江西電科院,華東交通大學 曾晗,張靖,程宏波,等:考慮H2O影響的絕緣子電暈放電數值仿真

2021-01-18 廣東電力

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       高壓線路中絕緣子表面頻繁發生的電暈放電，將逐漸破壞絕緣子的絕緣性能並導致故障發生，為此利用建立的電暈放電模型對絕緣子電暈放電機理和演化規律進行分析，採用COMSOL有限元仿真軟體中的等離子體模塊，以及流體力學中的擴散方程對潮溼環境下絕緣子表面的電暈放電進行二維數值仿真。仿真結果驗證了該方法的有效性與實用性。

       文章發表在《廣東電力》2019年12期「高壓直流電纜與管道輸電先進絕緣技術」專刊。歡迎廣大讀者閱讀。

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考慮H2O影響的絕緣子電暈放電數值仿真

曾晗1，2，張靖2，程宏波2，辛建波1，王利娜2

（1、國網江西省電力有限公司電力科學研究院；

2、華東交通大學 電氣與自動化工程學院）


摘  要：高壓線路中絕緣子表面頻繁發生的電暈放電，將逐漸破壞絕緣子的絕緣性能並導致故障發生，為此利用建立的電暈放電模型對絕緣子電暈放電機理和演化規律進行分析，採用COMSOL有限元仿真軟體中的等離子體模塊，以及流體力學中的擴散方程對潮溼環境下絕緣子表面的電暈放電進行二維數值仿真。首先分析在潮溼、乾燥2種不同環境中，放電區域空間電子密度、電勢與電場的發展規律；繼而研究潮溼環境下電子溫度明顯大於乾燥環境下電子溫度的原因，即電子與空氣中水分子發生的碰撞電離次數增加，電離區等離子反應增強，從而使電子的溫度增大；然後發現潮溼環境下，絕緣子正負兩極的OH和OH自由基濃度明顯提高直接導致絕緣子金具更為嚴重的腐蝕；最後探究潮溼環境中電子與水分子的碰撞使電離閾值電壓部分低而反應速率部分高的機理。仿真結果驗證了該方法的有效性與實用性。

基金項目：國家自然科學基金項目

作者簡介：            

     曾晗（1981），男，江西南昌人，講師，工學博士，主要研究方向為流場中的多相體放電和輸變電設備狀態評價與檢測，E-mail:17387383@qq.com。

     張靖（1995），男，四川綿陽人，在讀碩士研究生，主要從事高電壓與絕緣技術方面的研究，E-mail:2290664554@qq.com。

     程宏波（1979），男，湖北隨州人，副教授，工學博士，主要從事輸變電設備狀態評價與健康診斷、軌道交通電氣化與自動化等方面的研究，E-mail:17387383@qq.com。

引文信息 

★ 曾晗，張靖，程宏波，等. 考慮H2O影響的絕緣子電暈放電數值仿真[J]. 廣東電力，2019，32(12)：89-97.

ZENG Han, ZHANG Jing, CHENG Hongbo, et al. Numerical Simulation on Insulator Corona Discharge Considering Effect of H2O[J]. Guangdong Electric Power，2019，32(12)：89-97.

研 究 背 景    

      隨著電網和電氣化鐵路的不斷擴大，人們對高電壓絕緣子的研究進一步深入，其中絕緣子表面的電暈放電是一個重要的研究方面。高壓線路中絕緣子表面發生電暈放電，會引起電能的巨大損耗、通信以及噪聲幹擾，放電過程中會逐漸破壞絕緣子的絕緣性能。電暈放電是氣體放電的一種，多年來研究者對氣體放電做了深入的研究和分析。KOSSYI I A 等提出了氮-氧混合物中非平衡放電的動力學方案，包括電子態激發、重粒子的電子碰撞和電離、電子附著和分離、電子-離子和離子-離子重組、中性粒子的化學轉化和離子轉換。SUN B等利用脈衝流光電暈放電形成多種活性物質。2013年 KOMURO A在利用二維數值模擬方法研究常壓流光放電中OH自由基的行為時，考慮了H2O分子參與的流光放電，但是其主要研究的是常壓流光放電中OH自由基形成的機理。國內研究電暈放電在20世紀末陸續的出現，現在相關研究也不斷地深入。2014重慶大學提出了一種改進的電暈放電混合模型，研究了負電暈放電過程中重粒子的特性。2016年劉民等搭建局部放電測試系統研究了乾燥空氣中直流電壓下電暈放電發展過程。2018年張友鵬、劉家治等人結合實際工程，研究了大氣壓下接觸網絕緣子電暈放電特性，分析了相應的電子密度、電子溫度和電場強度的分布，同時分析了電暈放電在空氣中的放電過程。


存 在 問 題   

     從國內外研究現狀分析，電暈放電最深入的研究就是考慮了空氣中N2和O2的相關粒子反應，但是沒有考慮潮溼環境中相關的H2O分子反應。通過大量相關的文獻發現，到目前為止氣體放電的研究主要分為：①是通過在真空環境中加入一種或幾種氣體，然後分析氣體放電過程。②是通過大氣壓下O2和N2混合，研究相關的氣體放電過程。以上2種方法幾乎沒有考慮水分子的影響，而在潮溼環境下，水分子的影響是不可避免的。


本文研究內容      

     本文依照氣體放電的相關機理，並結合等離子體模型和流體力學模型，在相應的電暈放電反應中添加H2O的相關反應方程；同時基於COMSOL有限元仿真軟體中的等離子體模塊，採用了流體力學中的擴散方程對潮溼環境下絕緣子表面的電暈放電進行二維的數值仿真。為了更好地研究絕緣子表面的電暈放電，本文結合KOMURO A在流光放電中的水反應和張友鵬絕緣子電暈放電的研究，考慮了潮溼空氣中的主要成分N2、O2和H2O的激發、電離、碰撞和化學反應等離子反應。研究放電過程中電場強度、電子數密度、電子溫度和相關離子數密度隨時間的分布，並且與乾燥環境下的電暈放電相對比，分析水分子對放電的影響，以及水反應產生相應物質在絕緣子表面的分布狀況。

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