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。

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。

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。

氮气短间隙的耐受电压和气体密度恢复特性

为了提高气体火花开关重复运行频率,对氮气短间隙的耐受电压和气体恢复特性进行了研究。采用"双脉冲法"获得了气隙耐受电压恢复特性,利用Mach-Zahnder干涉仪记录了气体密度的恢复过程,用CCD相机拍摄了放电图像。实验发现:耐受电压恢复过程分为静态击穿电压恢复和过电压击穿能力恢复两个阶段,后者所需的时间远超过前者。即使气体密度完全恢复了,气隙也仅恢复其静态击穿电压,其原因可能是放电残留的长寿命氮原子在阴极上复合导致阴极电子发射,持续不断地为放电提供初始电子。"双脉冲法"实验中气隙两次击穿的路径通常是分离的,说明气体绝缘最薄弱之处并不一定位于第1次火花放电通道上。

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。

基于改进的多项近似法解玻尔兹曼方程计算电子输运系数

获得准确的电子输运和反应系数是采用流体模型准确仿真流注传播特性的前提。目前,电子输运系数主要有两种计算方法:一是用电子群实验数据进行插值;二是用两项近似方法解玻尔兹曼方程。方法一只能用在约化场强很小的场合,方法二的理论基础即各相同性假设是否成立和数据准确度尚无定论。针对以上问题,Ness等人采用了多项近似法解玻尔兹曼方程计算电子输运系数。该文主要对多项近似解玻尔兹曼方程进行两点改进:一是调整速度分布函数的展开顺序,这样能把流体尺度和非流体尺度下计算过程统一起来;二是采用高斯–克龙罗德积分代替高斯-拉盖尔积分计算碰撞积分项。最后对硬球模型和Reid非弹性碰撞模型进行了计算,结果表明:采用高斯–克龙罗德积分代替高斯–拉盖尔积分计算碰撞积分项更准确;即使在只有守恒碰撞时,电子速度分布函数仍呈现各向异性特征,采用两项近似方法计算出的电子输运系数有较大误差。

外部磁场对低气压氩气等离子体电子输运特性的影响

处于外部磁场驱动下等离子体由于改变了其电子加热机制和带电粒子输运特性而具有不同动力学特性。为了研究外部磁场对电子输运特性的影响,该文采用改进的多项近似法解玻尔兹曼方程计算了Ar气体的电子输运特性。首先计算了Ar气体在交叉电磁场下的电子输运系数,发现：随着电磁场间夹角增大,z方向体漂移速度、通量漂移速度、体扩散系数、通量扩散系数、电子平均能量和反应速度均减小。接着分析了电磁场夹角对电子速度分布的影响,结果表明：随着电磁场间夹角增大,电子沿E×B方向和（E×B）×B方向呈聚集趋势;当电磁场间夹角为π/2时,电子速度分布在能量为0.3~0.6e V区间出现＂凹陷＂现象。最后讨论了磁感应强度对电子速度分布的影响,发现：当约化磁感应强度增大时,电子朝E×B方向和（E×B）×B方向运动趋势也变大;当约化磁感应强度足够大时,低能电子反而较少。

吸附对电子输运特性的影响

电力工程上常见气体如SF6和空气等均是电负性气体,吸附是其流注放电过程中一个非常重要的碰撞过程。为了研究吸附对电子输运特性的影响,该文采用多项近似法解玻尔兹曼方程计算了模型电负性气体和真实电负性气体SF_6的电子输运特性。首先采用O_2简化模型分析了自由参数v_(max)、lmax和Tb对计算结果收敛性的影响,发现:当Tb取值为T_b(opt)时,电子速度分布函数展开所需的拉盖尔多项式阶数v_(max)最小;一般地,在l_(max)增加到3时,所有输运系数能达到4位数字精度。接着利用改进的Dujko电子吸附模型计算了不同吸附频率下的电子输运系数,结果表明:随着吸附截面的增大,吸附系数逐渐增大,体漂移速度、体扩散系数和平均能量逐渐减小;电子在低能区吸附频率越高,电子平均能量和体漂移速度越小。最后对真实气体SF_6的电子输运特性进行计算,得到了电子通量漂移速度、体漂移速度、电子平均能量、反应速度、通量扩散系数和体扩散系数,并与实验结果比较,验证了多项近似法解玻尔兹曼方程计算电负性气体输运系数的合理性,指出了在约化场强较小时实验测量电负性气体输运系数的不足。

直流和脉冲电压下绝缘沿面闪络试验系统的研制

为了研究大气压下绝缘沿面闪络机理,研制了一套直流和脉冲电压下绝缘沿面闪络试验系统。由于沿面闪络是ns时间分辨的动态变化过程,为了使测量的暂态信号是由沿面闪络本身产生,此系统经过特殊设计,主要包括:放电室和同轴电缆采用同轴几何结构连接,阻抗匹配;电源和同轴电缆阻抗匹配。该系统放电室内外导体半径为3.6 cm和8.3 cm,施加的直流电压为±80 kV,施加的脉冲电压幅值为460 kV,上升时间为36 ns。研制的试验系统能满足4 cm间隙沿面闪络试验要求。

输气管道的稳态数值模拟

在管道的设计阶段和进行输气管道的泄漏故障诊断时,有必要对输气管道的模型进行仿真,了解管道稳定工况时管道各种参数情况。针对现有的静态仿真算法存在的错误和不足,提出了一种更为精确的仿真算法,该算法除考虑了管道沿线的温度变化、处于不同的紊流区摩阻损失的大小不同之外,还考虑了变径管道在变截面处存在节流效应等问题。

采用简化球谐法快速计算流注放电光电离

流注放电通常由流体模型描述,它由玻尔兹曼方程的矩量耦合泊松方程组成。光电离作为源项加在玻尔兹曼方程的一阶矩量即带电粒子连续性方程上。由于计算某一点的光电离需要对整个放电空间进行积分,且需要在每一仿真步长对其进行求解,导致流注仿真的计算量非常大。为提高光电离的计算速度,采用简化球谐法计算流注放电过程光电离。分析了光子在各向同性散射媒质中的辐射输运特性,推导出满足光学厚的辐射输运方程,得到了1阶简化球谐近似(SP1)和3阶简化球谐近似(SP3)的控制方程和边界条件。采用简化球谐法对高斯辐射源和双向流注放电过程光电离进行了仿真,结果表明:3组SP1方法计算效率远远高于Zheleznyak积分方法,计算精度高于3组Helmtoltz方法;采用3组SP1方法计算大气压下流注放电过程光电离足够准确。

基于玻尔兹曼方程的不同密度等离子体电子弛豫相似性研究

了解等离子体的弛豫过程是低温等离子体应用领域所面临的共性关键科学问题。为了研究不同密度等离子体在交叉电磁场下弛豫特性，该文采用改进的多项近似法解玻尔兹曼方程计算电子的弛豫特性。对不同气体密度Reid模型气体进行电子弛豫特性计算，发现：1）x轴方向体漂移速度WBx、z轴方向体漂移速度坼k和扩散系数Dii均随着时间t呈衰减震荡变化，而电子平均能量s随着时间t呈单调变化；2）电子弛豫至少有三个典型的弛豫时间：电子回旋时间搔动量弛豫时间Ym和能量弛豫时间γe，且满足托〈γg〈γm〈γe）当施加的约化电场强度E／n0和约化磁感应强度B／n0相同时，不同密度气体的体漂移速度WBx和WBx、电子平均能量s、扩散系数Dii与气体密度的组合参量noDjj随无量纲时间n0t的弛豫过程完全相同。最后从无量纲化和物理意义两个方面对电子弛豫的相似性作了解释。从无量纲化上看，体漂移速度WBi、电子平均能量s、not、n0Dii均为不变量或组合不变量；从物理意义上看，碰撞频率v∞n0，n0t∞vt为无量纲时间，体漂移速度WBi∞E/n0，电子平均能量ε仅与约化电场和磁感应强度相关，扩散系数Dii∞1／n0。

基于改进的多项近似法解玻尔兹曼方程研究电子在交叉电磁场下的弛豫特性

研究等离子体的电子弛豫过程对于等离子体反应器、等离子体光源和气体激光器等研究具有重要的意义。为了研究电子在交叉电磁场下弛豫特性,文中采用改进的多项近似法解玻尔兹曼方程计算电子输运和弛豫特性。首先对Reid非弹性碰撞模型进行电子输运系数计算,发现:当约化电场强度E/n0为12Td时,lmax增加到7所有输运系数可以达到4位数字精度;当增加约化磁场强度B/n0为500Hx而保持约化电场强度不变时,lmax增加到2所有输运系数就能达到4位数字精度,表明磁场能降低电子速度的各向异性。与Ness和White等人的计算结果进行比较,验证了采用改进的多项近似法解玻尔兹曼方程计算电子输运系数的有效性。接着计算了电子的弛豫特性,发现:瞬时施加磁场时,电子平均能量ε随着时间呈单调变化,而体漂移速度WBz、体漂移速度WBx和扩散系数n0Dii均随着时间呈衰减震荡变化;电子弛豫过程至少有3个典型弛豫时间:电子回旋时间γg、动量弛豫时间γm和能量弛豫时间γe,且满足γg<γm<γe;瞬时施加磁场后,体漂移速度WBx响应最快,体漂移速度WBz和扩散系数n0Dii响应次之,电子平均能量ε响应最慢;当约化磁场强度B/n0为500 Hx时,体漂移速度WBz在第一个震荡周期与E同方向,扩散系数n_0D_(xx)出现负扩散现象。

基于单极性输运模型的聚乙烯空间电荷输运特性研究

采用单极性载流子输运模型仿真了聚乙烯短路后的空间电荷的输运特性,比较了不同对流项离散格式数值解的准确性,并研究了放电电流的影响因素。研究结果表明,电子连续性方程为对流占优的对流扩散方程,应采用三阶迎风格式离散对流项。采用欧姆电极时,空间电荷消散所引起的放电电流衰减比阻塞电极快。随着电子迁移率和初始电荷密度的增加,相同时刻的放电电流密度越大。随着温度的增加,放电电流密度减小。该结果可为深刻认识等温松弛电流法和热刺激电流法实验结果提供理论基础。

500kV紧凑型冲击高电压发生器的设计

为了研究大气压下绝缘沿面闪络外特性,设计出一台500 kV ns量级上升沿高电压脉冲发生器。它采用正负双边充电的Marx结构,包括6个72 nF/100 kV的脉冲电容器和3个场畸变开关。为了减小回路电感,它采用紧凑型结构。计算和仿真结果表明,当充电电压为80 kV时,开路输出高压脉冲幅值为460 kV,上升时间约为11 ns,满足沿面放电实验要求。

输油管线远程监控系统的设计

首先介绍了输油管线系统设计的总体框架,接着重点介绍了服务器和下位机的串口通讯程序设计、客户端功能模块设计方案。最后分析了输油管线仿真采用模型和数值求解方法、基于负压波的故障诊断和定位方法。

抗强电磁干扰的高电压同步控制系统

为了在强电磁干扰环境中控制"双脉冲"实验的放电时序,研制了一台高电压同步控制系统。在采用多种常规的抗电磁干扰方法(如电磁屏蔽、光电隔离、独立电源和接地等)的基础上,该系统的核心抗干扰技术是选用高反向偏置的可控硅作为高电压脉冲变压器原边放电的控制开关。该系统由1个低电压多路时延发生器和5个独立的高电压脉冲发生器组成,它们分别放置在各自的电磁屏蔽机箱内,采用电池或电源隔离变压器供电,独立接地,时延发生器和高电压脉冲发生器之间采用光纤连接和光耦隔离。该系统可以输出5路25 kV的触发电压脉冲,各路之间时间间隔为0～1 s,最小调节时间步长为10 ns。该控制系统被成功地用于"双脉冲"放电实验中,实验证明它具有很好的抗电磁干扰能力。

架空单导线雷电感应电压特性

为了深入研究架空线雷电感应电压特性,对架空单导线雷电感应电压进行数值计算。采用时域有限差分方法计算地闪回击电磁脉冲,采用Agrawal耦合模型求解场线耦合电路,分析了线路长度、架设高度和边界条件3个因素对架空单导线雷电感应电压峰值沿线分布和时域波形的影响。研究发现:感应电压幅值随架设高度增大接近等比线性提高;感应电压幅值和脉冲宽度均随导线长度增大而非线性提高;受水平电场作用效果的影响,距回击通道最近点感应电压幅值不一定最高;端接电阻值增大引起感应电压脉冲宽度减小和'过零'幅度增大,导线两端点电压幅值和波形受其影响尤为明显,导线中部电压幅值不受端接电阻影响。研究结果为架空配电线路的雷电感应电压防护工作提供了理论参考。

大型变压器绕组的特快速暂态过电压计算及防护措施

气体绝缘变电站中特快速暂态过电压会对变压器绝缘造成损害,为此通过有限元方法计算变压器绕组的匝间电容、饼间电容和绕组对地电容,搭建了特快速暂态过电压在变压器绕组中传播的ATP-EMTP仿真模型。仿真结果表明:1)以线匝为单元建立变压器绕组模型可以较准确地仿真绕组中VFTO的传播特性;2)采用改进的纠结式绕组,能有效地减小匝间电压和饼间电压;3)使用内屏蔽–连续式绕组接线,可以有效地改善绕组VFTO分布;4)减小接地电容或者增大纵向电容可以改善VFTO分布,不考虑电导时变压器绕组中VFTO的衰减较慢。

基于COMSOL仿真的电力电缆局部放电检测传感器设计

随着经济的高速发展,社会用电量不断增加,对电网中电气设备可靠性的要求越来越高。电力电缆中间接头是事故的高发部位,研究电力电缆局部放电特性,提前洞察中间接头局部放电的发展过程十分重要。为了探究电磁波的传播规律,首先建立电力电缆中间接头的物理模型。在模拟出局部放电原始波形后,采用有限积分法分析电磁波的传播特性,得到发生局部放电时电场信号和磁场信号的传播规律。电磁波的传播特性可为传感器的安装位置提供理论依据。最后设计一种罗氏线圈传感器,安装在电力电缆金属屏蔽层内部,并通过对比传感器电流信号与原始局部放电电流信号进一步优化传感器的结构尺寸。