊断也越来越重要。高压放电是造成电力设备绝缘恶化的主要原因。根据统计，目前在所有电力系统的事故中，绝缘事故占第二位，事故影响范围广，停电时间长、经济损失大，直接威胁着电力系统的安全稳定运行。因此，对电力设备高压放电过程进行检测和研究可以为提升电力设备性能提供理论基础，在保证电力系统安全稳定方面有着非常重要的现实意义。
空气本身并非导体，但是在施加强大电压的情况下将会发生击穿，微观表现为空气中的分子被电离，宏观表现为空气中出现一条由等离子体组成的通路，而等离子体可以导电。当两个非接触的导电体其中一端被加上高压后，由于电场强度很高，间隙中的空气被击穿。空气被击穿后，在间隙中存在正负离子，它们在放电间隙中运动，构成了放电通道，从而形成电弧。放电过程是瞬态发生的物理现象，人眼和普通设备难以观测电弧中电流传递过程。而利用时间分辨相机可以对放电过程进行时间切片成像，从而分析放电过程的不同阶段，为高压放电过程诊断提供有力支持。
本次实验采用中智科仪IsCMOS时间分辨像增强相机TRC411，借助其纳秒级的快门、高精度的时序控制及高量子效率的光阴极，对高压作用下空气中针尖放电过程进行成像拍摄。
实验方案
实验设备：
中智科仪IsCMOS时间分辨像增强相机 TRC411-S-HQB-F
实验流程：
1.首先将TRC411对准放电针尖，调节成像镜头使针尖成像清晰，调整相机位置，保证针尖处于成像区域中心附近;
2.将高压输出电路连接至针尖，打开高压发生装置，逐渐增大电压至8kV左右，直至针尖有明显的放电现象;
3.设定相机为外触发模式，利用高压探针衰减处理后的信号触发相机，优化延时参数，保证相机开门时间与高压峰值同步;
4.优化相机增益和门宽，拍摄完整且清晰的高压放电电弧。
实验结果
HV：7.5kV，gain：3400，gate width：20us
HV：7.5kV，gain：3400，gate width：50us
HV：5.5kV，gain：3400，gate width：50us
结论
利用TRC411相机对高压针尖放电过程进行拍摄，通过调整相机增益、曝光时间等参数，可以获得清晰的针尖放电电弧形貌及分布图像。通过实验初步研究了不同高压下放电强度和放电电弧形貌特征：电压高于5KV时，开始观察到放电现象;电压为5.5KV时，放电集中在针尖附近，电弧主要顺着针尖方向分布和延伸;电压增大至7.5KV时，放电明显增强，除针尖附近外，针尖后区域也出现明显的放电电弧，针尖附近的电弧主要顺着针尖方向分布，针尖后区域的电弧垂直于针尖分布。高压放电电弧从产生到逐渐消失，持续时间在20us左右。
结果表明：逐光系列IsCMOS相机集成的Hi-QE Blue系列光阴极对于电弧放电信号在300~400nm波段的蓝紫光具有非常高的响应效率和优良的信噪比，利用逐光系列IsCMOS相机可以清晰地捕获高压放电完整过程，并对放电产生的电弧分布特征清晰成像。借助相机的纳秒级光学门宽和皮秒精度的时序同步功能，可以轻松实现放电电弧产生和延伸规律的时间切片成像，从而分析整个放电过程中电弧的演化规律。逐光系列IsCMOS相机以其在蓝光波段的高量子效率，以及高增益，精准时间同步等功能和特性，已成为高压放电过程诊断研究的强有力工具。
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解决方案
由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。
1. 500皮秒光学快门
以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。
2.超高采样频率
逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。
3.精准的时序控制
逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。
4. 创新“零噪声”技术
得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。
