沿面放電的非平衡態(tài)等離子體模型及發(fā)展過程影響因素分析.pdf

1、風(fēng)能、太陽能等可再生能源具有隨機(jī)性、間歇性、出力變化快等特點(diǎn)，直流輸電技術(shù)作為消納新能源的重要方法，能有效解決上述突出問題，且具有運(yùn)行方式靈活、損耗小和造價低等優(yōu)點(diǎn)。但目前高電壓、大容量直流斷路器的技術(shù)瓶頸尚未突破，嚴(yán)重阻礙了直流輸電技術(shù)的推廣與發(fā)展。帶有機(jī)械斷口的混合式直流斷路器是當(dāng)前直流斷路器研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，混合式直流斷路器在快速開斷大電流時面臨斷口沿面絕緣失效的風(fēng)險，因此研究絕緣材料在直流高壓下的沿面放電動態(tài)演變規(guī)律，提高絕

2、緣材料沿面耐電性能是提升直流斷路器性能的關(guān)鍵。
　　研究表明絕緣材料表面電荷積聚會影響絕緣材料的沿面耐電特性，但其影響機(jī)制尚未完全掌握，因此有必要進(jìn)一步研究沿面放電的動態(tài)演變規(guī)律和表面電荷遷移、積聚規(guī)律。基于上述研究背景，本文建立了沿面放電的非平衡態(tài)等離子體模型，研究了平行平板電極和柱板電極兩種結(jié)構(gòu)下沿面放電發(fā)展過程中電學(xué)參量的動態(tài)分布規(guī)律，搭建了電介質(zhì)沿面絕緣電氣特性測試平臺，通過測量平行平板電極中絕緣柱表面電荷分布規(guī)律對仿真模

3、型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究了絕緣材料特性和電壓幅值對沿面放電發(fā)展過程中放電電流、表面電荷分布和沿面放電發(fā)展速度的影響規(guī)律。論文的主要研究工作如下：
　?、俳⒘搜孛娣烹姷姆瞧胶鈶B(tài)等離子體模型。根據(jù)混合式高壓直流斷路器典型機(jī)械斷口結(jié)構(gòu)的物理原型，建立幾何模型。基于二維自洽流體模擬，建立N2/O2混合氣體的等離子體放電模型，考慮帶電粒子的連續(xù)性方程和電子能量平衡方程，并耦合泊松方程求解。等離子體放電模型中考慮了12種粒子，共計(jì)31種物理化學(xué)反

4、應(yīng)。根據(jù)邊界條件和初始的電荷分布，通過求解泊松方程得到初始時刻的電位和電場分布；然后根據(jù)電場分布，求解電子連續(xù)性方程的源項(xiàng)與通量，得到電子和電子能量等特征參量的分布規(guī)律，通過求解多相擴(kuò)散方程得到空間中重粒子的濃度分布；最后根據(jù)之前計(jì)算得到的粒子數(shù)分布，結(jié)合邊界條件，計(jì)算電場和電位分布，求取空間粒子分布?；谠摰入x子體模型可分析沿面放電過程中重要電學(xué)參量的分布，得到沿面放電的動態(tài)演變規(guī)律和階段轉(zhuǎn)化規(guī)律。
　　②研究了平行平板電極和柱

5、板電極兩種結(jié)構(gòu)下沿面放電過程中電學(xué)參量的動態(tài)分布規(guī)律。搭建電介質(zhì)沿面絕緣電氣特性測試平臺進(jìn)行表面電荷測量，對比分析仿真模型中表面電荷分布與試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。對比兩種電極結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)平行平板電極結(jié)構(gòu)下沿面放電發(fā)展速度較慢，表面電荷積聚較輕微，因此高壓直流斷路器中應(yīng)設(shè)計(jì)弱垂直分量電場分布的電極結(jié)構(gòu)，避免表面電荷積聚。
　?、垩芯苛司鬯姆蚁⒕奂兹?、尼龍和陶瓷四種不同絕緣材料的沿面放電發(fā)展過程，

6、發(fā)現(xiàn)放電電流主要取決于傳導(dǎo)電流。絕緣材料特性會影響空間電荷分布，引起位移電流變化，從而對放電電流產(chǎn)生一定影響，但影響效果不明顯。絕緣材料的相對介電常數(shù)越大，表面電荷積聚越嚴(yán)重，電場畸變越大，導(dǎo)致沿面放電發(fā)展速度加快。研究了三種不同電壓幅值下沿面放電發(fā)展過程中放電電流、表面電荷分布和沿面放電發(fā)展速度的差異。發(fā)現(xiàn)電壓幅值較小時未形成沿面放電，帶電粒子在電場作用下遷移產(chǎn)生微弱電流，空間電荷密度和表面電荷密度數(shù)值很小。電壓幅值足夠大時，沿面放電