大气中短空气间隙流注放电过程数值仿真

介绍了气体放电过程的流体数值模型,并将有限元(finite element,FE)和通量校正传输(flux-corrected-transport, FCT)法结合求解该模型。针对求解时间过长的问题,引入网格自适应剖分法和并行计算方法,提高了计算精度和效率。采用所提出方法仿真了棒板间隙流注放电过程,与实验结果吻合较好。基于仿真方法研究了电压大小、电极形状对放电的影响。基于气体放电现象的物理本质,从微观上研究了气体放电过程,得到了流注过程中空间电荷、电场分布等难以直接测量的微观参量。     

基于偏微分弱形式方程的棒-板短空气间隙流注放电仿真

随着计算机运算能力的迅速提升,采用数值仿真方法研究气体放电过程已成为热点。根据气体放电理论推导的流体动力学模型,属于对流占优方程,求解计算存在数值振荡和数值扩散问题。文中采用加权余量法的伽辽金弱形式求解该模型,仿真了棒板10mm空气间隙的流注放电过程。仿真结果表明:电子﹑正离子在流注发展过程中的浓度为1016cm-3数量级,负离子为1015cm-3;电子碰撞电离占主导作用,空间电荷对电场分布有明显的畸变作用;数值振荡和数值扩散得到了有效消除。     

棒-棒间隙操作冲击放电过程的试验观测

为揭示操作冲击作用下的棒-棒间隙放电过程,采用CCD高速摄影仪开展了2～10.5m间隙尺度正极性及1～4.5m间隙尺度负极性棒-棒间隙放电观测试验,根据观测结果总结了正、负极性棒-棒间隙放电发展过程,并获取了放电发展过程中跃变尺度、放电发展速度等特征参数随间隙尺度以及放电发展过程的变化规律。在正极性棒-棒间隙击穿过程中,正极性下行先导起主导作用;在负极性棒-棒间隙击穿过程中,梯级发展的负极性下行先导起主导作用;随着放电间隙尺度的增加,起主导作用的放电过程发展尺度占间隙的比例逐渐增加;跃变阶段的正、负极性先导发展速度均随先导的伸长而逐渐增加;负极性棒-棒间隙放电的跃变阶段可观测到空间先导的发展过程。试验观测研究进一步揭示了棒-棒间隙放电发展过程,可为棒-棒间隙放电物理过程研究提供参考。     

棒-板长间隙正极性流注生长概率模型及应用

为研究长空间隙放电分散性和放电路径随机性,建立了结合传统流注放电理论和分形生长理论的正极性流注生长概率模型。首先基于经典的流注起始判据,计算了棒-板间隙流注起始电压;选择空间电位和电子崩形成时间作为流注生长控制变量,结合泊松方程、电荷连续性方程和欧姆定律描述流注通道内部的电荷转移,仿真流注的持续发展过程;当流注到达板电极后,选择放电树枝中电位梯度最大的通道作为最后的主放电通道。分析表明,该模型可描述流注区空间电荷随时间的积累过程,棒-板间隙击穿时间的分散性以及放电路径的随机性;由其计算得的棒-板间隙主放电通道分形维数与试验结果相吻合,同时基于该模型对棒-导线-板间隙放电选择概率分布的计算结果也与试验所得规律一致。     

棒极外形对SF6棒-板短间隙流注放电特性的影响

为研究SF_6绝缘设备中可能存在的不均匀电场环境对绝缘性能的影响,从微观角度解释不均匀电场对SF_6流注放电特性的影响,建立流体动力学-化学反应混合模型,数值仿真棒-板间隙的SF_6流注放电过程。改变棒尖端外形以及棒极半径,仿真锥尖头、球头、平头等3种棒电极下棒-板短间隙的SF_6流注放电特性。结果表明:棒极外形对SF_6短间隙放电特性影响显著,不同外形棒极在初始放电阶段存在不同的电场分布,锥尖头棒尖端外形流注注头电场峰值最大,发展速率更快,流注发展速率随放电间隙的增大而减小,而平头棒尖端外形流注的放电通道半径最大。棒极半径的增大使流注头部电场强度以及平均电子能减小,流注发展速率减慢。     

棒-板长间隙正极性放电仿真模型

长间隙放电模型常被用于仿真放电过程、分析机理及预测放电参数,对于绝缘设计具有重要的指导意义。针对棒-板长间隙正极性放电过程,提出了一种仿真模型。在假设流注区轴向电位梯度恒定的前提下,通过比较背景场与实际场求取流注区位置,提出双圆柱模型以计算长间隙放电过程中的空间电荷变化,在此基础上计算了先导发展速度并根据气体热力学理论分析了不同时刻产生的先导在放电过程中的变化,从而建立了正极性长间隙放电仿真模型。利用该模型对10m棒-板间隙正极性放电过程仿真,仿真结果在先导长度、空间电荷量、击穿时间及击穿电压等主要参数上与实验数据均较为符合,证明了模型的有效性。     

棒-板电极直流负电晕放电过程中重粒子特性的仿真研究

为研究电晕放电过程中的重粒子特性,基于流体动力学模型提出了一种改进的电晕放电混合模型,该模型包含空气放电过程中最主要的6类等离子体化学反应,以及光电离作用和二次电子发射过程。基于上述模型,对棒-板电极在6 kV电压下的负电晕放电过程进行仿真,得到负电晕放电的脉冲波形;并分析了电场强度、净空间电荷密度在单次脉冲过程中随着时间和空间的变化规律,重点讨论了重粒子的组成成分及其分布特性。结果表明,在所有粒子反应中,电子和N2分子发生碰撞电离的反应速率最大,但产生的N2+密度却远小于O4+和O2+。O2-离子是负离子中数量最多的粒子,对电晕放电过程起到抑制作用。O是除N2和O2外含量最高的中性粒子;由于中性粒子在电晕放电过程中的含量较小,因此起到的作用相对较小。     

棒-板长空气间隙击穿电场稳态条件的仿真

为推动以放电理论为基础的高电压与外绝缘学科从半物理到物理研究方向的发展,基于有限元数值计算方法,对棒-板长空气间隙的电晕云模型进行了仿真研究。结果表明:带电离子和外加电压同时影响空间电场分布,空气分子的电离率α对电场分布影响较大,附着率η、结合率β、解离率γ对电场影响较小;不同电晕云长度对空间电场分布的影响都具有相同规律性;空气相对湿度对击穿电压影响较大,空气湿度越小,空气越容易击穿;正极性棒-板长空气间隙击穿的电场条件为:放电起始后,电晕头部最高场强达到11.0kV/cm,电晕云内部最低场强达到3.0kV/cm,在该条件下对应的击穿电压计算值与实验值误差<11%。以上计算结果可为超特高压外绝缘的设计提供可靠的理论依据。     

温度对棒—板间隙正流注电晕放电特性的影响研究

目前国内外温度对棒板间隙流注电晕放电特性影响的研究仍不完善.文中基于低温环境流注放电试验平台,利用光电倍增管、ICCD、CCD等弱光检测设备对低温下棒—板间隙的正流注传播特性进行了试验研究和理论分析.研究结果表明,温度降低对棒—板间隙正流注放电具有抑制作用,体现在发光强度和分叉程度随温度降低而减小;在流注电晕存在的电压...     

毛刺缺陷影响下的球-板间隙流注放电特性

利用由光电倍增管和电场传感器组成的光电联合检测系统,进行正极性操作冲击电压下不同距离间隙带毛刺球-板电极间隙放电试验,并以棒-板与球-板放电试验进行对照,得到初始流注下的50%放电电压（U50%）和物理特征参数并进行对比。结果表明：在带有毛刺缺陷的球-板电极间隙中,初始流注起始时延、初始流注场强跃升幅值和光功率跃升幅值...     

空间电荷对球头棒-板间隙放电击中点的影响

雷电引起的输电线路事故中因绕击导致的故障所占比例很大,一些学者认为空间电荷的影响是导致屏蔽失效的原因之一。为此,通过试验研究了直流电压下球头棒-板间隙的电晕电流,以此来衡量一定电压下球头周围空间电荷的量;并试验研究了正极性操作冲击下球头棒-板间隙放电击中点的分布规律,且与尖头棒试验结果比较。试验结果和仿真结果表明:与尖头棒相比,球头棒更容易吸引放电;球头棒周围电场畸变不严重,没有形成有效屏蔽层,从而使放电点更容易发生在头部。     

降雨对"棒-板"短空气间隙正极性直流放电特性的影响

针对目前我同500 kV直流输电线路凸现的雨闪问题,分析认为降雨对空气间隙直流放电特性有一定影响.为了确认降雨各因素对其影响程度,在人工气候室模拟降雨和现场自然降雨条件下,对0.1～0.6 m的棒-板短空气间隙正极性直流放电特性进行了系统的试验研究.结果表明:湿闪电压比干闪电压略高,小雨对放电电压的影响不明显;降雨变大...     

基于分形理论的水中流注放电仿真

水中流注放电的特性及流注发展机理研究对于污水处理、杀菌消毒、水下声源和高压绝缘具有重要的意义。基于分形理论,构建了考虑气泡生长过程的水中流注放电仿真模型,并仿真研究了不同电压幅值和溶液电导率下的放电特性。结果表明,随着外施电压和溶液电导率的增大,通道电荷量和流注发展速度均增大,而放电预击穿延时减小。计算得到的流注发展速度、预击穿延迟时间随水溶液电导率的变化等与已报道的实验相符。     

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。     

基于有限元弱解式的棒-板长空气间隙先导放电空间电场仿真研究

对棒-板长空气间隙先导放电过程的空间电场分布以及带电离子浓度等特征参数进行仿真计算研究。建立棒-板长空气间隙放电的二维模型,导出流注-先导放电的二阶偏微分方程,通过有限元弱解形式(weak form)数值计算方法求解先导放电过程中产生的电子、正、负离子浓度与空间电场的大小。仿真结果显示：气体放电所产生的空间电荷对空间电场分布影响显著;间隙距离1.5 m的棒-板长空气间隙下,外加500 kV、250/2 500 ms正极性操作电压时的先导放电起始条件为,流注头部带电离子浓度达到4′1013 cm-3数量级,空间电场最低达到10 kV/cm;先导放电形成后,先导通道内电场约为1~2 kV/cm,先导起始时间在400 ms左右且以3′104 m/s速度传播;有限元弱解形式能有效消除计算离子流中的数值振荡,使偏微分方程求解迅速收敛。     

棒极结构对棒-板间隙操作冲击放电特性影响的试验研究

棒-板间隙是研究空气间隙放电的最典型间隙,其操作冲击放电特性是输电工程线路和换流站／变电站空气间隙选择的重要依据之一。为了更深入地研究棒-板间隙的操作冲击放电特性,选择不同直径的棒电极,以及半球彤和圆锥形2种棒电极端部形状,在2～5m间隙距离下进行了正极性操作冲击放电特性的试验,得到了棒电极端部形状和棒电极直径的改变对棒-板间隙正极性操作冲击50％放电电压造成的影响。另外,在北京、西宁和羊八井等几个不同海拔地区进行了临界半径的对比试验。通过改变棒电极端部连接球面的半径,得到了不同间隙距离对应的临界半径。由试验可以得出,当棒电极结构的半径小于临界半径时,棒电极半径和端部形状的改变不会对间隙的50％放电电压产生明显影响;临界半径随间隙距离的增加而增加,且随着海拔高度的增加,同一间隙对应的临界半径也随之增加。     

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。     

低气压下棒—板间隙交流放电特性研究及电压校正

为研究低气压条件下棒—板空气间隙放电特性,利用低气压放电试验平台针对100～600 mm棒—板空气间隙在交流电压下的放电电压U_(50)与气压P、间隙距离d的关系进行了试验,分析了2～60 kPa气压范围内P与d对U_(50)的影响,得到了U_(50)与P,d之间的关系曲线并提出了2～60 kPa气压范围内的放电电压校正公式。研究结果表明:在2～60 kPa气压范围内不同棒—板间隙的U_(50)-P曲线均存在明显饱和区,随间隙距离减小饱和区向高气压方向移动,根据试验数据所得放电电压校正公式具有较高的精确度。该研究结果可为低气压下棒-板间隙放电特性研究以及更系统的开展低气压下长间隙特性试验提供参考。