SF/N混合气体中绝缘子表面电荷积聚与沿面闪络的PIC仿真

摘要

SF6因其优异的物化性能，已成为电力行业中广泛使用的重要熄弧及绝缘介质。但SF6是一种强温室气体，已经被1997年通过的《京都议定书》列为全球需管制使用的六种气体之一，因此，近年来寻找SF6替代气体的研究工作成为各国科学家和电力部门需要解决的迫切问题。作为SF6气体较为理想的一种替代气体，SF6/N2混合气体因其接近纯SF6的绝缘性能，具有很好的应用前景，因此关于其放电机制的研究得到了各国学者的重视。本文的主要工作就是针对SF6/N2混合气体中绝缘子沿面放电的非线性过程进行仿真模拟，以期能够更加深刻地理解此类气体介质的绝缘性能，进而为后续以此类气体为绝缘介质的电力设备的绝缘设计提供必要的理论支持。 本文采用等离子体粒子运动方程对SF6/N2混合气体的沿面放电过程进行建模。通过二维泊松场的有限元方程与蒙特卡罗碰撞电离模型相耦合，解决了气体放电过程中大量带电粒子运动、电离等非线性过程模拟。在国内首次实现了二维空间的SF6/N2混合气体沿面放电过程的动态仿真。模拟过程考虑了电子与SF6、N2中性气体分子的电离、吸附、复合、扩散以及光电离等过程。 本文分别对相同条件下10％-90％ SF6/N2和50％-50％ SF6/N2气体的沿面放电发展情况进行了模拟，并就模拟结果作了比较与分析，结果表明：SF6含量低的混合气体比SF6含量高的混合气体，电子崩的发展要迅速一些，电场击穿也会快一些，相应的气体绝缘性能也会降低；电子在向正极运动的过程中，受电场力法向分量的影响会逐渐运动到绝缘子表面形成表面电荷积聚。 本文的模拟结果能很好的解释SF6/N2混合气体中绝缘子沿面放电的过程，也能清楚描述放电过程中各种带电粒子的分布情况和绝缘子表面电荷积聚的情况，为进一步开展该类气体放电机制的研究提供了重要的理论支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1 气体绝缘开关装置的发展现状

1.2 SF6/N2气体介质绝缘特性与研究现状

1.3 论文的主要工作

第2章 SF6及其混合气体的绝缘特性

2.1 SF6/N2混合气体放电特性

2.1.1 SF6/N2混合气体中带电粒子的产生和消失过程

2.1.2 电子崩的发展

2.2 表面电荷积聚机理

第3章 SF6混合气体中绝缘子沿面放电机制

3.1 SF6混合气体中沿面放电特性

3.1.1 电场分布的影响

3.1.2 电压波形的影响

3.2 电荷积聚对绝缘子沿面放电的影响

3.2.1 表面电荷对沿面放电起始的影响

3.2.2表面电荷对沿面放电步进发展的影响

第4章 PIC仿真模型和算法

4.1 有限元电场计算

4.1.1泛函的确定

4.1.2离散剖分

4.1.3有限元方程

4.2 蒙特卡罗碰撞电离模型

4.2.1理论方法

4.2.2模拟实现

4.3 PIC算法及其实现

4.3.1基本思路

4.3.2算法问题

4.4本章小结

第5章 SF6/N2混合气体中绝缘子沿面放电过程的仿真

5.1 混合气体(10%-90%SF6/N2)电子崩的发展

5.1.1空间电场中带电粒子的运动

5.1.2空间电荷对电场的影响

5.2混合气体(50%-50%SF6/N2)电子崩的发展

5.2.1空间电场中带电粒子的运动

5.2.2空间电荷对电场的影响

5.3本章小结

第6章 SF6/N2混合气体中表面电荷积聚问题的研究

6.1 表面电荷积聚的基本理论

6.2 由电子崩引起的表面电荷积聚

6.2.110%-90%SF6/N2中绝缘子表面积聚电荷

6.2.250%-50%SF6/N2中绝缘子表面积聚电荷

6.3本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录