基于等离子体化学模型的短空气隙电晕放电特性研究

作     者：尹凯强 

作者单位：山东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘兴华;安韵竹

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080803[工学-高电压与绝缘技术] 08[工学] 

主      题：电晕放电 等离子体 雷云电场 紫外光子数 屏蔽效应 

摘      要：自然雷暴活动在地面附近产生强烈的电磁场变化,会引起高处尖端目标物产生电晕放电现象。尖端目标物表面的电晕放电过程会在其周围产生大量空间电荷,影响尖端目标物上行先导的起始过程。为了研究雷云电场环境下避雷针尖端电晕放电的微观物理过程以及环境因素对电晕放电的影响,本文分析放电过程输运参数变化规律,搭建空气电晕放电过程的等离子体化学和流体动力学耦合模型,模拟“板-棒空气间隙中接地电极头部电晕放电过程,分析不同因素对接地棒头部电晕放电过程的影响,并通过“板-双棒间隙电晕放电试验分析接地电极之间屏蔽效应。本文主要研究工作如下:(1)采用两项近似理论并结合现有电子与大气分子碰撞反应的截面数据得到Boltzmann方程的电子碰撞源项,获得电子能量分布函数并计算电子输运参数,对比相关文献验证了所考虑电子碰撞反应的合理性。并对比分析气压、温度对电子输运参数的影响。气压对约化电离系数和约化吸附系数的影响较大,温度对其影响较小。(2)搭建了“板-棒间隙电晕放电数值计算模型。分析了电晕放电过程中电场强度、电子浓度、电子温度和重粒子浓度的空间分布,以及气压、温度和电压对电晕放电过程的影响规律。随着放电发展,电子浓度峰值均处于接地电极头部,电场强度、电子温度、N浓度和O浓度峰值逐渐向板电极移动。气压和电压对电晕放电的影响较大,随着气压的降低、电压的增加,放电速度逐渐加快;温度对电晕放电的影响较小。(3)开展了3种“板-棒和2种“板-双棒接地电极电晕放电特性试验。利用电-光联合观测试验平台,分析了接地电极头部形状对电晕放电特性的影响以及“板-双棒间隙中两接地电极之间的屏蔽效应。在“板-棒间隙中,锥形接地电极流注放电阶段电压差|U-U|明显大于球形(r=0.75cm);对于锥形接地电极的辉光电晕,其电压差|U-U|随间隙距离的增大逐渐减小,而球形(r=0.75cm)接地电极的电压差基本一致,表明流注电晕和辉光电晕阶段易于发生在曲率半径较小的接地电极尖端。在“板-双棒间隙中,球形(r=0.75cm)接地电极的电晕起始电压相比于“板-棒间隙大约增加了-30k V,锥形接地电极的电晕起始电压基本不变;锥形接地电极脉冲电流幅值随球形曲率半径的增大而减小;采用图像处理方法得到各接地电极的光子数,起晕后光子数大致呈线性增长,并且接地电极距离越近,屏蔽效应越强。