基于场致二次谐波的大气压脉冲流注放电时变非均匀电场测量研究

诊断大气压脉冲流注放电空间电场是实现流注放电精准调控和揭示等离子体不稳定性机制的重要基础。基于场致二次谐波的空间电场测量方法具有非侵入式、时空分辨率高等优点。然而,流注放电时变非均匀电场对二次谐波信号产生过程的影响规律尚不完善,真实电场标定系数随流注放电不同阶段的变化规律尚不清晰。该文首先计算二次谐波信号产生规律和电场空间分布的影响;然后,基于等离子体流体模拟,分析二次谐波信号对流注放电不同阶段时变非均匀电场的敏感程度;最后,基于纳秒脉冲激光场致二次谐波电场测量平台,实验获得了重频脉冲作用下组合电极结构产生的单根负流注轴向电场演变规律,分析脉冲重复频率对空间电场的影响机制,并针对流注放电时变非均匀电场特点提出电场致二次谐波测量优化若干建议。

天然酯绝缘油-纸界面的多分支流注放电仿真

油-纸界面的局部放电是油浸式变压器中油-纸绝缘失效的主要原因之一。文中在多分支流注放电数值模型的基础上进一步考虑油-纸界面的电荷输运特性,构建油-纸绝缘系统中的多分支流注放电模型,并利用有限元法分别对天然酯绝缘油和绝缘纸介电常数配比、针电极与纸板的间距影响下的沿面放电特性进行研究。结果表明,针电极与纸板的间距及绝缘油与绝缘纸的介电常数配比均会显著影响流注分支;针电极与纸板的间距越小,油-纸界面处的流注分支间的抑制越明显,油-纸界面的流注对z-轴流注的影响更显著;当绝缘油介电常数比纸板大时,流注在油中的发展和分支更为显著,反之则流注更易沿纸板表面发展及在油-纸界面聚集电荷。

水中正极性丝状流注放电发展特性

水中流注放电为击穿前放电通道起始与发展的关键过程,但由于涉及物理机制较为复杂且尚不明确,制约了水中放电应用效率的提升。探究了水中正极性丝状流注放电的模式转化特性、重燃特性与分叉特性,明确了通道界面沉积电荷与空间电荷分布对流注发展过程的影响。研究结果表明,水中正极性放电可分为第一类与第二类丝状流注,流注模式转化特性受气液界面电荷弛豫过程影响较大。当外施电压达到加速电压时,第一类流注迅速转化为第二类流注。第一类丝状流注通道内电离形成、熄灭及重燃过程与通道内部电场及气/液界面电荷密度关系密切。第二类丝状流注通道空间电荷分布受电压上升沿与电极表面结构影响较大。电压上升沿时间越长,主通道头部电荷密度与电场强度越低,通道发展速度随之降低。随电极表面微凸结构半径增大,流注分叉点位置将电极表面过渡为主通道根部。受主通道空间电荷分布影响,分支通道发展速度在微凸结构半径为5 μm时呈现先降后升趋势。

基于气液两相及光电离的酯基绝缘油流注放电模拟

流注放电是一个非常复杂的多尺度、多物理场耦合过程,目前尚无准确的模型能描述其发展过程。相变及光电离是影响流注演变的重要因素,但现有流注放电模型很少将其影响考虑到模型内。为分析二者对流注放电的影响,该文在COMSOL中建立针/板放电几何模型,以酯基绝缘油为研究对象,基于电流体动力学模型,以相变温度为临界点,分别构建气相和液相下的电离机制。此外,建立了与电场阈值相关的光电离数学模型。结果表明,光电离的引入促使优势流注分支的产生,且光电离主要发生在优势流注头部区域。由于高温区域主要集中在针尖处,气相区域会随着局部温度的升高而产生,在电场作用下,气相区域发生碰撞电离,在针尖处产生更多的小流注分支。气相区域对主流注的传播速度几乎没有影响,主流注的传播速度主要受场致电离和光电离的控制。光电离在流注头部产生了更多的载流子,促使改进模型的主流注以更快的速度传播,从而易实现传播模式从慢速到快速的转换。该文可为酯基绝缘油快速流注的产生机理提供新的研究思路,为提高其击穿电压提供指导依据。

气泡放电对变压器油流注放电的影响

以流体动力学为基础,建立了脉冲电压作用下含气泡的变压器油流注放电仿真模型。通过改变气泡的位置、大小及数量,研究了含气泡的变压器油的电场强度和空间电荷密度的变化规律。仿真结果表明,当击穿电压达到一定值时,由于气泡内部气体的积聚,气泡内部会形成电场梯度,从而产生内部放电现象。距离高压电极越近的气泡越先被击穿,放电进行的时间也相对更短;气泡的尺寸越大,变压器油流注放电的速度越缓慢;气泡的数量越多,流注放电时的电场越剧烈,放电持续时间越久,对变压器造成的伤害也越大。

低气压低氧环境流注放电机理研究

【目的】针对高海拔低气压低氧环境下电气设备空气间隙绝缘性能显著下降问题,对不同气压和氧含量下的流注传播特性展开研究。【方法】将流体模型与等离子体化学反应相结合,搭建了棒-板电极结构、高海拔低气压低氧空气流注放电仿真模型,分别对不同气压和氧含量下的空气流注传播过程进行仿真,分析气压和氧含量对流注传播速度、电子密度、流注通道半径、电场强度分布变化的影响。【结果】结果表明随着气压降低,流注传播速度不断加快,流注头部及通道电子密度和电场强度呈下降趋势,流注通道半径整体上有所增大;随着氧含量的降低,流注传播速度显著减小,电子密度不断增大,电场强度整体上增大,流注通道半径减小。【结论】气压和氧含量因素均对流注放电特性和等离子体反应机理产生重要影响,在实际工程设计中应予以综合考虑。

基于COMSOL多物理场的冲击电压下变压器绝缘油中流注放电的仿真研究

随着超高压、特高压设备和输电系统的发展,矿物油以其优异的介电性能、老化稳定性和安全性能被广泛应用于电气设备的绝缘中。模拟了流注放电在油中的传播过程,分析了电场强度和空间电荷变化的结果,研究了不同外加电压和不同针-球间距下变压器放电模型的模拟结果,比较了不同条件下流注放电过程的特点和发展,最后确定了不同因素对流注放电形成和发展的影响。

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。

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。

大气压下流注放电光电离过程的数值仿真

将光电离模型引入气体流注放电的流体模型中,针对光电离数值仿真计算需要对空间任意两点建立联系,导致方程求解计算量增大、计算较困难的问题,提出了光电离模型的简化计算方法。然后求解流注放电流体模型,仿真棒–板空气间隙放电过程,并比较了有和没有光电离2种情况,结果表明光电离提供了流注放电所必须的二次电子崩的种子电子,在没有光电离时,不能形成流注放电。在考虑光电离情况下仿真了流注发展过程,得到各时刻电子、光电子、电场空间分布,并从流注发展速度、通道半径、电场强度多方面与实验结果比较,验证了模型和算法的正确性。

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。

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。

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。

基于电荷累积的棒-板间隙流注放电过程仿真

棒-板间隙放电过程的建模与仿真对于长空气间隙放电机理研究及特高压输电工程的外绝缘设计具有重要意义。为此建立了棒-板间隙动态流注分形发展模型,在已有的分形流注模型的基础上,提出了基于动态边界修正的电场计算方法以及基于电荷累积的时间参数求取方法。通过对间隙空间进行网格剖分,求解电场分布方程与电荷累积方程,得出间隙电场变化以及流注步进式发展的时间及动态电荷累积。本模型针对流注起始、流注发展、放电结束和电荷累积等过程进行了建模,并运用模型对于不同电压幅值(230 k V、590 k V)1 m棒-板间隙雷电冲击(2.0/50μs)流注放电过程进行了仿真,并和试验结果进行了对比分析。结果表明,雷电冲击电压为230 k V时,流注发展长度约为20 cm,流注发展时间为5.02μs,流注发展平均速度为3.98×104 m/s,流注通道电荷累积总量达到23.2μC;雷电冲击电压为590 k V时,1 m棒-板间隙被击穿,流注发展时间为9.92μs,流注发展平均速度为1.01×105 m/s,击穿前其速度达到1.60×105 m/s,整个击穿过程流注电荷累积总量为258.3μC。新的模型在放电通道长度变化,放电过程电场波形,流注发展过程电荷粒子的累积等方面均与试验结果基本一致,具有一定合理性。

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。

考虑载流子密度扰动的植物绝缘油中初始流注放电仿真

在现有泊松方程及电流连续性方程的放电模型基础上,通过引入载流子密度波动源建立具有多分支流注形貌的放电改进模型;通过COMSOL软件仿真分析了雷电冲击电压为120kV、160kV和200kV时的放电结果。结果表明:改进模型的流注分支形貌比原模型更接近试验结果;最大场强主要分布在流注头部,且均超过2×108 V/m,其中200kV时由二次流注引起的场强和电荷变化最为明显。此外,3种电压下的z轴流注发展长度和速度还表明流注分支间电荷的相互排斥对流注有抑制作用。而对比电压上升沿时间分别为5ns、10ns、50ns和120ns时的流注形貌还发现:电压上升沿时间越短,流注半径越大,分支越多。该文的研究成果有助于分析放电过程中载流子密度波动对流注分支的影响机理。

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。

染污绝缘子表面流注放电特性的实验研究

为了研究绝缘子表面污秽对流注传播的影响,在海拔高度为2 100 m的特高压实验基地,利用3电极结构进行了实验研究,比较了涂覆不同盐密和灰密污秽的绝缘子上的流注传播特性,并用Ansoft电磁场分析软件对涂覆污层前后绝缘子表面的电场分布进行了仿真计算。实验结果表明:流注的稳定传播电场强度随盐密的增大而先增大,在盐密超过0.10 mg/cm2后保持不变,随灰密的增大而升高;在外加电场强度大于稳定传播电场强度后,相同电场强度下,变化污秽层盐密、灰密对应的流注传播平均速度相差不大。通过仿真计算发现:污层的存在使得绝缘子表面的电场分布发生畸变,污区的电场明显减弱,污层两端电场增强;污层电导率的变化使得电场分布改变,从而导致涂污前后绝缘子表面流注放电脉冲波形在盐密、灰密变化时的稳定传播电场强度变化。

直流升压条件下频率选择超材料流注放电特性

频率选择超材料是一种理想的雷达罩材料,但其雷电屏蔽失效率较高,制约了这种材料的工程化应用。本文制备两种典型结构频率选择超材料,基于雷击放电过程中目标物附近的电场变化,设计直流升压条件下的超材料流注放电试验方法,从放电形貌、击穿电压和电荷沉积三个方面,对比研究两种超材料的放电特性,分析两种超材料的电场分布情况。结果表明,谐振环型超材料的击穿电压最高,细丝状放电较暗且密集,靠近接地位置的细丝状放电较多;耶路撒冷型超材料的击穿电压最低,细丝状放电较亮且稀疏。进一步分析发现,细丝状放电导致带电粒子积累到蒙皮表面形成表面电荷,表面电荷密度达上百μC/m2,在蒙皮内部产生与外加电场同向的电场,数值达几十kV/cm,显著提高了蒙皮内部电场强度,蒙皮在外加电场和表面电荷的双重作用下发生击穿。希望研究结果能够为超材料的雷电防护提供参考。

低温环境下绝缘介质表面流注放电特性

目前国内外关于低温条件下绝缘介质表面流注传播特性的研究较少,针对流注的相关试验研究主要在常温下进行。为研究低温低湿环境下绝缘介质表面流注的传播特性,在冰箱冷冻室内利用"三电极"结构研究了均匀场下绝缘介质表面流注的传播特性。主要的测量手段是利用3个光电倍增管来监测流注在介质表面的传播过程。测量了在不同温度下不同绝缘介质表面流注的传播概率,通过数据拟合得到流注的稳定传播场强,并且测量了在不同外加电场强度下流注传播速度的变化规律,最后研究了不同温度条件下流注传播特性的差异。试验结果表明:在低温低湿环境下,流注在绝缘介质表面传播的过程中拥有"沿面分量"和"空气分量"2个分量,流注的稳定传播场强比同条件下纯空气中流注的稳定传播场强大;对于同一种绝缘介质,稳定传播场强与温度近似呈指数下降关系,温度越低,流注的稳定传播场强越大;流注的传播速度随温度的降低而减小,但"沿面分量"的速度受影响的程度较大,大约在(3~8)×10~5 m/s内,而"空气分量"的变化则不太显著,在(1.5~3.0)×10~5 m/s范围内。