基于分形理论的SF_6/N_2混合气体放电仿真

为了研究SF_6/N_2混合气体电介质击穿现象,利用编写的Matlab程序对放电通道发展过程进行数值模拟,并结合分形几何原理计算放电树枝的分形维数。基于分形理论,建立了考虑空间电荷分布和引入物理时间的棒-板分形放电仿真模型,通过有限元方法(FEM)计算空间电场,并首次结合通量校正传输(FCT)法求解带电粒子连续性方程,研究了不同发展概率指数、不同放电阈值和SF_6含量变化下分形放电特性。结果表明:概率指数越大,SF_6含量越高,则分形维数越小,放电树枝分叉也越少;体积含量50%/50%的SF_6/N_2混合气体放电分形维数D=1.219 2,整个放电过程流注发展平均速度为1.15Mm/s,并得到了不同时刻空间电荷及轴向电场与电子浓度的分布。     

蒙特卡罗方法分析SF_6/N_2混合气体的绝缘特性

在E/N的范围为150⁵00 Td(1 Td=10-17V·cm2)内,采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法及空碰撞技术模拟SF6/N2混合气体的脉冲汤逊放电。在SF6的百分含量k为0500 Td(1 Td=10-17V·cm2)内,采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法及空碰撞技术模拟SF6/N2混合气体的脉冲汤逊放电。在SF6的百分含量k为0¹00%范围内,求出了SF6/N2混合气体的有效电离系数(α-η)/N,漂移速度Ve,并由此导出临界击穿场强(E/N)lim在不同k时的值,计算结果与其他研究者报道的实验数据显示极好的一致性。为SF6/N2替代SF6作为绝缘用气体时高压电器设备的设计提供了参考依据。     

不均匀电场SF_6/N_2混合气体击穿特性的实验研究

文中对SF_6/N_2混合气体在不均匀场下的击穿特性展开研究,通过测量棒—板电极在不同电极间距、混合比、压强下的正、负极性击穿电压值,分析电场不均匀度及气体压强对SF_6/N_2混合气体极性效应的影响。研究结果表明:在0.1 MPa时,击穿电压随着电极间距的增大而增大,N_2负极性的击穿电压高于正极性的击穿电压,在电极间距为12 mm时,负极性击穿电压是正极性击穿电压的1.71倍,而SF_6气体与N_2极性效应相反,表现为正极性的击穿电压略高于负极性的击穿电压;电极间距为4 mm时,随气体压强的升高负极性击穿电压增大,正极性的击穿电压出现饱和效应甚至出现击穿电压跌落现象,SF_6气体体积分数为20%时,0.4 MPa下的正极性击穿电压是0.35 MPa的91.3%。SF_6/N_2混合气体的极性效应随着混合气体中SF_6气体所占比例的下降发生极性反转现象。     

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。     

SF6/N2混合气体的工频击穿特性研究

通过理论分析对SF_6/N_2混合气体的工频击穿特性进行了研究,得出SF_6/N_2混合气体中SF_6气体的最优比例是20%～30%,同时在其他条件不变的情况下将混合气体压力提高至1.4倍即可具备与纯SF_6气体相同的工频击穿电压。试验结果也验证了分析结论的正确性,表明SF_6/N_2混合气体代替纯SF_6气体作为绝缘介质是完全可行的。     

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。     

SF_6/N_2混合气体温度与压力特性的计算及相关试验

使用SF_6/N_2混合气体代替纯SF_6气体作为GIS母线气室的绝缘介质,是一种大幅降低SF_6气体使用量的新型技术。文中对该混合气体的温度和压力特性开展了研究,利用道尔顿分压定律、贝蒂—布里奇曼方程、理想气体状态方程对SF_6/N_2混合气体状态方程进行了推导,开展了混合气体温度压力试验,对SF_6占体积比30%±2%的SF_6/N_2混合气体的试验测量数据和理论计算数据进行了对比分析,确定了该方程在工程应用上的有效性。根据研究绘制了混合气体温度压力特性曲线,为相关GIS设备以及气体监测仪表仪器的设计研发提供了依据。     

SF6/N2混合气体雷电冲击放电特性及协同效应研究

SF6/N2混合气体是一种简便有效的SF6环保化措施,己逐步应用于GIS等气体绝缘电力设备中,全面研究雷电冲击下的放电特性及协同效应,可以为绝缘设计及气体参数选择提供依据,具有重要的学术研究与工程应用价值.为此开展了 SF6/N2在稍不均匀场和极不均匀场中正负极性雷电冲击放电特性与协同效应研究.发现在稍不均匀场中,正负...     

N_2/SF_6混合气体的绝缘特性

为了探讨 N_2/SF_6混合气体代替纯SF_6气体作为气体绝缘输电管道绝缘介质的可行性,通过对低含量SF_6混合气体在不同混合比和压力下的工频及操作冲击耐电强度试验,分析了混合气体的绝缘特性。研究结果表明:在不改变现有输电管道结构和尺寸的情况下,可适当增加低含量SF_6混合气体的压强来保证输电管道的绝缘强度。     

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)。     

SF6/N2混合气体绝缘特性的实验研究

目前绝大多数气体绝缘开关设备采用SF₆气体绝缘,SF₆泄漏导致严重的环保问题,人们迫切希望少采用或不采用SF₆气体,以降低对环境的污染。为此,试验研究SF₆和SF₆/N₂混合气体在不同混合比、不同压力以及在不同电场结构下的击穿特性,并与SF₆气体的绝缘性能进行比较,试验结果表明：在N₂中注入20%~30%的SF₆气体后,SF₆/N₂混合气体绝缘性能指标可以达到纯SF₆气体的80%左右,但若继续增加SF₆气体的配比,则其耐电强度上升的幅度明显变慢;此外,试验研究还发现,极不均匀电场会大大降低气体的耐击穿电压强度。试验研究证明了采用SF₆/N₂混合气体代替纯SF₆气体的技术方案的可行性。     

SF_6—CO_2混合气体的绝缘强度

研究表明,虽然SF_6—CO_2混合气体在均匀电场中的击穿强度稍逊于同样混合比的SF_6—N_2混合气体,但在不均匀电场中的击穿强度、特别是在雷电冲击电压下的击穿强度,却优于SF_6—N_2.此外,SF_6—CO_2在气膜复合绝缘中的局部放电特性也优于SF_6—N_2混合气体.     

SF6/N2混合气体绝缘特性实验研究

通过安托万方程和拉乌尔定律,研究了不同混合方案下SF6/N2混合气体的液化温度,结合混合气体全球变暖潜能值(GWP)研究结果,分析混合气体的理化特性.文中搭建混合气体绝缘特性试验平台,测试不同混合方案下SF6/N2混合气体的工频击穿电压和直流击穿电压,分析了混合气体中SF6含量对混合气体绝缘性能和理化性能的影响规律.研...     

Problems of the application of N2/SF6 mixtures to gas‐insulated bus

In designing a gas‐insulated bus (GIB) using N₂/SF₆ mixtures, there are many application problems, such as the mixture pressure needed in order to maintain the required dielectric and heat transfer performance. Problems of recycling SF₆ are also essential in applying N₂/SF₆ mixtures. This paper presents the minimum breakdown field strength at lightning impulse and the temperature rise of the conductor and enclosure as measured for N₂/SF₆ mixtures. Considering the dielectric and heat transfer properties, we clarify the problems of application of mixtures to a GIB and discuss the appropriate mixture ratio of SF₆ in designing a GIB comparable to the present dimensions. In addition, the lowest limit of SF₆ content in a liquefied recovering method is theoretically estimated for reference in practical SF₆ recovery from mixtures. It is important for design to consider both breakdown phenomena, including the area effect of electrode, and the heat transfer properties of mixtures. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 137(4): 25–31, 2001     

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。     

尖—平板间隙中SF_6—人造空气的正极性冲击击穿特性

介绍了尖—平板间隙SF_6—人造空气的正极性冲击击穿电压特性.实验和分析表明:在SF_6—N_2—O_2混合气体中,各气体组分之间存在正协同作用,且这种协同作用与冲击电压的波头时间有关.     

用改进的蒙特卡罗法模拟SF6和CO2混合气体电子崩参数

为了提高蒙特卡罗运行速度,在其仿真气体中电子崩运动时,对每一种碰撞过程都预先设定了一个频率上限,使得在仿真的每个时间段,仅仅需要计算一个碰撞截面来继续仿真.在E/N为272.83～364.51Td(1Td = 10?17Vcm2)的场强范围内,仿真了SF6和CO2混合气体中的电子崩发展,求出了有效电离系数,漂移速度和临界场强.计算结果和实验数据显示极好的一致性,验证了该方法的正确性.     

Creeping flashover characteristics in (N2/SF6) gas mixture under pulse voltage

The effect of a barrier between a needle electrode and a plane one in an (N₂/SF₆) gas mixture on creeping flashover was investigated using a microsecond pulse voltage. The SF₆ gas content was varied from 0% to 100%, and the gas pressure from 0.1 MPa to 0.3 MPa. The flashover voltage increased with increasing SF₆ gas content for a positive needle electrode. For a negative needle electrode, excepting the total pressure of 0.1 MPa, at which similar flashover characteristics were obtained to the positive case, a considerable decrease in flashover voltage was found in the case of a mixture of a few percent SF₆ in (N₂/SF₆) gas mixture at elevated total pressures. The corona behavior on the barrier in (N₂/SF₆) gas mixture was investigated by means of a high‐speed digital framing camera. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 131(1): 1–9, 2000