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基于整体模型的SF_6替代气体CO_2与N_2-He放电特性的快速数值模拟研究

陈凯枫  
【摘要】:SF6气体具有良好的绝缘特性和灭弧能力,被大规模使用在各种电力设备中,然而,SF6气体是一种强温室效应气体,SF6气体的使用受到了严格的限制。世界各国的学者做了大量的研究,找到了不同种类的替代气体,本文总结国内外现状,分别阐述不同替代气体在电气特性以及环保特性方面的优缺点。结合替代气体实际放电过程,本文选取目前研究较多的CO2、N2和He混合气体进行数值模拟仿真。从微观角度分析替代气体的放电过程,研究放电过程中产生的粒子种类及浓度的变化规律。依据粒子数平衡方程和能量平衡方程,在忽略了空间分量的基础上搭建了具有极高计算效率的整体模型并借助于Matlab编程实现模型的高效运行。本文详细介绍了整体模型的仿真应用依据,通过对两大平衡方程的计算分析,进行气体放电产物的数值模拟研究,对每种粒子的密度的变化过程进行分析,澄清放电过程中主要进行的反应,得到每个反应对应粒子密度变化的影响。进一步改变改变气体放电间隙,分析电子温度的变化,对不同混合比例下的N2和He气体进行的仿真比较。研究结果表明:在CO2气体的放电过程中,CO密度较高,因此当用气体C02进行绝缘灭弧的时候,应重点考虑有害气体CO的处理。从整体来看,反应 1:e-+C02==2e-+CO2+、反应 2:e-CO2==O-+CO以及反应18:粒子与等离子体壁的碰撞反应对整个放电过程的影响最大,放电反应中电子的附着过程远小于碰撞电离过程,但电子与等离子壁的碰撞导致电子的消耗很快CO2作为SF6气体的替代气体的灭弧性能较好。He/N2(1:1)混合气体的放电过程中,N、N2+两种粒子在反应前后的增长幅度很大,而这两种粒子暴露在空气中时,易与含氧物质进一步反应生成有害氮氧化物,因此我们在将N2/He(1:1)气体作为SF6替代气体进行灭弧的时候,主要应该考虑到N、N2+的吸收处理。从整体来看,反应18:N2+e-==2N+e-、反应20:N+e-==N++2e-、反应21:粒子与等离子体的碰撞反应几乎决定着整个放电过程;N2/He不同混合比例对整个放电过程并没有实质性的影响,只是N2:He=1:4时,电子密度在平衡时的数值有了一定程度的下降,并且电子温度在数值上也有一定程度的下降,反应中的综合粒子产物内能减小,活泼性降低,绝缘强度增强。而N2:He=4:1时,结论与之相反,电子密度在平衡时的数值有了一定程度的提高,并且电子温度在数值上也有一定程度的上升,反应中的综合粒子产物内能增强,活泼性增强,绝缘强度降低,但是电子密度到达稳定平衡的时间变小,电弧持续时间变短,灭弧性能增强。改变放电间隙对替代气体进行仿真模拟,发现最终电子温度仍然趋于稳定,但随着放电间隙增大,气体的反应过程也越来越弱,电子温度越来越低,表示电子的平均动能越来越低,气体内粒子的活泼性下降。本文引入整体模型进行替代气体的研究,并通过Matlab编程实现整体模型的稳定运行。该模型具有极高的计算效率,并能准确的分析不同放电气体中的产物及浓度演化。该方法的使用将为CO2替代气体的研究,特别是对于新兴的复杂电负性气体,带来高效便捷的研究工具与研究思路。


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