1、项目背景

气体放电是人们在自然界与日常生活生产过程中常常碰到的现象，其主要原理 是当气体中存在自由电子时，在高电压下，气体变为电的导体，有电流流过气体， 产生气体放电现象。目前，常见的气体放电现象有闪电、日光灯、电晕放电、辉光放电、火花放电、电弧放电等。对于人们日常生活和工业生产而言， 在电力系统绝缘设备运行中常发生气体放电，影响绝缘设备的安全稳定运行，需要 通过故障在线检测来抑制气体放电的产生；另外，利用高电压产生的气体放电可以 产生电、热、光、物理化学等多种效应，其越来越广泛的应用于国民 生活中，如能源环境化工、材料科学、生物医学以及军事与空间科学等领域，其与 传统技术相比具有节能环保、处理效率高等优点，具有很高研究和应用价值。

《高电压技术》是电气工程及其自动化专业的核心课程。气体放电是高电压技 术课程的最基本、最核心实验。气体放电是电气设备绝缘设计的基础，也是高电压 技术在高新技术领域应用的基础。在气体放电实验环节融入多种效应诊断分析相关 内容，有助于学生理解气体放电原理和物理过程，掌握高电压绝缘领域抑制气体放 电产生及在线监测，或者在气体放电新技术应用中提高其作用效果的方法，满足学 生未来在高电压领域从事科学研究或工程应用的知识和能力需求。

2、目前存在的问题 《高电压技术》课程是一门以实验为基础的课程，内容包含大量工程实践和实 验规律的总结，但是目前国内各高校气体放电实验仅凭学生肉眼观察和击穿电压记 录，由于气体放电击穿过程快，现有实验不能观测到气体放电瞬态微观物理过程， 难以理解气体放电过程。此外，由于气体放电实验需要采用高电压激励，反应气体 气压高，实验危险性大，对学生操作规范性要求高，难以开展本科生自主创新实验。 具体问题如下：

（1）做不全：气体放电中涉及到电、热、光、物理化学等多种效应，目前高 电压气体放电实验中学生仅通过实验观测和击穿电压记录，难以在实验中全面诊断 气体放电产生的多种效应；

（2）做不到：气体击穿过程快（纳秒至微秒量级），学生在目前实验中只是观 测到的气体放电的宏观现象，难以得到其瞬态微观电离、激发、电子雪崩等物理过 程信息；

（3）做不完：气体放电多效应诊断实验涉及到高电压气体放电反应器搭建， 放电设置参数，诊断设备搭建，测量参数设置，多效应诊断及放电机理还原。实验 各步骤复杂，还需保障学生安全，实验耗时长，难以在本科生教学中开展；

（4）做不起：气体放电实验中所需多种高压电源、工作气体、反应器及高端 示波器、高压探头、电流探头、光谱仪、ICCD 相机、红外测温仪等，除占用实验 室场地外，设备购置和后期维护成本高。

针对目前气体放电实验存在的做不全、做不到、做不完、做不起的问题，本实 验项目建立电、热、光、场等虚拟仿真诊断平台，使学生可以全面诊断气体放电产 生的多种效应，解决做不全的问题；利用虚拟仿真实验手段演示无法宏观观测的气 体放电物理过程（如电离、激发、电子雪崩等），辅助学生理解掌握，解决做不到 的问题；通过虚拟仿真实验手段可在短期内使学生了解掌握实验内容，通过仿真平 台快速完成电路拆除连接、气体置换、设备调试，解决做不完的问题；最后，目前 高电压气体放电实验所需电源、反应器、诊断设备等众多，设备购置和后期维护成 本高，且实验运行中电、气体等资源消耗大，通过虚拟仿真实验手段可以节约成本， 解决做不起的问题。

3、实验目的和意义

高电压气体放电多效应综合诊断及其物理过程虚拟仿真实验依托南京工业大 学电气工程与控制科学学院高电压与放电等离子体实验室以及实验室前期高电压 气体放电相关科研成果积累建设。该项目通过虚拟仿真实验平台实现气体放电多效 应诊断，使学生从宏观到微观层面深入理解气体放电过程，提高分析和解决复杂工 程问题能力。主要实验目的如下：

（1）了解并掌握气体放电产生方法及相关设备基本知识，包括：高压电源（直 流、交流、脉冲电源）、示波器、电压探头、电流探头、光谱仪、红外热成像仪、 气路及电路连接、高电压实验安全注意事项等；

（2）掌握气体放电电、热、光、场多效应诊断方法，包括: 电流电压波形测 量、发光图像、发射光谱、热量分布、电场仿真等；

（3）了解并掌握气体放电电、热、光、场多效应测量结果分析方法及微观参 量计算分析方法；

（4）通过宏观到微观还原气体放电中粒子碰撞过程和能量传输过程；

（5）培养学生开展组合绝缘设计能力，包括选择介质材料，气体选择，结构 设计等，并综合考虑电气设备绝缘配合经济性。