一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法技术

本发明专利技术属于高电压与绝缘技术领域，特别涉及一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法。首先求解电子输运参数和能量传递系数参数；其次，利用等离子体化学反应模型进行环保绝缘气体的电离分解，获取电子源项、重离子源项和电离子能源项；最后，根据得到的电子源项、重离子源项和电离子能源项控制项，利用流体动力学模型获取粒子的对流运动分布。本发明专利技术所提出的技术方案可用于多种环保绝缘气体PD分解机理的研究，无需开展大量试验，能够评估环保绝缘气体PD放电组分微观变化机制，在本领域具有广泛的应用前景。域具有广泛的应用前景。域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法


[0001]本专利技术属于高电压与绝缘
，特别涉及一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法。

技术介绍

[0002]为进一步减少输配电装备制造业对强温室气体六氟化硫(SF6)的依赖，研发环保绝缘气体并实现其应用具有重要意义。针对气体绝缘介质综合性能的评估，除了基础绝缘特性、环保特性外，还应当关注气体的局部放电稳定及分解特性。
[0003]实际上，气体绝缘装备内部因制造、运输、安装、运行、检修等环节会不可避免地引入绝缘缺陷，进而在强电磁环境下引发局部放电(PD)，PD产生的碰撞电离、电子吸附等过程会导致环保绝缘气体发生分解，产生一系列分解产物。由于环保绝缘气体的分子结构相较于SF6更为复杂且缺乏对称性，部分气体还存在一些活性官能团如酮基(C＝O)、氢基(C
‑
N)等，现有针对环保绝缘气体稳定及分解特性的评估方法多以实验测试为主，缺乏相关的分解机理的数值模拟方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，技术方案如下：
[0005]一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，其特征在于，
[0006]针对待分析的环保绝缘气体，首先求解电子输运参数和能量传递系数参数；
[0007]其次，利用等离子体化学反应模型进行环保绝缘气体的电离分解，获取电子源项、重离子源项和电离子能源项；
[0008]最后，根据得到的电子源项、重离子源项和电离子能源项控制项，利用流体动力学模型获取粒子的对流运动分布。
[0009]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，电子输运参数和能量传递系数通过求解Boltzmann方程获得。其中，电子在六维相空间(r,v)中的分布函数f满足：
[0010][0011]式中，v为电子速度，e是电子电荷量，r为位置参数，m
e
为电子质量，C[f]表示由于电子碰撞导致的f的碰撞项，分别是空间和速度的梯度算子
[0012]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，等离子体化学反应模型所需的相关反应路径参数通过如下方法获得：
[0013]构建环保绝缘气体分子结构模型并利用量子化学密度泛函理论(DFT)开展分子结构弛豫计算，获取键长、键角参数；
[0014]计算弛豫气体分子的结构特性，根据计算结果获得分子结构中化学键易断裂位
点、反应活性，依此为依据构建环保绝缘气体分子可能的分解路径；
[0015]对所构建反应路径中涉及的各类反应物、产物粒子进行结构弛豫和能量、电子特性计算；
[0016]将分解路径中产物粒子的能量减去反应物粒子的能量，获取反应路径的焓值、吉普斯自由能；对气体分子分解路径所涉及的反应物、产物开展过渡态和速率分析，获取过渡态结构、反应活化能、反应速率和平衡常数。
[0017]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，所述等离子体化学反应模型包括碰撞电离、吸附反应、复合反应、化学反应、表面反应，其中，
[0018]碰撞电离是引起环保绝缘气体局部放电中电子和分解粒子产生的最主要原因，其反应方程式根据环保绝缘气体分子和电子参与来列写，反应物分子和电子，产物为正离子、电子、自由基等；
[0019]吸附反应为引起电子消失的主要原因，其反应方程式根据环保绝缘气体分子和电子参与来列写，反应物为分子和电子，产物为负离子、自由基等；
[0020]所述的碰撞电离和吸附反应为影响环保绝缘气体局部放电发展的最重要的两类反应。
[0021]复合反应为正离子、负离子反应，产生中性粒子的过程，根据环保绝缘气体分解产生的离子种类列写；
[0022]化学反应为不考虑电子参与下的反应，根据环保绝缘气体分解产生的自由基列写；
[0023]表面反应为不考虑电子参与、且反应物与固体(非金属、金属)表面发生的反应过程，根据环保绝缘气体分子/自由基与固体界面结构列写。
[0024]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，流体动力学模型包括：
[0025]粒子连续性方程：连续性方程用于描述环保绝缘气体局部放电过程中各类粒子的守恒量传输行为，包括但不限于电荷、质量等。
[0026]电子平均能量方程：用于描述局部放电过程中，自由电子的能量分布特性。
[0027]泊松方程：用于描述环保绝缘气体放电过程中的电势分布。
[0028]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，流体动力学模型中粒子连续性方程包括电子连续性方程、阴阳离子和中性粒子连续性方程。其中，电子连续性方程为：
[0029][0030]其中，S
α
是环保绝缘气体碰撞电离项，S
η
是吸附反应项，S0是电子初始项，S
det
是光电离项。
[0031]阴阳离子和中性粒子连续性方程为：
[0032][0033]其中，R
k
是重粒子(阴阳离子和中性粒子)源项，是重粒子的通量，分比为：
[0034][0035]式中，D
k
为重粒子的扩散张量，μ
k
为离子迁移率张量
[0036]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，流体动力学模型中的电子平均能量方程为：
[0037][0038]式中，Γ
ε
为电子平均能量通量，S
ε
是电子平均能量的源项，是电子平均能量。
[0039]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，流体动力学模型中的泊松方程的表达式为：
[0040][0041]式中，ε
r
和ε0分别是相对介电常数和真空介电常数，为电势，n
p
、n
n
、n
e
分别为环保绝缘气体阳离子、阴离子和电子浓度。
[0042]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，流体动力学模型在典型针板电极局部放电模型下的求解区域为a
‑
b
‑
c
‑
d
‑
e，其中a
‑
b为对称轴，a
‑
e为针电极表面，b
‑
c为板电极表面，e
‑
d
‑
c为开放边界。
[0043]在上述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，所述的流体动力学模型中，粒子连续性方程、电子平均能量传输方程、泊松方程所对应的边界条件分为：
[0044]开放边界条件，开放边界e
‑
d
‑
c采用Farouk的电压零放电边界条件；
[0045]电子平均能量方程在开放边界处的条件为：
[0046][0047]电极处边界条件，电子平均能量通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，其特征在于，针对待分析的环保绝缘气体，首先求解电子输运参数和能量传递系数参数；其次，利用等离子体化学反应模型进行环保绝缘气体的电离分解，获取电子源项、重离子源项和电离子能源项；最后，根据得到的电子源项、重离子源项和电离子能源项控制项，利用流体动力学模型获取粒子的对流运动分布。2.根据权利要求1所述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，其特征在于，电子输运参数和能量传递系数通过求解Boltzmann方程获得；其中，电子在六维相空间(r,v)中的分布函数f满足：式中，v为电子速度，e是电子电荷量，r为位置参数，m
e
为电子质量，C[f]表示由于电子碰撞导致的f的碰撞项，分别是空间和速度的梯度算子。3.根据权利要求1所述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，其特征在于，等离子体化学反应模型所需的相关反应路径参数通过如下方法获得：构建环保绝缘气体分子结构模型并利用量子化学密度泛函理论(DFT)开展分子结构弛豫计算，获取键长、键角参数；计算弛豫气体分子的结构特性，根据计算结果获得分子结构中化学键易断裂位点、反应活性，依此为依据构建环保绝缘气体分子可能的分解路径；对所构建反应路径中涉及的各类反应物、产物粒子进行结构弛豫和能量、电子特性计算；将分解路径中产物粒子的能量减去反应物粒子的能量，获取反应路径的焓值、吉普斯自由能；对气体分子分解路径所涉及的反应物、产物开展过渡态和速率分析，获取过渡态结构、反应活化能、反应速率和平衡常数。4.根据权利要求1所述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，其特征在于，所述等离子体化学反应模型包括碰撞电离、吸附反应、复合反应、化学反应、表面反应，其中，碰撞电离反应方程式根据环保绝缘气体分子和电子参与来列写，反应物分子和电子，产物为正离子、电子、自由基；吸附反应的反应方程式根据环保绝缘气体分子和电子参与来列写，反应物为分子和电子，产物为负离子、自由基；复合反应为正离子、负离子反应，产生中性粒子的过程，根据环保绝缘气体分解产生的离子种类列写；化学反应为不考虑电子参与下的反应，根据环保绝缘气体分解产生的自由基列写；表面反应为不考虑电子参与、且反应物与非金属固体、金属固体表面发生的反应过程，根据环保绝缘气体分子/自由基与固体界面结构列写。5.根据权利要求1所述的一种环保绝缘气体局部放电分解机理数值模拟方法，其特征在于，流体动力学模型包括
粒子连续性方程：连续性方程用于描述环保绝缘气体局部放电过程中各类粒子的守恒量传输行为，包括但不限于电荷、质量；电子平均能量方程：用于描述局部放电过程中，自由电子的能量分布特性；泊松方程：用于描述环保绝缘气体放电过程中的电势分布。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祎，肖淞，唐炬，曾福平，潘成，张晓星，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：