短空气间隙弧阻模型的研究

为了研究气体间隙的高频电弧特性,笔者设计了一种短空气间隙的放电试验回路。测量了间隙击穿时两端的电压及通过间隙的电流,经分析计算得到了短空气间隙击穿后电弧的变化规律以及燃弧阶段的弧阻最小值r_0。短空气间隙在击穿后的几十ns内弧阻从10^(12)Ω量级跌落至最小值r_0,持续几个μs后恢复。改变回路频率以获得不同频率下的弧阻最小值r_0以及燃弧持续时间t。当回路频率从4.8～13.5 MHz变化时,r_0从0.4Ω增大到5.0Ω,而燃弧时间t从4.0μs减小为0.9μs。将实验结果与各种电弧电阻模型计算值进行对比,在燃弧前期(0～1.1μs)Kushner电弧模型与实验结果较为吻合,但Kushner电弧模型的燃弧时间比实验值长。

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。

基于流注起始判据的球—板—球短空气间隙击穿电压计算

典型电极结构的击穿电压是外绝缘设计的重要依据,许多学者对此进行了大量的研究,而实际上高压输变电工程中常常需要分析悬浮导体的影响。为此,文中在考虑悬浮导体的基础上,采用Raether-Meek判据、临界电荷判据和光电离判据等3种流注起始判据对球—板—球短空气间隙的击穿电压进行了计算,并开展了工频耐压试验作为对比。结果表明,对稍不均匀电场球—板—球短空气间隙,计算结果与试验值吻合良好,所有计算结果的相对误差和平均绝对百分比误差分别在7.5%和4%以内;其中,基于光电离判据的计算结果精度最高,平均绝对百分比误差仅为2.5%。研究证明了流注起始判据在一定范围内的有效性和推广价值,并有助于阐述稍不均匀电场组合空气间隙的放电机理。

短空气间隙放电流注分叉特性实验研究

短间隙流注放电通道在发展过程中产生的流注分叉现象能使放电所输出的能量和产生的活性物质分布更加均匀。为此,研究了短空气放电间隙长度和电极形状对流注分叉的影响。使用输出电压峰值为52 kV,电压上升时间约35 ns的脉冲电源分别对间隙长度≤5 cm的针–板、针–棒间隙进行放电,实验测试了不同间隙长度下流注的分叉特性。实验结果表明:间隙长度大于某一值(针–板间隙为3.5 cm,针–棒间隙为3 cm)时,观察到的流注分叉数目和分叉的发光强度随着间隙长度的增大而减少;而当间隙长度小于该值时,所拍摄的放电照片中流注通道很宽而且明亮,且很少有分叉。另外,相对于针–板间隙而言,在针–棒间隙中分叉的流注更容易向棒电极两端运动,产生重连接现象的概率更高。

青藏铁路海拔4000m以上短空气间隙修正研究

根据在多功能人工气候室内完成的气压对短空气间隙交流放电特性影响的大量试验研究结果,系统分析了气压对短空气间隙交流放电特性的影响规律,提出了青藏铁路海拔4 000 m以上的短空气间隙修正系数。

短空气间隙负极性操作冲击火花放电路径的初始方向统计特性

空气间隙火花放电路径具有曲折、分支的半随机发展特点。空间光电离过程光子数量和位置的随机性是导致空气间隙操作冲击火花放电路径具有随机性的主要原因,空间电荷和电场对放电路径的发展具有一定的约束。该文采用250/2500μs负极性操作冲击电压波分别开展了间隙距离为0.4~1.2m的三种不同空气间隙的放电试验,对比分析了间隙距离、负极性操作冲击电压幅值对火花放电路径初始方向角概率分布的影响。结果表明:棒–棒间隙、棒–双棒间隙火花放电路径初始方向角具有统计特性,且服从正态分布,该分布特性受间隙距离、棒电极形状及外施负极性冲击电压幅值影响。该研究结果可以加深对空气间隙火花放电过程的理论认识。

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。

试验方法对棒-棒短空气间隙交流放电特性的影响

为研究不同试验方法对空气间隙交流放电特性的影响，本文在高压试验室和雪峰山自然试验站．采用恒压升降法、均匀升压法和最大耐受电压法进行棒-棒短空气间隙交流放电特性研究。试验结果表明：海拔升高，棒-棒短空气间隙放电电压降低；在相同大气条件下，不同试验方法得到棒-棒短空气间隙交流放电试验结果有一定的差异．均匀升压法得到的平均闪络电压玑，最大，恒压升降法得到的50％放电电压U50%次之，最大耐受法得到的最大耐受电压Uws最小；以Uws为基准，Uav比Uws高5．08％～26．97％，U50％比Uws高1．7％～5．99％；且均匀升压法所得试验数据的分散性略大于恒压升降法。

低气压下短空气间隙流注放电的仿真

输电线路跨越寒区,寒区海拔高,气压低的特殊环境对于输电设备短空气间隙放电的影响不能忽略.利用气体放电理论,结合伽略金(Galerkin)有限元法和微分方程弱形式,建立棒一板电极放电模型,模拟标准及较低气压下空气间隙流注放电过程,分析了低气压下棒一板短空气间隙放电过程及特性.仿真结果显示,随着气压的降低,流注发展激烈程度下降,初始放电区域缩小,流注通道中电子浓度减小,发展速度加快.

基于不连续有限元的短间隙气体放电仿真算法及其应用

我国超、特高压输电工程建设亟需空气间隙放电理论的支撑。作为长间隙放电研究的基础,短间隙放电是间隙放电研究的重要内容与切入点。仅靠现有实验手段与实验结果无法构建这些放电过程的完整物理图像,使得数学建模与仿真,成为研究短间隙放电的重要方法。为此,概述了描述短间隙气体放电过程的流体模型,提出了基于不连续有限元的仿真算法:引入罚因子不连续有限元离散Poisson方程;提出了加权不连续有限元用于求解粒子输运方程,提出了圆柱坐标系下的多层重构算法用于抑制高阶格式可能引起的数值振荡。实现了基于上述算法的短间隙气体放电仿真程序,利用该程序研究了碰撞电离系数、附着系数、粒子迁移率等放电参量对流注发展的影响,电子碰撞电离系数与电子迁移率影响最大,电子附着系数与电子扩散系数有一定影响,离子迁移率基本没有影响。通过考虑Townsend放电中的光发射机制,成功预测了一定长度范围内平板间隙中Townsend放电击穿电压曲线,验证了将数值仿真应用于气体放电研究的可行性。