基于FEM-FCT法的SF6/N2混合气体流注电晕的仿真研究

摘要

我国能源资源分布和生产力发展不平衡的特点以及为满足经济又好又快发展的需要，特高压电网的建设非常必要且迫在眉睫。SF6作为一种优良的绝缘与灭弧介质，广泛应用于各种气体绝缘设备中，在1997年12月在日本通过的京都议定书中，被列为需全球管制使用的六种气体之一。鉴于环保的要求，目前研究SF6/N2混合气体的主要目的为降低SF6的排放，减少SF6对环境的影响。由于开展研究工作时间较短，对于SF6/N2混合气体的放电特性的了解还非常不够。本文的主要工作就是对气体绝缘设备中可能存在的极不均匀场和稍不均匀场情况下，SF6/N2混合气体这一目前最有可能替代SF6的气体介质的电晕放电过程进行模拟，以加深理解该气体介质的放电机理，进而为以该类气体为绝缘介质的电力设备的绝缘设计提供理论依据。
　　 本文采用二维流体力学模型，基于不固定网格剖分，利用有限元通量校正传输(FEM-FCT)法求解含电子、正离子、负离子的连续方程，并耦合泊松电场研究空间电荷对场域的畸变作用，采用有限元法求解泊松方程。实现了棒-板间隙中和同轴间隙中不同外施电压、不同SF6含量SF6/N2混合气体二维流注电晕放电过程的动态仿真，同时考虑了带电粒子及中性气体分子的电离、吸附、复合、扩散等过程，并且首次综合考虑了适合SF6/N2混合气体放电的阴极光致发射与空间光电离过程。
　　 通过对棒-板间隙中50％-50％SF6/N2和10％-90％SF6/N2混合气体二维流注电晕放电过程进行模拟，结果表明：流注电晕的形成加强了与阳极极板间的场强，减弱了与阴极棒头的场强；流注电晕对外电场起到了均匀的作用；空间光电离的作用明显强于阴极光致发射的作用；10％-90％SF6/N2混合气体的绝缘性能较50％-50％SF6/N2混合气体差；棒-板间隙外施加电压增加时，流注电晕推进速度加快，并且很快不稳定。间隙距离不变，棒头半径变大时，流注电晕放电相对稳定；棒头半径不变，间隙距离变小时，流注电晕放电不稳定，放电会继续向前发展。
　　 对比了同轴间隙中和棒-板间隙中流注电晕放电的特性，结果表明：同轴电场的极不均匀系数较小，空间电场相对均匀，同轴间隙流注电晕的形成时间较棒-板间隙慢，流注电晕对外加电场的均匀作用较明显，由流注电晕达到不稳定放电的时间也较短，起始流注电晕电压也较低。