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SF_6/N_2混合气体电击穿特性仿真及实验

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电工技术学报 2017年第20期32卷 42-52页

作者：李鑫涛林莘徐建源李璐维陈会利沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

通过求解两项近似Boltzmann方程,得到SF_6/N_2的放电参数,并将该参数引入流体模型。结合有限元法和通量校正传输法对SF_6/N_2的流注放电过程进行循环迭代求解,计算其击穿电压。以均匀电场中压强0.1~0.6MPa、间隙5mm为例进行数值模拟,通... 详细信息

通过求解两项近似Boltzmann方程,得到SF_6/N_2的放电参数,并将该参数引入流体模型。结合有限元法和通量校正传输法对SF_6/N_2的流注放电过程进行循环迭代求解,计算其击穿电压。以均匀电场中压强0.1~0.6MPa、间隙5mm为例进行数值模拟,通过气体放电实验对计算结果进行验证。根据计算及实验结果得到不同混合比、压强下SF_6/N_2的协同效应系数,分析采用上述计算方法研究混合气体协同效应的准确性。为更全面地反映混合气体应用条件,进一步开展压强低于0.1MPa的SF_6/N_2击穿特性实验研究。研究表明:随着电子崩不断向前发展,放电间隙的空间电子数密度快速增长,SF_6放电过程中的空间电子数密度增长速度低于SF_6/N_2。0.1MPa下20%SF_6/80%N_2放电5ns时的电子数密度峰值达到4.6×1014m^(-3),而SF_6中该值仅为3.7×1012m^(-3)。当气压为0.1~0.6MPa时,SF_6/N_2击穿电压计算值与实测值的最大误差为9.23%,协同效应系数计算值随压强、混合比的变化趋势与实验结果相符,误差均值为5%。0.02~0.08MPa下SF_6/N2击穿电压、协同效应系数随压强、混合比的变化趋势与0.1~0.6MPa下的基本相同。

关键词： SF6/N2混合气体有限元法通量校正传输法 Boltzmann方程流体模型击穿特性协同效应

基于FEM-FCT法的均匀电场下SF_6气体击穿特性

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高电压技术 2014年第10期40卷 3046-3053页

作者：李鑫涛林莘徐建源李志兵沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870 中国电力科学研究院北京100192

研究SF6气体放电过程中微观粒子的动力学特性,可以得到临界击穿场强等衡量气体绝缘能力的宏观参量,这些宏观参量对高压开关设备的设计和研发有重要作用.为此,根据流注理论建立了反映气体放电过程中微观粒子动力学特性的流体动力学模型,... 详细信息

研究SF6气体放电过程中微观粒子的动力学特性,可以得到临界击穿场强等衡量气体绝缘能力的宏观参量,这些宏观参量对高压开关设备的设计和研发有重要作用.为此,根据流注理论建立了反映气体放电过程中微观粒子动力学特性的流体动力学模型,将有限单元法与通量校正传输法相结合,求解均匀电场下极间隙为0.5 cm时SF6气体的放电特性,得到了放电过程中带电粒子的动力学行为以及空间电荷对电场的影响.通过循环计算均匀电场中不同电压下SF6气体的放电过程,得到其临界击穿场强.在此基础上,计算不同压强下SF6气体的临界击穿场强,通过与已有的均匀电场中SF6气体临界击穿场强实验值进行对比,验证计算结果的准确性,并分析气体压强对SF6气体击穿特性的影响.计算结果表明：当压强为0.1 MPa时,极间距为0.5 cm的SF6气体在39 kV的外电压下发生击穿,间隙内的电场在6.8 ns时开始发生畸变,此时电子数密度最大值达到2.7＆#215;1017 m-3,随后SF6由绝缘状态发展为导电状态;当气体压强为0.1～0.4 MPa时,SF6的临界击穿场强与气体压强基本呈线性关系.数值计算结果与实验值基本相符,验证了其正确性.

关键词：流注理论气体放电有限元法通量校正传输法 SF6 临界击穿场强 SF6

均匀电场下SF_6气体击穿电压的数值计算及光谱实验研究

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中国电机工程学报 2016年第1期36卷 301-309页

作者：林莘李鑫涛徐建源单长旺沈阳工业大学电气工程学院辽宁省沈阳市110870

根据流注理论建立反映SF_6气体放电过程中微观粒子动力学特性的流体动力学模型,将有限单元法（finite element method,FEM）与通量校正传输法（flux corrected transport,FCT）相结合,通过循环迭代求解气体的放电过程,得到其击穿电压及... 详细信息

根据流注理论建立反映SF_6气体放电过程中微观粒子动力学特性的流体动力学模型,将有限单元法（finite element method,FEM）与通量校正传输法（flux corrected transport,FCT）相结合,通过循环迭代求解气体的放电过程,得到其击穿电压及空间电子数密度分布。为了证明上述方法的正确性,以均匀电场中气体间隙5mm为例进行数值计算,并通过搭建气体放电光谱实验平台,测量其击穿电压以及导电通道内的等离子体谱线信息,采用Stark展宽法及光强比值法对谱线进行分析,得到电子数密度等参量。在此基础上,分析气体压强对击穿电压及等离子体导电通道内电子温度、电子数密度的影响,建立宏观参量与微观参量的对应关系。研究结果表明：当气压为0.1~0.4 MPa时,SF_6的击穿电压与压强基本呈线性关系,计算结果与实验值随气压的变化趋势一致,但存在一定误差,最大误差为15.51%。电子温度随气压的升高而逐渐下降,0.4 MPa时降低到3.68×10~4K。等离子体导电通道形成时,空间电子数密度分布均匀,计算得到的平均值与实测数据均随压强的升高而增大,其最大误差为17.02%。所得的实验数据能够在一定程度上验证计算方法的正确性。

关键词：流注理论气体放电击穿电压 SF_6 有限元法通量校正传输法

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均匀场中SF6二维流注放电模型的动态仿真

高电压技术 2008年第7期34卷 1358-1362页

作者：王湘汉汪沨邱毓昌湖南大学电气与信息工程学院长沙410082 西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室西安710049

为了对SF6气体的放电过程进行深入研究,使用含电子、正离子、负离子的连续方程对SF6气体的放电过程建模,通过耦合泊松方程进行了解决空间电荷对电场的畸变影响的研究。使用通量校正传输法(Flux-Corrected Transport)求解连续方程,并首... 详细信息

为了对SF6气体的放电过程进行深入研究,使用含电子、正离子、负离子的连续方程对SF6气体的放电过程建模,通过耦合泊松方程进行了解决空间电荷对电场的畸变影响的研究。使用通量校正传输法(Flux-Corrected Transport)求解连续方程,并首次实现了二维情况下的SF6放电过程的动态仿真。模拟过程考虑了带电粒子及中性气体分子的电离、吸附、复合、扩散以及光电离等过程。从仿真结果可见,SF6放电时的电子崩转化成了正、负流注,并且光电离过程加速了流注的发展。通过仿真使得SF6流注放电机制的研究从定性变为定量,这对于进一步研究SF6及相关气体的放电机理具有重要意义。

关键词：六氟化硫气体放电电子崩流注通量校正传输法模拟

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基于通量校正传输方法的地震波数值模拟

中国科技纵横 2020年第8期 218-220页

作者：蔡小苏周文宗湖南省核工业地质局三0二大队湖南郴州423000

地震波数值模拟在地震勘探中具有重要作用.有限差分法凭借自身优点,广泛的应用于波动方程求解中.本文将通量校正方法和交错网格高阶差分法有效的结合,对均匀半空间介质二维一阶速度-应力波动方程组进行数值解.得到同一时刻,时间二阶,不... 详细信息

地震波数值模拟在地震勘探中具有重要作用.有限差分法凭借自身优点,广泛的应用于波动方程求解中.本文将通量校正方法和交错网格高阶差分法有效的结合,对均匀半空间介质二维一阶速度-应力波动方程组进行数值解.得到同一时刻,时间二阶,不同空间阶数,不同网格步长的波场快照.结果表明,细网格步长和高阶差分能较好地压制数值频散;通量校正法在压制网格数值频散方面有明显的优势,在保持一定计算精度情况下,可采用较大的网格间距,提高计算效率.

关键词：有限差分法数值模拟交错网格频散通量校正传输法

来源：评论

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气体绝缘短间隙流注放电过程计算机仿真

气体绝缘短间隙流注放电过程计算机仿真

作者：吴昊华北电力大学

学位级别：硕士

SF6以其优异的物化性能,已成为电力行业中广泛使用的重要熄弧及绝缘介质。但SF6是一种温室气体,已经被1997年通过的《京都议定书》列为全球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... 详细信息

SF6以其优异的物化性能,已成为电力行业中广泛使用的重要熄弧及绝缘介质。但SF6是一种温室气体,已经被1997年通过的《京都议定书》列为全球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。本文的主要工作就是对SF6/N2混合气体这一目前最有可能替代SF6的气体介质的放电过程进行仿真模拟,以期能够更加深刻理解该类气体介质的放电机制,进而为后续以该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。本文采用二维流体动力学模型模拟板-板气体间隙流注放电过程。模型包含根据物质守恒定理推导出的描述正、负离子以及电子对流-扩散运动过程的连续性方程,并耦合泊松方程对空间电场分布进行分析。对于模型的求解采用有限元法,用通量校正传输法(Flux-Corrected Transport,FCT)抑制求解过程中产生的数值震荡问题。实现了SF6及其混合气体短间隙下流注放电过程的二维动态仿真。仿真包括了放电过程中各种带电粒子的碰撞电离、附着、结合、扩散等过程,并且考虑了光电离对放电过程产生的影响。本文对相同初值以及边界条件条下10%SF6-90%N2、50%SF6-50%N2和纯SF6气体的流注放电情况进行了仿真,并就仿真结果作了对比和分析,结果表明：SF6含量高的混合气体相对来说比较不容易被击穿。并且在放电过程中可以观测到负向流注的出现。并通过对有、无光电离参与时50%SF6-50%N2混合气体气体流注放电过程中不同时刻的轴向电子浓度分布的对比和分析,说明了光电离对电子崩和流注的发展有加速作用。本文的仿真结果能清楚描述SF6及其混合气体放电过程中空间电场以及各种带电粒子的分布情况,直观的解释了短间隙气体流注放电的物理过程。为进一步开展该类气体放电机制的研究奠定了基础。

关键词：气体放电流注 GIS 通量校正传输法有限元

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Biot介质的交错网格差分法波场模拟研究

Biot介质的交错网格差分法波场模拟研究

作者：张文忠中国地质大学（北京）

学位级别：硕士

交错网格有限差分技术已经被广泛应用于地震波波场模拟中,本文使用该技术模拟了Biot饱和流体孔隙介质的波场特征。本文将常见的二阶微分Biot波动方程用等效的一阶速度-应力双曲方程表示,其中未知的波场向量包括固相和流体的速度分量和... 详细信息

交错网格有限差分技术已经被广泛应用于地震波波场模拟中,本文使用该技术模拟了Biot饱和流体孔隙介质的波场特征。本文将常见的二阶微分Biot波动方程用等效的一阶速度-应力双曲方程表示,其中未知的波场向量包括固相和流体的速度分量和应力分量。由此才能对其使用交错网格差分方法。模拟中震源项采取双相介质中纵波线震源激发的形式。通过该技术本文对各向同性双相介质和各向异性双相介质在单层介质模型和双层介质模型中的波场特征进行了研究。因为慢纵波在饱和黏滞流体的孔隙介质中具有强衰减性,本文也考虑了介质的衰减机制。本文研究的结果显示在两层介质分界面上,当地震波产生反射和投射时能观测到两类纵波和横波,并且在衰减系数大的介质里慢纵波很难见到。本文还对模拟了含天然气水合物的沉积地层的地震波场并研究了其合成记录。用有限差分技术求解波动方程时会带来不必要的震动,即数值频散。数值频散现象严重影响了模拟效果,降低了模拟精度。本文探讨了引起数值频散的原因,并给出高阶差分方程和通量校正传输(FCT)的办法以消除频散。为了避免在人工边界上引起的反射。本文将完全匹配层(PML)引入到孔隙介质的地震波传播模拟中来。完全匹配层是一种非物理性的介质,它作为一种吸收边界条件应用在有限差分计算区域的边界上。Biot波动方程的完全匹配层的表达公式与其他的完全匹配层方程有所不同,而且需要特定的衰减因子。数值模拟的结果显示完全匹配层能够非常有效地吸收掉传播进去的地震波。

关键词：交错网格有限差分技术 Biot饱和流体孔隙介质波场特征模拟通量校正传输法完全匹配层

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SF6/CO2混合气体击穿特性研究

SF6/CO2混合气体击穿特性研究

作者：韩宇飞沈阳工业大学

学位级别：硕士

SF气体是一种性能优良的绝缘灭弧介质,应用广泛。但SF气体也存在一些不容忽视的问题,例如温室效应强、液化温度较高等,所以急需寻找一种性能更加优异的替代气体或SF的混合气体。由于SF混合气体能减少SF的使用量,也同样具有研究意义。CO... 详细信息

SF气体是一种性能优良的绝缘灭弧介质,应用广泛。但SF气体也存在一些不容忽视的问题,例如温室效应强、液化温度较高等,所以急需寻找一种性能更加优异的替代气体或SF的混合气体。由于SF混合气体能减少SF的使用量,也同样具有研究意义。CO气体由于绝缘和灭弧性能良好、分解温度高,另一方面是由于CO气体的液化温度与SF气体相比要低。因此,开展对SF/CO混合气体击穿特性的研究具有学术意义和实用价值。首先提出了一种计算击穿电压的方法。为了验证该方法的准确性,采用SF气体为例进行计算,通过计算结果与实验所得结果进行对比,验证了该方法的准确性。利用玻尔兹曼方程的两相近似法进行求解气体的电子能量分布函数,并通过分析气体分子的碰撞截面参数,求解其折合电离反应系数与折合吸附反应系数,并建立气体放电模型,采用有限元-通量校正传输法(FEM-FCT)对其粒子数密度进行求解,再通过迭代算法求得了特定放电模型下的击穿电压。采用提出的击穿电压计算方法对SF/CO混合气体的放电参数进行计算分析,得到电子能量分布规律以及折合电离系数与折合吸附系数随折合场强的变化规律,并对其击穿电压进行求解。为了分析放电过程中不同时刻电子数的变化规律,对20%SF/80%CO混合比的混合气体在典型电极下的放电过程进行模拟,得到不同放电时刻的电子数密度,并对结果进行分析。针对灭弧室中出现的弧后击穿的问题,对SF/CO混合气体的热态击穿特性进行分析。对于热态击穿具有气体分子分解过程,在进行热态击穿特性的分析时,建立了计算粒子组分的数学模型并对不同混合比下的粒子组分进行计算分析,得到不同混合比下的粒子组分随温度的变化规律;计算不同条件下的电子能量分布函数,分析电子能量分布函数随电场、压强、温度的变化情况,得到了电子能量与电场力的大小正相关、与压强大小负相关、与温度的关系是先正相关后负相关的;最后分析了折合电离系数与折合吸附系数,并求得不同温度、不同压强、不同混合比下的临界击穿场强,分析得到了临界击穿场强随着温度升高而下降、随压强升高而增大、随混合气体中SF气体含量的升高而增大。

关键词： SF6/CO2混合气体放电通量校正传输法临界击穿场强热态

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SF6/N2/CO2混合气体放电数值分析

SF6/N2/CO2混合气体放电数值分析

作者：张路路哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

在电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质,SF6气体具有介电强度高,灭弧性能优良等优点,使其在高压电气设备中应用广泛。但SF6是一种温室气体,对环境的影响不可忽视。目前,为减少SF6的使用,对SF6混合气体的绝缘特性进行了大量研究,发... 详细信息

在电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质,SF6气体具有介电强度高,灭弧性能优良等优点,使其在高压电气设备中应用广泛。但SF6是一种温室气体,对环境的影响不可忽视。目前,为减少SF6的使用,对SF6混合气体的绝缘特性进行了大量研究,发现SF6/N2/CO2的研究可能成为SF6的替代气体,对其放电特性的研究也备受关注。对常压下 50%/49%/1%、50%/48%/2%、50%/47%/3%、50%/46%/4%和50%/45%/5%SF6/N2/CO2 气体与 0.2-0.6MPa 下 50%/49%/1%SF6/N2/CO2 气体放电过程进行数值分析,所采用二维流体模型包括电子、正离子以及负离子的粒子连续性方程,充分考虑了光致电离在放电过程中对电荷密度、空间电场、放电参数和极板间电流的影响。采用通量校正传输法(Flux-Corrected Transport,FCT)对粒子连续方程进行计算,并使用有限差分法与超松弛迭代算法完成对泊松方程的求解。本文对常压下5种不同混合比的SF6/N2/CO2气体放电过程进行研究与分析,得出在气体放电过程中电子崩与流注阶段,混合比的影响呈现逐渐加剧趋势。对5种不同混合比气体放电特性进行对比分析,得出在相同外加电压43.6kV下随N2的减少与CO2的增加气体完成放电过程需要更多的时间,击穿时间分别为8.5、8.7、9.0、9.2和9.5ns。对0.2-0.6MPa下50%/49%/1%SF6/N2/CO2气体放电过程进行数值计算与分析,压强的增大导致气体的介电强度增强,增加外加电压实现放电过程的模拟,以0.1MPa为变化步长,外加电压增幅分别为5.4kV、1.8kV、1.0kV、0.2kV、0.2kV。在相同电压作用下,不同压强下气体放电速度有明显差别,0.1MPa下的放电速度明显快于其他压强下。本文所得研究结果很好的解释了常压下不同混合比的SF6/N2/CO2气体与0.2-0.6MPa 下50%/49%/1%SF6/N2/CO2气体放电的过程,对其放电机理有更深入的认识,为合理利用SF6/N2/CO2提供理论依据,有助于充分利用气体介质的绝缘特性。

关键词： SF6/N2/CO2气体流体模型气体放电通量校正传输法