沿面放电的非平衡态等离子体模型及发展过程影响因素分析

摘要

风能、太阳能等可再生能源具有随机性、间歇性、出力变化快等特点，直流输电技术作为消纳新能源的重要方法，能有效解决上述突出问题，且具有运行方式灵活、损耗小和造价低等优点。但目前高电压、大容量直流断路器的技术瓶颈尚未突破，严重阻碍了直流输电技术的推广与发展。带有机械断口的混合式直流断路器是当前直流断路器研究领域的重点和热点，混合式直流断路器在快速开断大电流时面临断口沿面绝缘失效的风险，因此研究绝缘材料在直流高压下的沿面放电动态演变规律，提高绝缘材料沿面耐电性能是提升直流断路器性能的关键。
　　研究表明绝缘材料表面电荷积聚会影响绝缘材料的沿面耐电特性，但其影响机制尚未完全掌握，因此有必要进一步研究沿面放电的动态演变规律和表面电荷迁移、积聚规律。基于上述研究背景，本文建立了沿面放电的非平衡态等离子体模型，研究了平行平板电极和柱板电极两种结构下沿面放电发展过程中电学参量的动态分布规律，搭建了电介质沿面绝缘电气特性测试平台，通过测量平行平板电极中绝缘柱表面电荷分布规律对仿真模型进行了验证。研究了绝缘材料特性和电压幅值对沿面放电发展过程中放电电流、表面电荷分布和沿面放电发展速度的影响规律。论文的主要研究工作如下：
　　①建立了沿面放电的非平衡态等离子体模型。根据混合式高压直流断路器典型机械断口结构的物理原型，建立几何模型。基于二维自洽流体模拟，建立N2/O2混合气体的等离子体放电模型，考虑带电粒子的连续性方程和电子能量平衡方程，并耦合泊松方程求解。等离子体放电模型中考虑了12种粒子，共计31种物理化学反应。根据边界条件和初始的电荷分布，通过求解泊松方程得到初始时刻的电位和电场分布；然后根据电场分布，求解电子连续性方程的源项与通量，得到电子和电子能量等特征参量的分布规律，通过求解多相扩散方程得到空间中重粒子的浓度分布；最后根据之前计算得到的粒子数分布，结合边界条件，计算电场和电位分布，求取空间粒子分布。基于该等离子体模型可分析沿面放电过程中重要电学参量的分布，得到沿面放电的动态演变规律和阶段转化规律。
　　②研究了平行平板电极和柱板电极两种结构下沿面放电过程中电学参量的动态分布规律。搭建电介质沿面绝缘电气特性测试平台进行表面电荷测量，对比分析仿真模型中表面电荷分布与试验结果，发现两者具有较高的一致性，验证了仿真模型的正确性。对比两种电极结构，发现平行平板电极结构下沿面放电发展速度较慢，表面电荷积聚较轻微，因此高压直流断路器中应设计弱垂直分量电场分布的电极结构，避免表面电荷积聚。
　　③研究了聚四氟乙烯、聚甲醛、尼龙和陶瓷四种不同绝缘材料的沿面放电发展过程，发现放电电流主要取决于传导电流。绝缘材料特性会影响空间电荷分布，引起位移电流变化，从而对放电电流产生一定影响，但影响效果不明显。绝缘材料的相对介电常数越大，表面电荷积聚越严重，电场畸变越大，导致沿面放电发展速度加快。研究了三种不同电压幅值下沿面放电发展过程中放电电流、表面电荷分布和沿面放电发展速度的差异。发现电压幅值较小时未形成沿面放电，带电粒子在电场作用下迁移产生微弱电流，空间电荷密度和表面电荷密度数值很小。电压幅值足够大时，沿面放电形成，可根据放电电流波形判断沿面放电的发展阶段，火花放电电流峰值可达数千安，表面电荷密度约为几十μC/m2，沿面放电发展速度随着场强增大而增加，速度为105~106m/s。电压幅值进一步增大会引起空间电荷密度大幅增加，导致放电电流峰值增大，可达数十千安，同时表面电荷密度可达数百μC/m2，沿面放电发展速度进一步增加。

目录

1绪 论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作

2沿面放电的非平衡态等离子体模型

2.1概述

2.2沿面放电的几何模型

2.3沿面放电非平衡态等离子体模型的流体模拟方法

2.4 N2/O2混合气体沿面放电过程的物理化学方程

2.5本章小结

3采用等离子体模型的沿面放电动态演变规律分析及验证

3.1概述

3.2平行平板电极结构下沿面放电动态演变规律分析及试验验证

3.3柱板电极结构下沿面放电动态演变规律分析及试验验证

3.4本章小结

4沿面放电发展过程的影响因素分析

4.1概述

4.2绝缘材料特性对沿面放电发展过程的影响

4.3电压幅值对沿面放电发展过程的影响

4.4本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果

C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目