流注放電是指在強電場作用下發生碰撞電離，伴隨著空間電荷引起的電場畸變和光電離，形成的游離電位。隨著我國特高壓輸電和緊湊型輸電工程的深入開展，輸變電工程在滿足安全運行的前提下，需要最佳化輸變電工程的空氣間隙結構，是高電壓工程急需解決的關鍵問題之一。而決定輸變電工程空氣間隙結構的關鍵因素是長空氣間隙的放電特性，因此研究長空氣間隙放電特性對於特高壓輸電和緊湊型輸電具有重要意義。
基本介紹
- 中文名：流注放電
- 外文名：Lingers discharge
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 範圍：電力系統
- 出於：特高壓輸電和緊湊型輸電工程
簡介,大氣壓下不同氣體的流注放電特性,不同濕度下空氣的流注放電特性,初始電子濃度對正極性流注放電的影響,短間隙流注放電數值仿真方法,
簡介
隨著我國特高壓輸電和緊湊型輸電工程的深入開展，輸變電工程在滿足安全運行的前提下，需要最佳化輸變電工程的空氣間隙結構，是高電壓工程急需解決的關鍵問題之一。而決定輸變電工程空氣間隙結構的關鍵因素是長空氣間隙的放電特性，因此研究長空氣間隙放電特性對於特高壓輸電和緊湊型輸電具有重要意義。流注作為長間隙發生先導和擊穿的起始階段，流注的傳播對間隙擊穿有著重要的影響。於是流注的起始和傳播特性成為亟待解決的關鍵問題而引起人們越來越多的關注。
大氣壓下不同氣體的流注放電特性
由於受到測量手段的限制，尚很少有人直接觀測流注的內部物理參數(如電子密度、電子能量等)。因此數值仿真成為人們研究流注放電特性的一個重要方法。流注放電過程一般採用流體模型(Boltzmann 方程的不同階速度矩量)進行求解，流體模型由粒子連續性方程耦合泊松方程組成，光電離作為源項加在電子和正離子的連續性方程上。
由於流體模型中連續性方程是對流占優的對流擴散方程，且粒子密度梯度變化非常大，因此許多學者致力於準確求解此對流擴散方程。求解此對流擴散方程主要有2種方法：一是改進的Scharfetter-Gummel(ISG)算法；二是通量輸運校正(flux corrected transport，FCT)方法。
ISG 算法主要難點在於參數ε的選擇；採用FCT方法時通量限制器算法對解的精度和效率均有較大的影響。另外，由於泊松方程的求解可能占總仿真時間達80%以上，有些學者致力於泊松方程的快速求解。認識到光電離對流注的空間傳播起著非常重要的作用，因此很多學者轉向對光電離進行研究。但他們主要集中在光電離的快速求解上，如：Kulikovsky 把流注通道的光電離近似認為在徑向圓盤或者圓柱環上是均勻的，這樣能把3重積分轉化為1重或者2重積分；Luque、Bourdon等人把光電離的積分模型轉化為一組Helmholtz微分方程進行求解；Ségur、Bourdon等人用簡化球諧法(simplified spherical harmonics，SPN)對輻射輸運方程(radiative transfer equation，RTE)進行求解代替光電離的積分計算。為了探索光電離強度對流注的空間傳播所起的作用，有學者嘗試用不同背景預電離水平代替光電離研究流注傳播特性，也有學者研究不同熄滅壓強(quenching pressure)下空氣中流注傳播特性。
不同濕度下空氣的流注放電特性
輸變電工程的空氣間隙結構主要由其空氣間隙的放電特性所決定，因此研究空氣間隙特別是長空氣間隙的放電特性對於我國特高壓輸電和緊湊型輸電具有重要意義。流注作為空氣間隙發生先導和擊穿的起始階段，流注傳播對間隙的擊穿有著重要的影響，於是流注的傳播特性引起了越來越多的關注。流注還具有廣泛的工業化套用背景如材料表面改性、污染物控制等。
由於受到測量手段的限制，數值仿真成為人們研究流注放電特性的一個重要方法。流注放電過程一般採用流體模型(Boltzmann方程的一階Legendre多項式近似)進行求解，流體模型由粒子連續性方程耦合Poisson方程組成，光電離作為源項加在電子和正離子連續性方程上。
國內外研究人員主要針對大氣壓下氮氣和空氣的流注放電過程進行了大量的數值模擬研究。比較有代表性的有：Dhali和Williams對平行板中氮氣正流注發展過程進行的仿真；Vitello對平行板中氮氣的負流注發展過程進行的仿真；Morrow和Lowke對空氣中的正流注發展過程進行的仿真。這些研究使人們對流注傳播速度、電子數密度分布、流注傳播的影響因素(如氣壓、光電離強度、電場強度和電場均勻程度等)有了較清晰的認識。
對於實際的輸變電工程空氣間隙，空氣不可避免含有一定量的水分子，水分子不僅可以作為光致電離的另一個吸收體(除O2分子外)，還可以對激發態N2分子有熄滅作用。因此濕度對空氣中的流注放電過程有何影響成為我們的關注點。主要研究了不同空氣濕度下雙向流注傳播特性如流注通道半徑、流注發展速度等。
初始電子濃度對正極性流注放電的影響
氣體放電低溫電漿技術在工業領域如材料的表面改性、消毒和刻蝕等方面都具有潛在的套用價值，已成為電漿套用領域新的研究熱點。而流注放電作為氣體放電的早期階段引起人們越來越多的關注。氣體放電低溫電漿研究模型主要有3種：動理學模型、流體力學模型和混合模型。針對不同的放電形式，每種模型都有自己的優勢和不足。流注的理論研究工作主要是採用流體力學模型的數值計算分析，該模型包含電子、正負離子的連續性方程和局域場近似的泊松方程。模型描述了流注放電過程中帶電粒子隨時間的演化過程。一般情況下間隙中初始電子濃度的大小對粒子隨時間的演化過程有一定的影響，但現有的流注放電研究文獻鮮有報導這一影響規律，且初始電子濃度CeO取值也存在較大的差異，如CeO=109、1013、1014m－3。為此將研究初始電子濃度對空氣中針板間隙正極性流注放電的影響。
採用有限元軟體COMSOL Multiphysics求解氣體放電流體力學模型中電子、正負離子的連續性方程和電場的泊松方程。利用該軟體求解氣體放電的流體力學模型已經得到了學術界的認可。由於這類連續性方程是對流項占優的方程，所以直接利用有限元法求解這類對流項占優的連續性方程時存在嚴重的數值擴散和數值色散的問題。針對該問題，在求解過程中選擇了軟體提供的數值穩定技術之一“SOLD（spurious oscilla－tions at layers diminishing）穩定方法”，該方法有效地抑制了數值擴散和數值色散。而針對計算過程中可能出現的粒子濃度負值問題，通過對原始連續性方程進行指數化處理來予以解決。
短間隙流注放電數值仿真方法
流注放電是間隙放電研究的重要內容與切入點，摸清其放電機制，有利於更長間隙放電過程的研究。迄今為止，實驗仍是研究流注放電過程的最重要方法，但僅靠現有實驗手段與已有實驗數據仍無法完全明晰放電過程的微觀機制，也無法獲取放電通道內帶電粒子密度分布及局部場強分布等微觀參數。
隨著計算機運算能力的大幅提升和數值計算方法的巨大進步，回歸到求解氣體放電物理方程來研究流注放電已成為可能。另一方面，初步研究表明，正確的數值仿真可以獲得與實驗基本一致的結果。
因此，數值仿真成為推動氣體放電理論發展的一種重要方法。通過比較數值仿真與實驗結果的異同，最佳化參數選取，改進計算模型，有利於建立更接近真實情況的流注放電模型，更深入地了解間隙放電過程的微觀規律，獲得很難通過實驗測得的某些關鍵放電參數，如放電通道內的粒子密度、場強分布及粒子能量密度分布等，從而加深對放電物理過程的理解。
