半波长输电线路潜供电弧时空物理过程的数值建模方法

摘要

半波长输电线路电压等级高、输电距离长、传输功率大，其潜供电弧问题尤为突出。如果潜供电弧不能及时熄灭，将使断路器重合于弧光接地故障，造成重合闸失败。研究潜供电弧的产生机理与动态物理特性，进而发展有效的抑制技术，具有重要的理论意义和应用价值。本文采用低压模拟实验和仿真建模相结合的方式，重点对短路电弧和潜供电弧的燃烧及运动形态以及潜供电弧起始前的等离子体状态进行了探索研究。
　　通过低压模拟实验中高速相机拍摄图片，本文分析了电弧的燃烧及运动特性。并比较了不同潜供电流对潜供电弧特性的影响。发现短路电弧通道明亮直径较大，电弧运动以径向扩散为主。潜供电弧放电通道窄运动剧烈，同时其放电轨迹具有明显的重复性且一直处在短路电弧残余等离子体中。50A电流下潜供电弧重燃持续时间很长，几乎整个工频半周期都有较为明显的放电通道。10A电流下，除击穿瞬间外一般明显的放电通道只能持续0.001s左右。
　　本文还通过将一般形式的系数型偏微分方程与经典漂移-扩散模型结合，得到潜供电弧数值模拟的理论模型，进而给出了基于有限元软件COMSOL的实现方法。其后采用瞬态分析模拟了短路引弧放电中电弧的产生，扩散和消散过程。进一步地对放电过程中电场、微观粒子空间分布情况及反应过程进行了探索研究。模型结果与高速摄像实验结果在时间和空间上具有较高的吻合程度。仿真结果表明:短路电弧主要包括电晕放电和短路引起的弧光放电两个过程，其中前者持续时间极为短暂。放电过程中引弧线上电子密度呈先增加后减小的趋势，且有不同于一般流注放电的特征。正离子和负离子浓度变化分布曲线尽管趋势一致，但有细微区别。当离子反应趋近于仿真时间末尾时，离子浓度高于初始水平，证明由于短路放电，增加了空间离子浓度，为后续的潜供电弧产生提供了必要的环境条件。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 潜供电弧实验方面

1．2．2 潜供电弧数学建模方面

1．3 本文的主要内容

第2章 潜供电弧燃烧及运动特性实验研究

2．1 实验方案设计

2．1．1 实验回路拓扑设计

2．1．2 其他说明

2．2 实验平台搭建

2．3 实验结果分析

2．3．1 短路电弧燃烧和运动特性研究

2．3．2 潜供电弧燃烧和运动特性

2．4 本章小结

第3章 潜供电弧数值模拟的理论模型及算法实现

3．1 潜供电弧数值模拟的理论模型

3．1．1 系数型偏微分方程和经典漂移-扩散模型

3．1．2 潜供电弧放电过程简化模型

3．1．3 基于泊松方程的电场有限元理论

3．1．4 反应系数及动力学参数确定

3．2 基于COMSOL的模型实现

3．2．1 模型定义和网格剖分

3．2．2 短路电弧的数值模拟

3．2．3 初始条件和边界条件

3．3 本章小结

第4章 潜供电弧起始阶段数值仿真与实验结果对比

4．1 短路电弧阶段仿真结果与实验对比分析

4．2 短路放电结束时刻三种粒子的浓度分布

4．3 电子密度分布发展规律

4．4 短路放电过程关键位置正、负离子浓度时间依赖性分析

4．5 电场空间分布及放电过程中的电场变化

4．5．1 初始电场

4．5．2 空间点的电场-时间依赖性分析

4．5．3 轴向电场强度的-时间发展趋势

4．6 放电过程离子反应的时间依赖性

4．6．1 中和反应

4．6．2 正离子与电子的吸附反应

4．6．3 负离子脱离电子

4．7 空间离子浓度梯度分布规律

4．8 小结

第5章结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

A．作者在攻读学位期间发表(录用)的主要论文目录

B．作者在攻读学位期间负责或参研的主要科研项目

致谢