氣體放電versionSF6過程中微觀粒子輸運參數計算

：SF6；氣體放電；離子電輸運；多物理場仿:SF6;Gasdischarge;Iontransportation;Multiphysics 第1章緒 課題背景及研究意 研究背 研究意 國內外研究現(xiàn) 主要內容及安 第2章SF6氣體放電的基本原理和理論模 基于泊松方程的電場有限元理 泊松方程電場的泊松方程描 電場高斯定理極其在SF6氣體放電理論中的應 基于系數型偏微分方程的離子輸運理 SF6氣體電離過程的簡化模型極其系數項的確 離子的產生過程的方程描 離子擴散過程的方程描 離子的對流過程的方程描 離子的吸收和復合過程的方程描 第3章基于系數型偏微分方程的離子輸運穩(wěn)態(tài)過程分 幾何模型定義及參數設 網格剖 材料參數、邊界條件及求解器設 電學參數設置及電場邊界條 離子輸運邊界條 求解器設 求解器設置及結果分 電場分 電場能量歸一化分 正離子空間分布及其輸運規(guī) 負離子空間分布及其輸運規(guī) 正負離子濃度差的空間分布規(guī) 第4章SF6流注放電的電場離子遷移耦合瞬態(tài)過程分 流注放電過程的瞬態(tài)方程描 主要邊界條件分析及求解器設 結果分 離子濃度描述下的擊穿過程的討 第5章結 參考文 1課題背景及研究意電能是與國民生產生活關的一種能源，隨著經濟的發(fā)展，國民經濟價的，比如高壓輸電線路相與相之間的導線就是空氣間隔絕緣起來的。與SF6，純凈的六氟化硫氣2.5100倍以上。在研究SF6SF6氣體分子放電的復雜性如大分子組國內外研究現(xiàn)1672年，GottfridWilhelm在成功的觀察到了人工制造的電火花現(xiàn)象，隨后氣體放電現(xiàn)象的研究快速開展起來[6]1889定律說明氣體的擊穿電壓與壓強和距離的乘積存在著函數關系。1903年，Townsend提出了碰撞電離理論，首次用微觀的粒子變化完美的節(jié)食了氣體的宏觀放電變化[7]1939Raether提出了流注放電理論，該理論彌補了Townsend理論的不足[8]。上述這些關于氣體放電方面的理論為氣體放電現(xiàn)象Meek總結了簽認氣體放電研究成果，運用數學方法對應用不同方法求解氣體放電方程產生了濃厚的。1977年，DavieYoshida建立了平板電極間的二維放電模型，二維柱坐標下的氣體放電模擬可以很好的節(jié)食放電過程的三現(xiàn)象。[13]1981年，MorrowLowke首次將FCT法應用到氣體放電領域，分析了放電過程中空間電荷的運動對電場強度的影響[14]。1987年，R.MorrowSF6氣體流注放電過程以及流注等離子體通道的特SF6氣體的放電方程進行了一維仿真研究，細致的分析了各個參數對整體放電過程的作用[15]。1988年，C．Wu和E.E.Kunhardt研究了SF6/N21998年C.WuE.E.Kunhardt對N2/SF62000年，大學Metaxas首次采用有限元-通量校正傳輸法（finite進行了二維數值計算[16]。同年（2000年），A.A.Kulikovsky建立了三維光致電離模型，對空氣和氮的影響[17]。2003年，S.V.PancheshnyiA.YuStrarikovskii完成了長間隙的正流注放2008年，胡建林等采用有限元弱形式對棒-板長空氣間隙先導電進行研究；目前，在國內外學者的共同努力下，對SF6氣體放電機理研究取得了顯著成果，但仍然不夠完善，因此，本文就將構建SF6氣體放電模型，運用有限元中心位置，六個氟原子將其圍繞（1）。[19]2s和pSF6，但是由于原子半徑大，電負性小，所以其總的穩(wěn)定性并不如SF6。1-2SF6碰撞時，“附著”過程會產生一個穩(wěn)定的SF6負離子；而“離解附著”則會伴隨有SF6（如比如五氟化硫離子SF6-和SF5-以外，還會產生其他負離子，特別是負的氟離子F-，但是，也不能排除其他絡合物的形成。我們就將研究SF6氣體放電過程中這些微觀粒子的輸運參在研究SF6氣體電子崩發(fā)展過程中，主要有涉及到的微觀粒子有電子、正離子和負離子，它們通過不同的碰撞過程及電極過程產生和，SF6氣體碰主要內容及安理，以充滿SF6氣體的柱狀電極為研究對象，對高壓電場作用下的離子輸運規(guī)SF6電離過程進行簡化建模分析，分析了SF6氣體放電過程中離子空間分布的穩(wěn)態(tài)建立SF6高壓電場作用下的FEMElectricStaticPDE模塊分別建立電場和離子對SF6StationarySF6放電過程的穩(wěn)態(tài)結果。分對SF6TimeDependentSF6放電過程的瞬態(tài)結果。對于的放電過程，則考慮使用瞬態(tài)求解器分析反應過程各個時刻2SF6基于泊松方程的電場有限元理?????=

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(2-

電 定理極其在SF6氣體放電理論中的應在SF6氣體放電過程中會產生陽離子，陰離子和電子等帶電粒子。如果在間當中的帶電粒子的電量代數和構成了泊松方程(2-2)中的體電荷密度項????(??,??,??)。下面的推導給出了常見的況下，如果封閉曲面呈三維球對稱形狀，且內部電荷密度????沿著球的半徑??方向呈分布。其中，Q代表總電荷，??是(2-1)V(r)可以寫成(2-4)所

error(

其中error(r/√2??)r遠大于σ基于系數型偏微分方程的離子輸運理系數型偏微分方程可以寫成如(2-5)所示的形式。????2??+??????+??(???????????+??)+??????+????= ?? ??，其中????代表質量系數，????????代表保守場數項的單位也不同特別需要的是當??表示空間離子密度(1/m^3)時(2-5)2-1中所列。，2-1s11/(1/(當SF6處于流注放電狀態(tài)時，如果外加電場足夠大，陰極發(fā)出的初始電子在向陽極運動的過程中會碰撞電離從而發(fā)展成初次電子崩。初崩兩端的強修正可以較為準確地描述出SF6氣體放電時各微觀粒子的產生、運動、的方程(2-6)至方程(2-8)分別給出了Georghiou等人所描述的SF6氣體電離過enee

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(2-nenpnn分別代表電子、正離子、負離子的濃度，t為時間。ve,vp,vn??,η,??D分別表示電離、吸附、復合和擴散系數。S表示電離所引起的源項。SF6氣體電離過程的簡化模型極其系數項的在關注SF6氣體放電過程中，對于方程(2-6)至方程(2-8)所描述的方程，可進一步地，結合系數型偏微分方程的一般形式(2-5),可將反應過程中的二次電f中。在上述假設前提下，SF6氣體電離過程的簡化輸運方程可以寫成如(2-9)和(2-10)所示的簡化形式，即：????????+??

)+

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(2-??

?? ni代表離子濃度，????????代表非保守場對流系數，????代表吸收系數，????代表外部場源(??n,p)。如果令??=(????,????)T則(2-9)和(2-10)可以統(tǒng)一為(2-5)的形式??????+??(??????)+??????+????= 至此我們推導并簡化了SF6氣體電離輸運過程的一般性方程如(2-11)所示。方程(2-11)所給出的一般性方程可以方便地通過COMSOLMultiphysics在實際的SF6氣體電離過，離子源是空間電場能量密度的函數。能量的粒子源產生速度為恒定值，通過指定方程2-11的f項為給定值(如(2-12)方程(2-11)不難得出，簡化模型下的方程阻尼項系數矩陣????表達式合理值應為二階單位矩陣如(2-13)所示。??=

????=

在實際的SF6氣體電離過，離子在空間中的擴散速度受溫度、壓強等2-11cSF6離子輸運過程的描 ??=[

SF6氣體電離后，離子的對流過程主要由空間氣體流速產生的拖拽力，電場力是對流過程的主要原因。鑒于電極間SF6???????=[?????00

0????????????

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在這個過，正離子和負離子的濃度同時減少，但是空間電荷量的代數和保

=[??????0(??1? ??????0(??1?

(2-11)的吸收項可以寫成??=

=[?????2+??????0(??1? ?????1+??????0(??1?(2-3在上一章節(jié)對SF6電離過程的理論原理及離子輸運描述方程的論證基礎上。本章主要討論基于COMSOLMultiphysics多物理場仿真平臺下如何建立SF6幾何模型定幾何模型的長度單位為mm；隨后，通過Geometric-BezierPolygon-Fillet–Rectangle-Rectangle-Rectangle–FilletUnionArrayRectangleRectangle–Union幾何序列分別建立陶瓷絕緣結構、正電極、負電極和放電區(qū)域等物理結著，通過Geometric-BuildallObjects建立所有幾何實體，并通過缺省的Union3-1緣體中間的部分就是SF6放電區(qū)域。3-1LR3-1二維軸對稱模型幾何模型生成結網格剖由于SF6電離反應過涉及到離子的濃度遷移速度等物理場的分布這采用BoundaryMesh的方法對邊界部分進行加理從而提高模型的避免解析度和模型的收斂性，具體操作方法為Mesh-BoundaryMesh選擇所有幾何體Distribution指定邊界網格的層數為8。上述自由三角形與邊界加密網格剖分的剖分效果。這樣的網格剖分將有利于提高離子在電極附近的高密度的濃度圖3-2自由三角形和邊界加密相結合的二維幾何模型網格剖分材料參數、邊界條件及求解器設設置操作是通過Material-AddNewmaterial查找材料庫中的Air,Copper和Ceremic三種材料并分布添加到模型對應區(qū)域的材料屬性中。獨立變量或者獨立變量的空間導數在某面線點等結構上的約束條件。使用泊松方程描述空間電勢分布的邊界條件是通過OSOL中的靜電場分析模塊來實現(xiàn)的。在使用泊松方程描述整個模型的過，假設絕緣子外部沒有電荷分布，模型的求解區(qū)域包括電極、放電區(qū)和絕緣支撐結構三部分，因此離子反應區(qū)的上下邊界上施加零電荷邊界條件，具體的操作是EletroStaticZrohrge的嚴重影響。因此在建模過，需要在所有求解區(qū)域指定仿真電勢初始值為V0事實上需要的是這里指定的初始值正是瞬態(tài)方程迭代求解時所使用的數值迭代初始值。除此之外，還需要通過第一類邊界條件即EleticProtential和round分別指定正電極和負電極的電勢分別為V110kV和V0。同時，為了描述正負離子對空間電場的影響效果，還需要通過SpehrgeDnity邊界條件指定方程(22)中所描述的空間電荷密度為正離子帶電量與負離子帶電量的代數和。具體表達式為????(??,??,??)=???(??1(??,??,??)???2(??,??, 圖3-3SF6氣體電離過離子輸運模型靜電場邊界條件設置樹形電荷密度的物理關系。將(3-1)代入(2-2)中即可求解空間中各個位置處的電勢。通過上述過程，我們完成了SF6氣體放電離子輸運分析中靜電場部分3-3所示。其物理意義表示粒子在這些邊界處不會有擴散對流成分流出道求解區(qū)域。結合(2-11)具體方程約束表達式可以寫為：??????(??????)= 其中??子初始濃度如(3-3)所示，以確保模型求解的收斂性。[????0]=

圖3-4SF6離子輸運方程邊界條件的設通過在系數型偏微分方程物理接口中的PDE屬性設置中實現(xiàn)的(2-9)至(2-18)COMSOL所提供的接口形式完全一致，只需要將系數3-2k 8.85418E-穩(wěn)態(tài)分析中，求解器采用穩(wěn)態(tài)(Stationar)求解器，設置仿真殘差容限為0.001(22)和系數型偏微分方程(211)Vnp,nn。采用非線性UPS求解器求解模型。穩(wěn)態(tài)結果分過的電勢分布、電場分布、正離子濃度分布、負離子濃度分布以及正負離4SF6SF6流注放電的電場離子遷移耦合瞬態(tài)過程是指由于是指由于 合金的自由端施加時變位移載荷作用而引起的樣品溫度基于COMSOLMultiphysics的擾動條件下的瞬態(tài)熱應力分析是通過使用軟本章在對邊界瞬態(tài)位移載荷擾動條件下的瞬態(tài)熱應力分析的本章在對邊界瞬態(tài)位移載荷擾動條件下的瞬態(tài)熱應力分析的 ，將流注放電過程的瞬態(tài)方程主要邊界條件分析及求解器設最大斜率合理設置時間步長。例如最大斜率合理設置時間步長。例如 性邊界位移載荷函數的作用下，根表4-2所列的參數，仿真的時間起點可以設置為0s過程。仿真的時間不長可以設置為1/50tmax將整個瞬