2020年3月18日，华中科技大学、COMSOL公司和国家电网公司联合团队在Journal of Physics D: Applied Physics期刊发表了题为“Experimental study of the dynamics of leader initiation with a long dark period”的研究论文，报道了流注-先导转化暗区时间内放电通道气体温度时域变化的测量结果和通道气体加热的动态过程的物理机制研究进展。
长空气间隙放电中的正极性先导是一种以热电离为主导机制的放电现象。正极先导放电形成与发展是导致输变电系统外绝缘闪络的主要原因，同时正极性先导也是雷电地闪放电和高层大气瞬态发光放电现象的重要子过程。先导放电形成的能量来源于流注放电产生的自由电子碰撞中性气体分子。经典理论认为，流注放电电子能量除了通过快加热过程，直接传递给中性气体分子，导致其平动温度升高以外，还部分转化为N2的振动激发态。在流注放电起始之后、先导通道形成以前的暗区时间内，N2振动动能会逐渐转化为中性分子的平动动能(V-T转化)，导致气体温度呈现上升趋势。并最终达到触发不稳定热电离产生的临界温度2000K，而导致流注向先导放电转化。
本文首先构建了适用于m级长间隙放电观测的定量纹影测量系统（如图1所示），其时间分辨率为1.25μs/frame、空间分辨率为48.5μm/pixel，获得了流注向先导放电转化过程中连续时域分辨的纹影图像(如图2b所示)。通过优化设计放电电极结构，实现了电极附近先导放电通道数量和路径的调控(如图2a所示)，解决了因长间隙先导放电路径随机性而导致Abel反变换圆柱对称假设难以满足、温度反演误差大的问题。实验发现了暗区时间内流注茎前方细加热通道形成和发展现象(precursor)。测量获得了首次暗期和二次暗期内，先导通道径向气体密度分布和温度分布及其随时间的连续变化规律。测量结果表明，当流注放电停止后，先导通道中心温度在暗期时间内呈现逐渐下降趋势，最后稳定于1000K左右。
论文同时建立了考虑质量守恒、动量守恒、平动动能和振动动能守恒的先导放电气体加热动力学过程1维径向数值仿真模型，以实测放电电流作为输入，仿真获得了暗区时间内放电通道中心气体温度变化曲线。与实测结果对比表明(如图3a所示)：在暗区起始初期，由于V-T转化不能补偿通道气体的热对流和热扩散作用，气体中心温度呈现下降趋势，实测和仿真结果吻合较好；而经典的Gallimberti模型未考虑放电通道气体热传导和热对流导致的能量损失，夸大了V-T转化对气体加热的贡献。在暗区时间的后半段，由于通道内部电场开始恢复，离子电流的加热作用增强，可以部分补偿热对流和热传导作用，使得气体温度最终稳定在1000K，同时离子电流加热导致了细加热通道precursor的形成。论文最后还讨论了后续研究precursor通道特性所需要在实验测量系统和数值仿真模型两个方面的改进方向。本文的研究工作可为丰富长空间隙放电先导的形成物理过程的认识提供参考。
论文工作获得了国家重点研发计划（2016YFB0900801）、国家自然科学基金（51607076）及国家电网公司科技项目（SGAHDK00SPJS1800265）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab7625 J. Phys. D: Appl.Phys. 53(2020) 205203。论文作者：Cheng Chen(程晨),Lipeng Liu(刘里鹏), Hengxin He(贺恒鑫), Bin Luo(罗斌), Jingyang Hu(胡锦洋), Weijiang Chen(陈维江)和Junjia He(何俊佳)。
第一作者：程晨(1994年生)，男，博士研究生，2016年6月于北京理工大学获电气工程学士学位；2019年6月于华中科技大学高电压与绝缘技术专业获硕士学位；2019年9月至今于华中科技大学攻读博士学位，主要从事长空气间隙放电机理与雷电防护方面的研究工作。
通讯作者：贺恒鑫(1982年生)，男，博士，主要从事长空气间隙放电机理、电力系统过电压与绝缘配合和雷电防护方面的研究工作。
Journalof Physics D: Applied Physics是英国皇家物理学会(IOP)系列期刊之一，是应用物理领域高水平期刊，涉及生物物理学、等离子体及能源材料等应用物理学研究的各个方面。
