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短间隙空气绝缘电子崩过程数值模拟及实验

仲伟涛  
【摘要】:电能是一种便于集中、传输、分散、控制和转换成其他形式的能源,是现代文明社会的重要物质基础。电力系统中的高压输电线路主要是依靠足够的空气间隙保持绝缘的,而变电站的开关设备也大都是气体绝缘设备。气体放电是研究带电粒子在电场中运动规律及应用的学科。气体放电机理的实验研究和理论探讨对认识不同条件和不同电极系统下的气体放电规律,以保证各种电力设备安全可靠运行具有理论价值和实际意义。 在研究气体放电现象的过程中,科学家进行了大量的研究工作,取得了丰硕的成果。但由于气体放电过程涉及到物质结构的不同层次(包括电子、原子、分子和光子),影响因素比较多,因而还没有一个理想模型能够对放电过程进行精确描述。根据汤逊电子碰撞电离理论,电子崩是气体放电最基本的过程。本文在借鉴国内外气体放电理论和实验成果的同时,从基本物理定律出发,遵循物质运动的普遍规律,以汤逊碰撞电离及流注理论为基础,应用雷特—米克判据构建了气体绝缘短间隙电子崩发展过程的数学模型和相应的计算机仿真方法。在板—板、尖—板、尖—尖、球—球、球—板、以及尖—球电极系统中,对空气进行电子崩过程仿真计算,不仅考虑电子和正离子空间电荷场对电子崩发展的影响,同时,还充分考虑了带电粒子在电场中的行为,包括电离、复合、漂移、扩散和气体分子密度等对电子崩过程的作用。仿真结果表明,空间电荷场对负针尖电极系统中电子崩过程的影响大于正针尖电极系统,其影响程度与气体分子密度有关。对各种电极在不同压力下进行模拟实验,实验表明:通常情况下,给定间隙,气体的起始放电电压随着压力的增大而增大;不同的电极系统,由于电场的均匀程度不同,起始放电电压随压力变化的趋势也不同。 本文结论可以为选择合理的气体绝缘高压电器结构和输电线路的外绝缘配置,充分利用和发挥空气绝缘的特点提供技术支持和参考。


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