大气压下不同气体的流注放电特性

大气压下气体放电通常表现为丝状放电形式。流注或先导放电是其气体击穿的起始阶段,相对于低气压下暗放电或辉光放电具有更复杂的演化特性。为了研究不同气体的流注传播特性,采用流体模型对1 cm平板电极中大气压下氮气、氧气,以及氮气混合20%、1%和0.01%氧气的双向流注传播过程进行了仿真计算。光电离作为源项加在流体模型中,在数值仿真时采用解多组Helmholtz方程代替Zheleznyak积分计算。仿真结果表明:氧气含量较低时,流注会出现分叉现象;氧气中流注发展速度较快;氧气中正流注通道半径较大。     

大气压下湿度对气隙流注放电及击穿的影响

空气中存在的水汽会使空气介电特性发生改变,严重影响输电线路外绝缘特性。为此通过理论及实验研究了湿度对流注放电的影响。理论方面通过Wieland近似法对湿空气的放电参数进行修正,对比分析了干洁空气与湿空气的放电参数,计算了不同湿度下针板气隙流注放电参数,提出了湿空气下流注起始、传播判据以及击穿电压计算方法。实验方面搭建流注放电室,进行棒板间隙流注放电实验,实验结果与理论计算结果相符。湿空气放电参数表明：低电场下(E/p<0.3V/(cm·Pa))湿度增大对电离系数影响不大,强电场情况下湿度对电离系数有着明显的促进作用;低电场时附着系数随湿度增大而增大,强电场时附着系数随湿度增大而减小;针板间隙流注计算结果表明湿度增大会使流注峰值电子密度、流注半径增大,流注传播速度加快;棒板击穿实验及击穿电压计算结果表明,当湿度较低时,湿度对击穿电压的影响不大,当相对湿度达到约94%时,湿度增大使得击穿电压明显提升。     

基于Helmholtz模型的流注放电过程光电离快速计算

流注放电过程通常用流体模型来描述,它由粒子连续性方程耦合泊松方程组成,光电离作为源项加在电子和正离子连续性方程上。目前光电离一般用精度较低的空间均匀背景预电离代替或者用计算效率低的Zheleznyak积分模型进行求解。针对上述两种方法的不足,有学者用多组Helmholtz方程代替积分方程计算光电离,但并没有揭示此方法的物理意义和得到有效的边界条件。结合Penney和Hummert用离子室测量光电离的实验,若把吸收函数表示成指数和形式,即可得到Helmholtz模型的控制方程;根据辐射物理特性,给出了Helmholtz方程Sommerfeld远场辐射边界条件。将该方法应用于高斯辐射源和大气压下双向流注传播过程计算,并与采用其它边界条件的Helmholtz方法和Zheleznyak积分方法进行对比实验。仿真结果表明:采用Sommerfeld远场辐射边界的Helmholtz模型和采用Zheleznyak积分方法计算结果接近,但计算效率更高。     

气压与湿度对绝缘介质表面流注发展特性影响的试验研究

目前,正在建设和规划的特高压线路大多将经过高海拔地区,沿线复杂的气象条件(气压、湿度)将使输电线路及电力设备的绝缘状况面临严峻的考验。因此,有必要重点研究气压、湿度变化对绝缘介质沿面闪络特性的影响,为特高压输电线路的绝缘设计提供理论依据。通过研究流注放电特性,从放电机制上探讨环境因素(气压、湿度)对沿面闪络特性的影响。在"三电极"结构中,利用光电倍增管测量了不同气压、湿度条件下绝缘介质表面流注传播特性。试验结果表明:流注稳定传播场强分别与气压、湿度成正比例关系;在相同的电场强度下,流注平均传播速度、流注头部发光强度都分别与气压、湿度成反比例关系。因此,流注在低气压、低湿度情况下容易发展,流注稳定传播场强较小,相同电场强度下,流注平均传播速度、流注头部发光强度较大。     

短间隙流注放电数值仿真方法研究进展

流注放电是间隙放电研究的重要内容与切入点,仅靠实验手段仍然无法获得流注放电的微观机制及放电通道内的全部物理参数,因此,数值仿真成为推动流注放电理论发展的一种重要方法。文章阐述了短间隙流注放电仿真的流体模型及其假设,分析了数值仿真算法中的3个难点问题,即粒子输运方程的准确求解、不规则区域中泊松方程的快速求解以及光电离项的快速求解。在回顾流注放电数值仿真领域解决上述3个难点问题的历史过程与取得进展的基础上,提出了解决上述问题的可能途径与努力方向。     

正流注传播动力学特性随气压湿度的变化

为了解流注传播电场测量中大气参数的影响,利用“三电极系统”研究了不同气压湿度条件下正流注的传播电场和传播速度。利用两个光电倍增管检测流注在平行极板间的传播,获得了流注传播电场的概率分布及平均传播速度,得到了无外加脉冲电压时流注传播的“稳态电场”与相对空气密度、湿度间的经验公式,并和其它研究者提出的公式进行了比较。研究表明:流注传播的“起始电场”和“稳态电场”随着外加脉冲电压的减小而增大,随着气压和湿度降低而减小;电场强度相同时,流注平均传播速度随着气压和湿度的增大而减小,其数量级为105m/s。     

短空气间隙流注放电的实验观测技术综述

流注放电是气体间隙放电的重要阶段,流注放电的机理、仿真及实验研究是高压放电等离子体领域研究的重点之一,其中流注放电的实验研究是流注放电机理及仿真研究的基础。然而流注放电具有多时空尺度、多粒子碰撞、多物理场耦合等复杂特点,这对流注放电的实验观测提出了巨大的挑战。该文针对短空气间隙流注放电的实验观测,分别从短空气间隙流注放电实验设置和短空气间隙流注放电过程观测技术2个方面综述了国内外相关实验方法、平台及取得的研究进展。在此基础上,该文对目前短空气间隙流注放电研究所需要解决的关键问题和未来的发展趋势进行了探讨,认为未来短空气间隙流注放电实验研究进一步发展的关键在于建立更高精度与更高时空分辨率的多物理量同步观测系统,观测并分析单个流注发生发展的完整过程;探索新的实验手段和测量技术,获取电子平均能量等关键特征参数;深入研究数字图像处理技术,挖掘放电光学图像蕴含的更深层次的特征信息,进而完善对流注放电机理的研究。     

初始电子浓度对空气中针板间隙正极性流注放电的影响

为揭示环境中初始电子浓度对气体放电过程的影响,利用等离子体流体力学模型研究了大气压下5mm针-板空气间隙的流注放电过程。采用的等离子体流体力学模型包括了电子、正负离子连续性方程和电场的泊松方程。研究发现:5mm针板空气间隙下流注放电的通道半径约为0.1～0.3mm;随着间隙中初始电子浓度的增加,流注头部电场强度逐渐减小,流注发展的平均速率逐渐增大,流注贯穿间隙的时间逐渐减小;初始电子浓度对板电极表面电场强度、流注通道内电场强度和流注通道半径的影响可以忽略。     

正直流电晕流注脉冲特性随气压湿度变化的研究

电晕是输电线路设计和运行中面临的重要问题之一,通过实验测量和模拟计算,得到了不同气压湿度下的正直流电晕流注脉冲特性;流注放电存在的电压区间随着气压和湿度的升高而增大,实验测量和利用流体模型计算得到的流注脉冲幅值均随着气压降低、湿度升高而减小;利用流注通道中电子密度的变化对这一现象进行了分析。     

正直流电晕流注脉冲特性随气压湿度变化的研究

电晕是输电线路设计和运行中面临的重要问题之一,通过实验测量和模拟计算,得到了不同气压湿度下的正直流电晕流注脉冲特性;流注放电存在的电压区间随着气压和湿度的升高而增大,实验测量和利用流体模型计算得到的流注脉冲幅值均随着气压降低、湿度升高而减小;利用流注通道中电子密度的变化对这一现象进行了分析。     

气压和湿度对正直流电晕流注脉冲特性的影响

电晕是输电线路设计和运行中面临的重要问题之一。为此,测量了不同气压和湿度下的正直流电晕流注脉冲幅值和脉冲重复频率,实验结果与利用流体模型计算得到的波形随气压和湿度的变化规律一致。流注脉冲电流平均幅值Im随气压的降低和湿度的增大而减小。随着气压降低,流注头部电离减弱,使得注入流注通道的平均电子密度下降,流注通道内场强平均值E的降低是导致脉冲电流幅值下降的主要原因。随着湿度升高,流注头部电离减弱,使得注入流注通道的平均电子密度下降,流注通道内电导率λ的降低是导致脉冲电流幅值下降的主要原因。低湿度下,正直流流注电晕放电容易转化为辉光电晕,高湿度下,在较宽的电压范围内一直存在流注放电,流注脉冲平均频率随湿度升高显著增大。负离子解离产生自由电子的速率随湿度升高而减小,使得自由电子出现时,正离子已迁移到距离阳极较远的地方,是流注放电可以形成及流注脉冲重复频率随着湿度升高而增大的重要原因。     

低气压下流注放电特性的研究

流注的产生和传播是空气间隙击穿中一个重要的物理过程,研究低气压下流注的产生和传播过程有助于理解空气间隙的击穿放电,对高海拔地区输电线路及输变电设备的设计和运行有着重要的意义。在可调节气压湿度的有机玻璃罐中,利用“三电极”结构,应用光电倍增管测量了不同气压湿度下,流注传播概率和平均传播速度随平板间电场强度的变化。通过数据拟合得到了流注稳态传播电场和相对空气密度以及湿度之间的经验公式。建立流体模型,对流注传播的动力学特性进行了仿真计算,得到的流注稳态传播电场及平均传播速度和实验测量得到的结果吻合得很好。结果表明：流注的传播场强随湿度、气压的增大而增大;在相同的电场强度下,流注平均传播速度随湿度、气压的增大而减小。利用仿真计算模型计算得到流注传播过程中的各个参数,分析了流注传播动力学特性随气压湿度变化的机制。     

负直流电晕流注脉冲特性随气压和湿度变化的规律

为得到负直流电晕流注脉冲特性随着气压和湿度变化的规律,建立考虑气压和湿度影响的流体模型,分别利用通量校正运移算法和分块方法求解了1维连续性方程和2维泊松方程。在人工气候罐中,利用棒–板电极,测量不同气压和湿度下的负直流电晕脉冲幅值和重复频率。计算和实验结果表明:特里切尔脉冲平均幅值及分散度随气压和湿度增大而减小。随着气压降低,电子密度增大,电导率升高,电流幅值增大。随着湿度升高,复合和附着作用增强,电子密度减小,电导率降低,电流幅值减小;同时,流注通道中包含的负离子数目减少,对阴极附近场强的影响减弱,使得阴极附近电场在负离子电荷迁移距离较短的情况下便满足新的特里切尔脉冲放电的要求,脉冲的重复频率增大。     

绝缘介质表面流注发展特性的机理研究

绝缘介质表面流注的发展是沿面闪络中的重要的物理过程,研究绝缘介质表面流注的发展特性有助于揭示沿面闪络的机理,对输电线路及电力设备的绝缘设计有着重要的意义。在“三电极”结构中,利用光电倍增管测量不同绝缘介质表面流注传播概率和传播速度随平板间电场强度的变化规律：绝缘介质表面流注传播所需的稳定传播场强大于流注在空气间隙中稳定传播的场强;同时,在高场强下,绝缘介质表面流注拥有“沿面分量”和“空气分量”2个分量,而流注在空气间隙中传播时不存在“沿面分量”,只有“空气分量”。此外,不同绝缘介质表面流注稳定传播场强和传播速度存在差异：沿面流注的稳定传播场强与介质的介电常数成正比;流注的传播速度与介质的介电常数的关系不太明显,主要与介质表面电荷附着效应和光致电子发射效应有关。     

湿度、气压对气体放电参数影响的实验研究

在不同气压下,改变空气绝对湿度,用稳态汤逊实验法(SST)测量了空气电子电离系数α和附着系数η,分析了空气绝缘强度受绝对湿度变化的影响和α、η与气压,绝对湿度的变化关系。提出修正气体放电电压时应考虑湿度、气压的综合作用。