不同施加电压下短间隙 SF6/N2 混合气体中流注放电特性的数值模拟

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Numerical Simulation of Streamer Discharge Characteristics in Short-Gap SF6 /N2 Mixtures Under Varying Applied Voltages

　　基于等离子体流体模型和有限元法，建立了二维轴对称模型，研究了大气压下3.5毫米短间隙棒-板结构在SF?/N?混合气体中的放电特性。该模型实现了漂移-扩散方程与泊松方程的自洽耦合。为准确描述非平衡等离子体中的电子输运过程，在耦合电子能量方程的同时，对输运参数和反应源项采用了局域场近似方法。通过瞬态多物理场仿真，获得了棒电极电压在10至30千伏范围内的微观参数动态分布，包括空间电子密度和电场。结果表明，施加电压的增大显著加速了流注的发展，导致雪崩-流注转变所需临界时间明显缩短。此外，在任意给定时刻，流注头部的局部电子密度峰值和电场强度均随电压升高而大幅增大。本研究从微观动力学角度阐明了电压对流注起始与传播的调控机制，为SF?/N?气体绝缘结构的优化与击穿评估提供了理论支持。一、引言六氟化硫因其卓越的介电强度和灭弧性能，数十年来一直是气体绝缘开关设备绝缘技术的基石。然而，其极高的全球变暖潜值——约为二氧化碳的23500倍——以及较长的大气寿命，在《京都议定书》和"双碳"目标等严格环境法规下，日益受到审视[1]、[2]。因此，寻找环保型替代绝缘介质已成为电力行业的一项迫切任务。在众多候选介质中，SF?/N?混合气体凭借其高介电强度、成本效益及对非均匀电场敏感性降低的良好平衡，脱颖而出，成为最具前景的工程解决方案之一，尤其适用于寒冷地区和中等电压设备[3]、[4]，也可作为纯SF?的近期可行替代品[5]。Dhali和Williams[6]率先采用数值方法模拟了N?放电过程，但受计算能力限制，其结论仅能解释部分气体放电现象。Zhang等人[7]对大气压下短空气间隙中的流注放电过程进行了数值模拟研究，获得了多项微观参数的结果，且与已发表的实验结果吻合良好。Han等人[8]研究了非均匀电场中SF?气体和SF?/N?混合气体的局部放电特性。Kong等人[9]研究了大气压下小间隙中尘埃粒子对SF?气体绝缘性能的影响。Zhao等人[10]基于绝缘等效原理搭建了252千伏局部放电试验原型，并在不同气体混合比例和压力条件下对SF?/N?气体混合物进行了局部放电实验。Chen等人[11]建立了不同充气压力下电弧燃烧过程的磁流体力学模型，并对其灭弧性能进行了分析。