SF_6/N_2和SF_6/CF_4混合气体放电参数计算分析

为研究SF_6混合气体的放电参数特性,文中通过两项近似求解Boltzmann方程得到温度为300 K,不同混合比下SF_6/N_2、SF_6/CF_4的电子能量分布函数(EEDF)、折合电离系数α/N、折合吸附系数η/N和折合有效电离系数(α-η)/N,与其他文献结果对比,验证了该计算方法与放电参数的有效性。结果表明:SF_6/N_2、SF_6/CF_4两种混合气体都随折合场强E/N增大时,在较低电子能量区域的EEDF减小而在较高电子能量区域的EEDF增大,且SF_6/N_2混合气体在电子能量为3 e V附近存在EEDF的骤降现象,该现象与N_2的碰撞参数截面有关,而SF_6/CF_4混合气体不存在此现象;此外,SF_6/N_2、SF_6/CF_4两种混合气体随着折合场强E/N增大,折合电离系数α/N显著增大、折合吸附系数η/N减小,最终折合有效电离反应系数(α-η)/N也均随之增加。     

SF_6/N_2混合气体电击穿特性仿真及实验

通过求解两项近似Boltzmann方程,得到SF_6/N_2的放电参数,并将该参数引入流体模型。结合有限元法和通量校正传输法对SF_6/N_2的流注放电过程进行循环迭代求解,计算其击穿电压。以均匀电场中压强0.1~0.6MPa、间隙5mm为例进行数值模拟,通过气体放电实验对计算结果进行验证。根据计算及实验结果得到不同混合比、压强下SF_6/N_2的协同效应系数,分析采用上述计算方法研究混合气体协同效应的准确性。为更全面地反映混合气体应用条件,进一步开展压强低于0.1MPa的SF_6/N_2击穿特性实验研究。研究表明:随着电子崩不断向前发展,放电间隙的空间电子数密度快速增长,SF_6放电过程中的空间电子数密度增长速度低于SF_6/N_2。0.1MPa下20%SF_6/80%N_2放电5ns时的电子数密度峰值达到4.6×1014m~(-3),而SF_6中该值仅为3.7×1012m~(-3)。当气压为0.1~0.6MPa时,SF_6/N_2击穿电压计算值与实测值的最大误差为9.23%,协同效应系数计算值随压强、混合比的变化趋势与实验结果相符,误差均值为5%。0.02~0.08MPa下SF_6/N2击穿电压、协同效应系数随压强、混合比的变化趋势与0.1~0.6MPa下的基本相同。     

基于Boltzmann方程的F3I二元混合气本替代SF6的可行性研究

SF_6气体虽然绝缘性能优越但是极易液化,且是一种温室效应值很高的气体。CF_3I气体是极具潜力的SF_6替代气体之一,通过计算求解CF_3I/N_2、CF_3I/CO_2二元混合气体在0.1 MPa、300 K下的两项近似Boltzmann方程,得到不同二元混合气体的电子能量分布函数(EEDF)和临界折合击穿场强(E/N)cr,并通过计算混合气体的液化温度、协同效应系数来表征混合气体的混合比例与协同能力。结果表明:从物化特性分析,30%CF_3I/70%N_2二元混合气体最有可能替代SF_6,而CF_3I/CO_2二元混合气体只适用于在约化电场强度小于300 Td且平均电子能量和电离度较低的情况下替代SF_6;通过与其他文献的数据进行对比,验证了本研究中计算方法和数据的有效性。     

短间隙SF_6/N_2混合气体放电的光谱实验研究

SF_6气体具有较高的温室效应,减少SF_6气体的使用量已达成共识。笔者从SF_6混合气体的角度,对短间隙SF_6/N_2混合气体完全击穿时的光谱特性开展研究。采用光谱仪测量压强0.1~0.4 MPa、电极间距2~12 mm时SF_6及SF_6/N2混合气体完全击穿时的电子温度、电子数密度等参数,从微观和宏观相结合的角度研究混合气体放电时形成等离子体通道的物理特性。研究结果表明:0.1~0.4 MPa下随着气体压强的升高SF_6气体完全击穿时的电子温度由6.06×10~4 K下降到2.67×10~4 K,电子密度由3.15×10~(17) m~(-3)增大到6.91×1017 m~(-3);0.1 MPa下随着SF_6混合比的升高混合气体完全击穿时的电子温度由N_2时的1.17×10~4 K上升到SF_6时的6.06×104 K,电子数密度由N_2时的5.94×1017 m~(-3)下降到SF_6时的3.15×10~(17) m~(-3)。     

CF_4及其N_2混合物微观放电参数计算与绝缘特性仿真研究

为研究SF_6替代气体CF_4及其N_2混合物微观放电参数,通过两项近似Boltzmann方程对室温环境下CF_4及CF_4/N_2混合物在混合比为20%～80%区间内的有效电离系数(α-η)/N进行了求解分析。利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件首次对CF_4及CF_4/N_2混合物在均匀场下,不同混合比,不同压力条件下放电通道进行了一维模拟。仿真结果表明,CF_4/N_2混合物放电过程存在明显协同效应;CF_4放电延时随气压增大而增大,仿真结果与数值计算结果吻合。     

不均匀电场SF_6/CF_4混合气体的光谱实验研究

文中通过对SF_6/CF_4混合气体在针板电极电场条件下,采用光谱测量法分析SF_6气体含量为20%~80%、压强为0.1~0.3 MPa及电极间距在4~10 mm下的气体击穿等离子体导电通道的发射光谱。利用多谱线斜率法及Stark展宽法计算SF_6/CF_4混合气体完全击穿的等离子体通道中电子温度、电子数密度等参数,建立等离子体导电通道的电子温度、电子数密度与气体压强、电极间距的关系。研究表明:当电极间距为4 mm时,随着混合气体压强的升高等离子体电子温度下降、电子数密度上升,ρSF_6为80%时等离子体通道的电子温度由0.1 MPa时的3.72×104 K下降到0.3 MPa时的1.99×104 K,电子数密度由2.61×1017 m-3增大到5.72×1017 m-3;0.1 MPa下电极间距在4 mm时等离子体通道中电子温度随SF_6气体含量的升高而上升,电子数密度呈下降趋势;电极间距在4~10 mm时,ρSF_6为20%时0.1 MPa下等离子体通道中电子温度及电子数密度基本不变,电子温度约为2.35×104 K,电子数密度约为3.22×1017 m-3。     

SF6/N2流注放电仿真及协同效应研究

建立反映气体放电过程中粒子运动特性的二维流体模型,采用有限元和通量校正传输法对该模型进行数值求解,计算了50%SF₆+50%N₂在均匀电场下的放电规律,模拟了流注发展过程中粒子密度的分布情况,分析放电过程中带电粒子对均匀电场的影响。搭建气体放电实验平台,测量平板电极下绝缘间隙5 mm时SF₆/N₂混合气体的击穿电压,将SF₆/N₂击穿电压的实测值与折算值进行对比,研究不同混合比、气体压强对SF₆/N₂协同效应的影响。结果表明：随着流注向阳极运动,放电间隙内的电子数密度不断增大;在放电初始阶段,空间电荷对电场的影响很小,随着电荷数量不断增加,空间电场产生明显畸变现象。SF₆/N₂混合气体击穿电压的实验测量值大于折算值,且SF₆含量越高,实测值和折算值越接近。可以看出,SF₆/N₂的协同效应在含有少量SF₆时较明显,而当SF₆含量较高时,混合气体的协同效应减弱。     

两种典型电极下SF_6/CF_4混合气体击穿特性的实验研究

针对板—板、针—板两种典型电极形状在5 mm间隙下SF_6/CF_4混合气体的击穿特性开展实验研究,分别测量SF_6分压比为0%~100%、压强在0.1~0.6 MPa下的气体击穿电压,研究压强、SF_6分压比及电场不均匀度等因素对SF_6/CF_4混合气体绝缘性能的影响。结果表明:0.6 MPa的20%SF_680%CF_4气体在板—板电极下的击穿电压为138.89 k V,是相同压强纯SF_6气体击穿电压的64.8%,在针—板(针为负极性)电极下的击穿电压为58.4 k V,是相同压强纯SF_6气体击穿电压的74.8%。在压强一定时,SF_6/CF_4混合气体的击穿电压与SF_6的分压比呈非线性增加,但随电场不均匀程度的增大,SF_6分压比的变化对击穿电压的影响逐渐减弱,随SF_6分压比的增大,混合气体的协同效应明显降低;在SF_6分压比一定时,随压强的增大,混合气体的协同效应增强。     

CO_2混合气体的绝缘性能计算与分析

CO_2气体的灭弧性能较好,但绝缘性能较差,近期作为SF_6替代气体的缓冲气体受到关注。文中基于Boltzmann解析法,计算分析了CO_2与SF_6、O_2、CF3I、c-C_4F_8、N_2、Air、CF_4、C2H6、CH4、CHF310种气体的混合气体的绝缘性能。首先,以CO_2/SF_6混合气体为例,计算了不同混合比例下气体中的电子能量分布函数、折合有效电离和吸附反应系数、折合有效电离反应系数以及临界折合电场强度等数据。然后,给出了10种混合气体在不同混合比例下的临界折合电场强度值,进而讨论了不同混合气体的绝缘性能。结果表明:10种CO_2混合气体中,CO_2/CF3I和CO_2/c-C_4F_8的临界折合电场强度(E/N)cr明显高于其他几种混合气体,且CO_2/c-C_4F_8的(E/N)cr整体上低于CO_2/CF3I;当CO_2比例分别低于80%和50%时,CO_2/CF3I和CO_2/c-C_4F_8的(E/N)cr明显高于CO_2/SF_6;当CO_2比例分别低于25%和15%时,CO_2/CF3I和CO_2/c-C_4F_8的(E/N)cr甚至高于纯SF_6。     

基于ETG-通量校正传输法的短间隙SF_6/N_2混合气体流注放电数值仿真

利用粒子输运方程及耦合泊松方程,研究了短间隙中10%~90%SF_6/N_2混合气体在不同阶段的流注放电特性。针对流注头部粒子空间分布出现陡梯度问题,基于不均匀的三角元网格剖分,采用Euler-Taylor-Galerkin(ETG)格式对粒子连续性方程进行时间离散,利用通量校正传输法(FCT)对离散后的方程进行求解,可以明显提高计算准确度和减小数值扩散。基于以上算法,考虑电子与SF_6/N_2中性混合气体的电离、复合、吸附以及光电离等过程,对短间隙气体流注放电过程进行了仿真。仿真结果表明,初始场强的大小影响流注的发展,随着流注发展,流注头部空间电荷加剧了两极板间的电场畸变,间隙击穿时流注头部电子浓度达到10~(20)/m~3,最大空间场强达到114k V/cm;光电离对加速流注的形成和发展有很大的影响;仿真结果也验证了ETG-FCT法应用于气体放电研究的有效性。