【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及替代气体，具体涉及一种用于评估sf6(六氟化硫)替代气体的灭弧特性的方法。
技术介绍
1、sf6(六氟化硫)是一种常用的高压电力设备中的绝缘和灭弧介质，因其具有极佳的绝缘性能、较高的热稳定性和抗化学腐蚀性等优点而被广泛应用。然而，由于它是一种强大的温室气体，对全球变暖的影响十分显著，而且因其极高的温室效应而被列为世界上最严重的温室气体之一。因此，国际社会已经开始采取措施限制其使用，并积极寻找更环保的替代气体。在寻找sf6替代气体的过程中，需要对候选气体的灭弧特性进行评估。灭弧特性是指气体在高压下产生电弧时，能否迅速熄灭电弧并防止其重新点燃的能力。因此，对于替代气体来说，其灭弧特性的评估至关重要。
2、目前，常用的评估方法主要包括实验室试验和数值模拟两种。实验室试验是通过在特定条件下进行气体灭弧试验来评估其灭弧特性，但该方法需要大量的时间、人力和物力，也存在许多局限性，例如试验结果难以重复、试验条件难以控制等。而数值模拟则是通过建立气体灭弧模型，利用计算机对气体灭弧过程进行模拟和分析来评估气体的灭弧特性，具有高效、准确、可重复性强等优点，因此成为了目前研究替代气体灭弧特性的主要方法之一。
3、然而，目前的数值模拟方法仍然存在一些问题，例如模拟精度不够高、计算速度较慢等，影响了其在实际工程中的应用。因此，需要开发一种新的方法和系统，能够更加准确、快速地评估sf6替代气体的灭弧特性，以支持更环保的高压电力设备的发展。
技术实现思路
1、针对现有技术的
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
3、一种sf6替代气体灭弧特性评估方法，包括以下步骤：
4、s1，确定控制方程，建立二维电弧磁流体动力学模型；
5、s2，设置计算区域，并确定边界条件；
6、s3，求解控制方程，得到电弧的温度分布情况；
7、s4，基于s3所得的温度分布空间信息，计算气体等离子体粒子组分；
8、s5，为评估所研究气体的绝缘特性数，需要引入玻尔兹曼方程计算气体等离子体中电子的能量分布函数。为了简化计算过程，要对玻尔兹曼方程进行两项近似简化；
9、s6，对玻尔兹曼方程进行求解，得到弧后气体的电子能量分布函数；
10、s7，基于电子能量分布函数计算弧后气体的约化电离系数和约化电子吸附系数；
11、s8，计算约化临界击穿场强；
12、s9，根据结果评估该气体的绝缘特性。
13、进一步地，s1中，需要确定的控制方程包括：质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程以及电磁场方程以及气体状态方程；不同于传统流体，电弧在电磁场作用下会受到洛伦兹力的作用，因此在动量守恒方程中考虑了表征洛伦兹力作用的jrbθ和jxbθ源项；而电弧模型的能量守恒方程与传统流体力学方程的区别在于：增加了表征电弧热源的焦耳热项σe2以及表示电弧与周围气流进行能量传递的辐射项u，控制方程的具体形式如下：
14、(1)质量守恒方程
15、
16、式中，t为时间；r为径向距离；x为轴向距离；ρ为环保型sf6替代气体电弧等离子体的质量密度；vx为轴向速度；vr为径向速度。
17、(2)动量守恒方程
18、
19、
20、式中，p为环保型气体压强；τij为环保型sf6替代气体电弧等离子体黏性应力张量；jx和jr分别为轴向和径向电流密度；bθ为环向磁感应强度。
21、(3)能量守恒方程
22、
23、式中，e为单位质量环保型sf6替代气体的总内能；k为湍流导热系数；t为气体温度；σ为电导率；e为电场强度；u为辐射项。
24、(4)电场方程
25、利用maxwell方程组对电弧等离子体中的电场进行求解，可以得到如下电势方程：
26、
27、式中，为电势。
28、根据电势可得电场强度：
29、
30、
31、
32、式中，ex为轴向电场强度；er为径向电场强度。
33、根据简化欧姆定律可得电流密度：
34、jx＝σex (13)
35、jr＝σer (14)
36、(5)磁场方程
37、磁场方程包括轴向磁矢量守恒方程和径向磁矢量守恒方程。
38、
39、
40、根据磁矢量可得环向磁感应强度bθ：
41、
42、式中，ax为轴向磁矢量；ar为径向磁矢量；μ0为真空磁导率。
43、(6)气体状态方程
44、
45、式中，z为气体修正系数；r0为气体常数；mw为气体分子质量。
46、进一步地，s2中，需根据气体开关的结构特性设置计算区域，并根据实际的物理环境设置边界条件。例如：假设电流密度在阳极触头表面上均匀分布，则电流密度由单位面积内的电弧电流决定，对于阴极表面的电势边界条件设为0。其余边界条件如温度、压力、磁矢量等按默认情况处理。
47、进一步地，s3中，采用有限体积法结合simple算法等方式求解控制方程组
48、进一步地，s4中，根据吉布斯自由能最小化方法计算等离子体粒子组分。由n个粒子组成的等离子体系统的吉布斯自由能g可表示为：
49、
50、其中，ni是粒子的数密度，μi是粒子的化学势；和是总化学势的平动和内部成分；是粒子的生成焓。
51、根据热力学理论，在恒温恒压条件下，系统中任何自发进行的过程都会导致系统吉布斯自由能减小，直到系统达到平衡为止，即dg＝0。因此，可以通过搜索等离子体系统的最小吉布斯自由能来获得等离子体的组成，该方法的具体步骤如下：首先，定义系统的初始状态组分，并利用物质守恒关系和热力学平衡条件，建立吉布斯自由能与组分之间的数学关系。然后，通过对吉布斯自由能进行求导，得到关于组分的方程，进而令该方程的导数等于零，求解出组分的值。根据这一新的组分状态，重新计算系统吉布斯自由能，并将其作为新的初始状态。重复以上步骤，直到系统的吉布斯自由能不再发生明显变化时，即达到了最小值时，确定系统的组分。
52、进一步地，s5中，采用两项近似简化方法对玻尔兹曼方程进行处理，这些简化方法可以包括玻尔兹曼方程的线性化和假设等离子体粒子之间的碰撞为弹性碰撞。玻尔兹曼方程形式如下：
53、
54、式中，f为电子能量分布函数(eedf)，v为电子速度，e为电子的电荷量，m为电子质量，e为电场强度，为速度梯度算符，c为电子能量分布函数f在粒子碰撞过程中的变化率。
55、进一步地，s6中，需要将等离子体的组分参数和粒子碰撞截面参数作为输入，采用数值求解方法，通过迭代计算对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，所述步骤S1中需要确定的控制方程包括：质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程以及电磁场方程以及气体状态方程；
3.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤S3中，采用有限体积法结合simple算法等方式求解控制方程组。
4.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤S4中，根据吉布斯自由能最小化方法计算等离子体粒子组分，由N个粒子组成的等离子体系统的吉布斯自由能G表示为：
5.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤S5中，采用两项近似简化方法对玻尔兹曼方程进行处理，这些简化方法包括玻尔兹曼方程的线性化和定义等离子体粒子之间的碰撞为弹性碰撞，玻尔兹曼方程形式如下：
6.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤S6中，将等离子体的组分参数和粒子碰撞
7.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤S7中，基于电子能量分布函数计算弧后气体的约化电离系数α/N和约化吸附系数η/N，具体计算公式如下：
8.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，在步骤S8中根据约化电离系数与约化电子吸附系数相等的条件计算约化临界击穿场强。
9.根据权利要求1所述的一种SF6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，在步骤S9中通过控制变量法的方式评估该气体的绝缘特性。
...【技术特征摘要】
1.一种sf6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种sf6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，所述步骤s1中需要确定的控制方程包括：质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程以及电磁场方程以及气体状态方程；
3.根据权利要求1所述的一种sf6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤s3中，采用有限体积法结合simple算法等方式求解控制方程组。
4.根据权利要求1所述的一种sf6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤s4中，根据吉布斯自由能最小化方法计算等离子体粒子组分，由n个粒子组成的等离子体系统的吉布斯自由能g表示为：
5.根据权利要求1所述的一种sf6替代气体灭弧特性的评估方法，其特征在于，步骤s5中，采用两项近似简化方法对玻尔兹曼方程进行处理，这些简化方法包括玻尔兹曼方程的线性化...
【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，刘刚，王秀茹，张圆明，孙健，金富义，徐静，陈莎，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司，
类型：发明
国别省市：
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