團隊介紹

智能輸配電研究所隸屬于上海交通大學信息技術(shù)與電氣工程研究院。作為國家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心的重要組成部分，智能輸配電技術(shù)研究所致力于高壓電力設(shè)備智能化、智能電網(wǎng)新型設(shè)備以及光伏并網(wǎng)與系統(tǒng)設(shè)計的理論研究與技術(shù)開發(fā)，為智能電網(wǎng)及新能源應用的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。研究所發(fā)展目標是在電力設(shè)備在線監(jiān)測與評估、光伏并網(wǎng)變流器等研究領(lǐng)域達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，部分研究方向達到國際領(lǐng)先水平。

智能輸配電研究所由所長江秀臣教授領(lǐng)導，現(xiàn)有專職和兼職研究人員20多人，其中教授及研究員4人、副教授及副研究員6人，博士和碩士研究生40多人。近年來，在相關(guān)領(lǐng)域承擔或參與國家自然科學基金8項、國家級科技項目10余項，國家電網(wǎng)公司總部項目8項以及網(wǎng)省電力公司科技項目數(shù)十項，多次參與撰寫行業(yè)和電網(wǎng)公司相關(guān)標準和培訓教材，研究成果獲國家二等獎1項、省部級一等獎4項，其他省部級獎勵10余項。

江秀臣，上海交通大學電氣工程系教授，博士生導師，國家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心主任，上海交通大學信息技術(shù)與電氣工程研究院副院長，國家科技部863智能電網(wǎng)重大專項總體專家組副組長，教育部科學技術(shù)委員會能源與交通學部委員，國際能源署智能電網(wǎng)行動聯(lián)盟（ISGAN）中國聯(lián)絡辦公室主任，教育部新世紀優(yōu)秀人才，長期從事輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與高電壓技術(shù)的研究。研究成果獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎4項。

錢勇，上海交通大學電氣工程系副教授，從事高壓電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的理論及實驗研究。共錄用發(fā)表SCI和EI收錄的學術(shù)期刊論文66篇；獲得授權(quán)國家發(fā)明專利8項。在相關(guān)研究領(lǐng)域參與863智能電網(wǎng)項目2項，參與國家自然科學基金項目2項，科技部國際合作項目1項。并參與局部放電帶電檢測培訓教材、狀態(tài)檢修叢書、相關(guān)標準的撰寫和評審。相關(guān)研究成果于2015年獲得上海市科技進步一等獎。

導語

本文為了探究新型環(huán)保氣體中流注的產(chǎn)生機理和發(fā)展過程，為局部放電的光學檢測和可靠診斷提供理論基礎(chǔ)，通過COMSOL仿真直流電壓下C4F7N/CO2混合氣體中針板模型一次流注到二次流注的放電過程，將電子和離子的產(chǎn)生與運動通過連續(xù)性方程進行表示，獲得流注發(fā)展過程中電場的變化規(guī)律和光通量的密度分布。

研究背景

SF6因其具有優(yōu)異的絕緣和理化性能而廣泛的應用于氣體絕緣輸電線路當中。但是由于SF6具有嚴重的溫室效應，所以C4F7N/CO2作為其一種替代氣體具有較高的研究和應用價值。目前，國內(nèi)外學者針對C4F7N/CO2 混合氣體的絕緣和理化性能的研究主要集中于飽和蒸汽壓、臨界擊穿場強、有效電離系數(shù)、與SF6的介電強度對比等方面，對C4F7N/CO2混合氣體中尖端缺陷的流注產(chǎn)生機理和發(fā)展規(guī)律的研究較少。

主要內(nèi)容

本文將流注的放電過程等效為流體模型進行求解，將等離子體視為流體，建立電子、陽離子和陰離子的對流擴散方程，并與電場控制的泊松方程相互耦合。運用COMSOL對環(huán)保氣體中針板模型的一次流注到二次流注放電過程進行仿真。通過空間電荷密度的變化分析了空間電場強度和光通量隨流注傳播過程的變化規(guī)律，并擬合得到一次流注傳播過程中光通量的變化函數(shù)。

在COMSOL中設(shè)置針板放電的幾何模型和網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 針板的幾何模型與網(wǎng)格剖分

本文將流注的仿真發(fā)展過程分為三個階段：初期、中期、后期和二次流注階段。

流注發(fā)展初期，由于電極頭部的電場強度很高，大于氣體的電離強度，將會產(chǎn)生大量的陽離子和電子，由于離子的運動速度遠小于電子，隨著陽離子的堆積，空間電荷效應越來越顯著。初期的空間電荷分布如圖2所示。

圖2 初期空間電荷分布圖

流注發(fā)展中期，由于流注前方通道的背景電場較小，一次流注的發(fā)展速度較慢，在一次流注的發(fā)展中期，光通量將會先緩慢下降然。其中，15ns到45ns軸線出的光通量變化如圖3所示。

圖3 15-45ns軸線出光通量的變化

流注發(fā)展后期，隨著流注頭部與陰極之間的電場強度不斷升高，流注頭部的移動速度也越來越快，流注發(fā)展進入快流注階段。在流注發(fā)展的后期，流注頭部越來越靠近陰極，頭部的電場強度越來越大，兩側(cè)的等離子體鞘層輪廓越來越模糊，流注尾部靠近陽極區(qū)域的電場強度升高。

這是由于陰極附近的大量電子通過流注通道進入陽極，同時中和了等離子體鞘層中部分的陽離子，削弱了空間電荷效應對通道內(nèi)部電場的抑制。圖4為45ns到85ns軸線處光通量的分布圖。

圖4 45-85ns軸線處光通量分布

二次流注階段，一次流注在與陰極接觸時，電場將會迅速地重新分配，同時在陰極附近會產(chǎn)生大量的電子和離子，這部分陽離子不斷的堆積在陰極表面，抵消了一部分陽極的電場，使得陰極附近的電場強度迅速減小。

結(jié)論

本文通過COMSOL對環(huán)保氣體中針板模型一次流注到二次流注的放電過程進行了仿真，通過空間電荷密度的變化分析了流注發(fā)展過程中空間電場強度和光通量的變化規(guī)律，認知了C4F7N/CO2混合氣體中流注的產(chǎn)生機理，為局放光學檢測及可靠診斷提供理論基礎(chǔ)。

引用本文

臧奕茗, 錢勇, 劉偉, 宋輝, 江秀臣. C4F7N/CO2混合氣體中尖端缺陷的流注放電仿真研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2020, 35(1): 34-42. Zang Yiming, Qian Yong, Liu Wei, Song Hui, Jiang Xiuchen. Simulation Study on Streamer of Tip Defects in C4F7N/CO2 Mixed Gas. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 34-42.