初始种子电子团对短空气间隙流注放电行为的影响

流注放电过程中初始种子电子团的形成数量及位置具有随机性,为揭示初始种子电子团对流注放电行为的影响,建立流体动力学-化学反应混合模型,数值仿真大气压下棒-板间隙为5 mm的流注放电过程。模型包括电子、正负离子连续性方程、电子平均能量方程和电场的泊松方程以及23种粒子间化学反应。分别在模型中对密度峰值和分布位置预设置3个不同数值,研究初始种子电子团密度峰值和分布位置对空气间隙流注放电行为的影响。结果表明:初始种子电子团密度峰值的增加只会加速流注的形成,不会影响流注的时空变化规律;而分布位置的改变会影响流注的时空发展特性,初始位置与棒电极的距离越远,形成的流注到达板电极的时间愈短。     

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。     

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。     

SF_6气体中极不均匀场正流注放电机制及其瞬态产物的仿真研究

为研究SF6气体中由极不均匀场引发的流注放电的微观机制以及放电过程中的瞬态产物,基于玻尔兹曼漂移扩散方程和SF6电子碰撞反应截面数据,对SF6气体中的流注放电进行有限元数值仿真。仿真模拟了流注发展过程中外部电流的3个阶段性特征,得到了SF6气体各发展阶段的微观过程,包括流注发展中电子、离子及电荷的密度分布;结合理论分析,揭示了外施电势与流注放电通道内外的电场分布的关系,并指出若使流注向前发展,外施电势不但要克服流注通道反向电场,还要维持流注头部电场大于电离临界场强。另外,通过该仿真模型还获得了SF6气体中电离瞬态产物的成分及各自比例,F、F+、SF6vib+、SF5+、SF4++、SF4+、SF3+和SF6+为流注放电过程中的主要瞬态产物。     

初始种子电子对SF_6间隙放电行为的影响

基于流体理论和气体放电特性,数值模拟了大气压下充满SF6气体的板电极8 mm间隙的放电过程,在建立二维光致电离-流体动力学放电模型基础上综合考虑了SF6气体的理化性能。根据气体放电现象的物理本质及模拟结果,从微观机理上开展对放电电子、电场以及电子漂移速度在放电过程中时空分布的研究,获得了以上物理量随初始放电因素变化的时空特性。结果表明:初始种子电子团密度峰值N0与空间电子、电场强度分布以及电子漂移速度分布的变化梯度密切相关;初始种子电子团分布位置z0虽然也对以上微观参量造成一定影响,但主要作用体现在改变流注发展过程的时空尺度上。     

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。     

正直流电压下油纸绝缘针板电极局放流注仿真研究

为了更好地研究直流电压下油纸绝缘系统针板电极局部放电的电荷分布特性,文中基于流体动力学扩散—漂移方程和双极电荷传输方程搭建仿真模型用以模拟空间电荷的分布,研究了电荷产生的和流注发展的过程与放电特性,得到了局部放电过程中电荷,电场和电势的发展趋势。研究表明:油纸绝缘针板电极的局放过程分为流注击穿油隙与电荷在纸板上积累两个阶段,油隙的击穿过程中,流注头部的电场强度与净电荷密度会不断增加,形成自持放电;当流注到达绝缘纸板表面并在纸面积累电荷,将形成屏蔽层,导致流注的电场分布与电荷分布减弱,逐渐形成零电场区域,使流注中断,电荷发生扩散。     

均匀电场下SF_6/CF_4流注放电数值模拟

文中从气体放电过程中微观粒子的运动特性出发,针对均匀电场中SF_6/CF_4混合气体的流注放电特性进行数值模拟。基于两项近似求解Boltzmann方程的方法,得到不同压强、混合比下SF_6/CF_4的电子能量分布(electron energy distribution function,EEDF)。根据EEDF计算折合电离系数和折合吸附系数,将该放电参数引入流体模型,以气体压强0.1 MPa、间隙距离5 mm为例模拟SF_6/CF_4的流注放电过程,研究放电过程中空间电子数密度随时间和空间的变化规律。结果表明:混合比一定时α/N随E/N的增大显著提高,E/N一定时混合气体中CF_4体积分数越高α/N值越大;随着电子崩向前发展,崩头的电子迅速增长,放电5 ns时电子数密度峰值达到9.7×10~(12)m~(-3),当间隙完全击穿,电极间形成等离子体导电通道,此时空间电子数密度分布基本均匀,电子数密度达到10~(17)数量级。     

C_4F_7N/CO_2混合气体中尖端缺陷的流注放电仿真研究

为了探究新型环保气体中流注的产生机理和发展过程,为局部放电的光学检测和可靠诊断提供理论基础,通过COMSOL仿真直流电压下C_4F_7N/CO_2混合气体中针板模型一次流注到二次流注的放电过程,将电子和离子的产生与运动通过连续性方程进行表示,获得流注发展过程中电场的变化规律和光通量的密度分布。仿真结果表明,当一次流注头部靠近阴极时,光通量将呈指数增长;随后空间电荷将迅速地重新分配,阴极处的电子将通过流注通道进入阳极,一次流注的等离子体鞘层被破坏,流注体内部的电场上升;随着通道的导电性降低,电荷重新分配结束,二次流注开始向阴极发展。二次流注与一次流注相比,流注体内的电场分布与光通量分布更加均匀,传播速度也相对较慢。     

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。     

均匀场中SF6二维流注放电模型的动态仿真

为了对SF6气体的放电过程进行深入研究,使用含电子、正离子、负离子的连续方程对SF6气体的放电过程建模,通过耦合泊松方程进行了解决空间电荷对电场的畸变影响的研究。使用通量校正传输法(Flux-Corrected Transport)求解连续方程,并首次实现了二维情况下的SF6放电过程的动态仿真。模拟过程考虑了带电粒子及中性气体分子的电离、吸附、复合、扩散以及光电离等过程。从仿真结果可见,SF6放电时的电子崩转化成了正、负流注,并且光电离过程加速了流注的发展。通过仿真使得SF6流注放电机制的研究从定性变为定量,这对于进一步研究SF6及相关气体的放电机理具有重要意义。     

不同电极结构中SF_6/N_2混合气体正向流注电晕放电特性

宏观上假定气体放电过程中产生的正、负离子束和电子束为流体,采用二维流体动力学模型对SF6/N2混合气体正向流注电晕放电过程进行建模,利用通量校正传输法求解连续方程,通过求解耦合的泊松方程处理空间电荷畸变电场对放电的作用,仿真过程中假设带电粒子的输运参数是折算电场的函数,对比分析了平行板电极间隙、同轴电极间隙和棒-板电极间隙三种电极结构中正向流注电晕放电特性。结果表明:流注电晕的形成加强了流注头部与阳极间的场强,减弱了流注尾部与阴极的场强。只有流注头部所在位置的初始场强足够大时放电才能继续发展,否则放电转化为稳定的流注电晕放电。     

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。     

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。     

强风沙对流注放电的影响机理

我国西北地区存在的区域极端沙尘环境引发放电,导致绝缘子发生不明闪络,给电网外绝缘系统的安全可靠运行带来严重威胁。流注放电作为气体间隙放电的重要阶段,现有的流注放电研究主要以静态气体为主,并未考虑风沙对流注放电的影响,因此研究强风沙对流注的产生与发展过程的影响对极端沙尘地区输电线路外绝缘设备的设计与运行具有重要意义。本文以流注放电理论为基础,以板-板电极为分析对象,通过分析强风沙环境中气流和沙粒带来的放电路径偏转、荷电粒子吹离、气体密度下降及沙粒畸变电场与沙粒荷电捕获对放电过程造成的综合影响,推导了风沙环境下正离子产生系数的解析表达式。研究工作对于定量分析风沙环境下气体放电特性及对该环境下外绝缘设计与防护提供了理论参考。     

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。     

SF6气体正极性电晕放电特性仿真研究

为了研究SF6气体正极性电晕放电特性,采用有限元仿真软件COMSOL的流体动力学-化学混合数学模型,对针-板间隙SF6气体正极性电晕放电过程进行了仿真,研究了不同外加电势、间隙距离、初始粒子数密度条件下的电晕放电特性.得到主要结论如下:放电过程可分电流上升、电流下降以及电流趋于稳定3个阶段,电流上升阶段是由于电子崩形成所致;电流下降阶段是由于针尖区域电子数量减少,电离反应减弱,正离子云团远离针电极所致;电流趋于稳定阶段是由于电子崩过程基本结束,正离子云团在远离针尖区域漂移速率减缓所致;脉冲电流上升和下降耗时与外加电势负相关、与间隙距离正相关;脉冲电流峰值及稳定值与外加电势正相关、与针-板间隙距离负相关;针尖粒子数密度由1×109～1×1014 m-3变化时,脉冲电流上升耗时、下降耗时、电流峰值以及电流稳定值与针尖初始粒子数密度关系不大.     

非均匀场下SF6短间隙正电晕放电行为

为深入探索SF6气体放电过程的微观机制,对大气压下10mm针-板电极SF6气体间隙的正电晕放电通道中带电粒子行为进行了研究。在尖-板电极模型的基础上,考虑了SF6间隙放电过程带电粒子电离、附着、复合、扩散以及光致电离的影响,给出了SF6短气隙正电晕放电过程的电子、正离子和负离子时空行为的表征方程,以及与空间电荷场耦合的泊松方程,并采用通量校正输运法(flux-corrected transport,FCT)对粒子连续性方程进行求解,获得了放电过程中带电粒子的时空行为规律及空间电场分布发展规律,并从空间电荷密度、放电参数、电场强度等方面与实验结果相比较,验证了模型及算法的正确性。     

不同湿度下空气的流注放电特性

目前流注放电过程的相关研究主要是针对氮气和空气流注放电过程进行的数值模拟研究。实际的输变电工程间隙的空气中不可避免含有一定量水分子,为研究湿度对空气中的流注放电过程的影响,采用流体模型仿真了干燥空气和分别含80 Pa、400 Pa、1 867 Pa水蒸气的空气的双向流注传播过程,光电离作为源项加在流体模型上。水蒸气对光电离的影响主要有2方面:一是吸收函数;二是发射光强。仿真结果表明:不同空气湿度下正、负流注头部电子数密度均为1.6×1014 cm-3和0.7×1014 cm-3,平均传播速度均约为1.5×108 cm/s,流注头部半径约为0.4 mm;不同空气湿度下,若光电离强度均达到1021 cm-3·s-1量级能够提供足够多的种子电子,则湿度对流注传播特性影响不大,其主要原因是不同湿度下的电子输运系数和反应系数差别很小。     

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。