本站小編為你精心準(zhǔn)備了電子團(tuán)對短空氣間隙放電行為的影響參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：流注放電過程中初始種子電子團(tuán)的形成數(shù)量及位置具有隨機(jī)性，為揭示初始種子電子團(tuán)對流注放電行為的影響，建立流體動力學(xué)-化學(xué)反應(yīng)混合模型，數(shù)值仿真大氣壓下棒-板間隙為5mm的流注放電過程。模型包括電子、正負(fù)離子連續(xù)性方程、電子平均能量方程和電場的泊松方程以及23種粒子間化學(xué)反應(yīng)。分別在模型中對密度峰值和分布位置預(yù)設(shè)置3個(gè)不同數(shù)值，研究初始種子電子團(tuán)密度峰值和分布位置對空氣間隙流注放電行為的影響。結(jié)果表明：初始種子電子團(tuán)密度峰值的增加只會加速流注的形成，不會影響流注的時(shí)空變化規(guī)律；而分布位置的改變會影響流注的時(shí)空發(fā)展特性，初始位置與棒電極的距離越遠(yuǎn)，形成的流注到達(dá)板電極的時(shí)間愈短。

關(guān)鍵詞：初始種子電子團(tuán)；流體動力學(xué)-化學(xué)反應(yīng)模型；流注放電；空氣間隙放電

引言

流注放電作為空氣間隙放電的初始階段，是研究氣體放電的重要切入點(diǎn)。流注放電過程時(shí)空尺度復(fù)雜，采用實(shí)驗(yàn)手段很難直接測量通道內(nèi)粒子分布以及局部電場分布等微觀參數(shù)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值算法飛速發(fā)展的條件下通過數(shù)值仿真研究氣體放電的微觀機(jī)理成為熱門課題[1-2]。目前，采用流體動力學(xué)模型來研究流注放電已經(jīng)比較成熟[3-5]，學(xué)者們致力于研究各種初始條件對流注起始和傳播特性的影響。文獻(xiàn)[6]研究了初始電子濃度對流注頭部電場強(qiáng)度、流注平均發(fā)展速率以及流注通道半徑等參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[7]研究了棒電極形狀對擊穿電壓、電暈和等離子體通道外形的影響，其研究成果對放電試驗(yàn)的電極布置方式具有參考意義。文獻(xiàn)[8]研究了針尖曲率半徑對放電特性的影響。文獻(xiàn)[9-10]研究了氣壓、溫濕度對流注放電傳播過程的影響。文獻(xiàn)[11]通過建立考慮海拔因素的正極性電暈損失計(jì)算模型，分析了海拔因素對針環(huán)正電暈放電電流和起暈電壓的影響。縱觀流注放電的相關(guān)文獻(xiàn)，少有報(bào)道初始種子電子團(tuán)對間隙放電過程的影響規(guī)律，而且在數(shù)值仿真模型中關(guān)于初始種子電子團(tuán)密度峰值（nmax）的取值存在較大差異[12-15]，因此本文主要研究初始種子電子團(tuán)密度峰值和分布位置對空氣中棒板間隙正極性流注放電的影響。

1空氣放電計(jì)算模型

1.1放電條件設(shè)置圖1為棒板間隙放電計(jì)算模型示意圖。其中模型參數(shù)主要參照文獻(xiàn)[16]設(shè)置，棒電極尖端為半球形狀，半徑R為0.3mm，板電極半徑為50mm，棒板間距D為5mm，棒電極施加電壓幅值為24kV(0.05ms、0.2ms)的雙指數(shù)電壓波，板電極接地。外電路為棒板電極提供穩(wěn)定的放電電壓，其中保護(hù)電阻Rb設(shè)為5kΩ。空氣簡化為氮氧混合氣體且N2與O2的體積比為8∶2，氣壓p為101kPa，環(huán)境溫度設(shè)為300K。在棒尖端，滿足高斯分布的初始種子電子團(tuán)假定分布在z軸方向，如式（1）所示。式（1）中：ne是放電過程中的電子數(shù)密度；r、z分別表示徑向方向和軸向方向；nmax為初始種子電子團(tuán)密度峰值；z0為初始種子電子團(tuán)在軸向的分布位置，取值范圍為0～5mm；δr=δz=0.1mm，其中δ是初始電子分布的空間寬度，初始電子的分布空間對放電有較大影響，本研究選定初始電子分布空間寬度為0.1mm。

1.2流體動力學(xué)模型采用流體動力學(xué)模型分析棒板間隙放電的物理過程，其實(shí)質(zhì)是將粒子連續(xù)性方程、漂移擴(kuò)散方程和泊松方程化為適當(dāng)?shù)钠⒎址匠蹋賹⑵⒎址匠探M歸一化后以離散的數(shù)值差分形式求解。1.2.1粒子連續(xù)性方程描述等離子體的流體力學(xué)連續(xù)控制方程如式（2）～（3）所示。式（2）~（3）中：nj為電子、離子以及中性分子的數(shù)密度；Rj,l為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生或丟失的速率源項(xiàng)；Γj為漂移擴(kuò)散近似項(xiàng)，由動量守恒方程推導(dǎo)所得；μj為帶電粒子的遷移率；E是電場強(qiáng)度；Dj為擴(kuò)散系數(shù)。1.2.2電子能量方程電子能量是決定化學(xué)反應(yīng)中電子傳輸系數(shù)和速率系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，對放電形態(tài)有重要影響，電子能量通量用于獲得電子能量的空間分布。電子能量方程和電子能量通量方程如式（4）～（5）所示。式（4）~（5）中：Γe是電子能量通量；-Γe•E是電子定向運(yùn)動能量；Qe-n是發(fā)生彈性碰撞或者非彈性碰撞過程中的能量損失及能量獲取；Γε是平均電子能量通量；ε是電子能量；μe和Dε分別代表電子能量遷移系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)，可在BOLSIG+軟件中通過電子碰撞截面求解得到。1.2.3泊松方程粒子連續(xù)方程(2)和電子能量方程(4)都含有自變量E，因此需要聯(lián)立泊松方程，如式（6）～（7）所示。式（6）～（7）中：ε0為真空介電常數(shù)；φ為電勢；εr為空氣相對介電常數(shù)，在本研究中，假定εr等于1。

1.3化學(xué)反應(yīng)模型氣體放電的本質(zhì)是帶電粒子與中性氣體分子以及分子團(tuán)簇等基本粒子發(fā)生彈性碰撞、振動、激發(fā)、附著和電離等各種化學(xué)反應(yīng)。本研究的模型已將空氣簡化為氮氧混合氣體，但是包含的化學(xué)反應(yīng)達(dá)300種以上，分析電子與全部粒子的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜且必要性不大。目前比較有代表性的反應(yīng)模型是由法國學(xué)者SPANCHESHNYI等[17]提出的簡化等離子體化學(xué)反應(yīng)模型，該模型能夠詳細(xì)描述流注放電過程中的電場分布、流注平均速率及電子平均能量分布的發(fā)展規(guī)律。在此基礎(chǔ)上本研究模型選擇了11種反應(yīng)粒子以及包括彈性碰撞、激發(fā)電離、附著反應(yīng)和粒子間反應(yīng)在內(nèi)的23種化學(xué)反應(yīng)[3,18]，如表1所示。N2、O2電子碰撞截面來自LXCAT網(wǎng)站中Phelps和PitchFord的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表1中反應(yīng)5～23的反應(yīng)系數(shù)為速率常數(shù)，來自文獻(xiàn)[17]，通過BOLSIG+軟件可以求解得到彈性碰撞和電離（反應(yīng)1～4）的反應(yīng)系數(shù)（反應(yīng)速率）。在表1中二體碰撞的反應(yīng)速率常數(shù)單位為m3•s-1；三體碰撞的反應(yīng)速率常數(shù)單位為m6•s-1；Te的單位是K。

2結(jié)果與討論

2.1空氣放電過程發(fā)展本研究模型已經(jīng)假定在棒板間隙充滿的是干燥的空氣，主要為氮氧混合氣體，因此放電過程主要考慮電子與中性粒子間的碰撞、帶電粒子與中性分子以及粒子間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。下面以nmax=1019m-3、z0=5mm的初始條件為例進(jìn)行計(jì)算，并從電場、流注平均速率和電子平均能量等方面和已有研究成果比較，驗(yàn)證本研究模型的正確性。2.1.1電場分布圖2為不同時(shí)刻空間電場的二維分布，通道內(nèi)電場是流注能夠向前發(fā)展的主要動力來源，其時(shí)空變化特性直接決定了流注發(fā)展的動態(tài)特性。給定初始種子電子團(tuán)以后，其在背景電場作用下先在棒電極尖端附近形成初始電子崩。電子崩中電子快速向棒電極方向運(yùn)動，正離子相對靜止于棒電極頭部，其主要原因在于離子遷移率比電子遷移率小幾個(gè)數(shù)量級。電子集聚在棒電極附近，在外加電壓的作用下，由于棒電極附近背景場強(qiáng)較大，電離反應(yīng)會更加劇烈，使棒電極附近電子密度增大，從而產(chǎn)生的空間電場與背景電場方向相反且數(shù)值較大。最終產(chǎn)生的電場和背景電場疊加得到的復(fù)合電場約為10kV/cm，符合流注放電理論[19]。圖3為空氣間隙一維軸向電場和電壓分布。觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)流注頭部的軸向場強(qiáng)最大，從圖3可以看出，在流注發(fā)展過程中，流注頭部的軸向場強(qiáng)變化趨勢是先略微減小，快到達(dá)板電極位置時(shí)又有所上升，數(shù)值范圍為80～120kV/cm，流注通道內(nèi)的場強(qiáng)維持在10～20kV/cm。從流注開始到達(dá)頭部的通道范圍內(nèi)電壓降基本保持不變，而流注頭部到板電極通道承受了大部分電壓降。這是因?yàn)榱髯⑼ǖ纼?nèi)正負(fù)電荷數(shù)密度大致相等，對外呈現(xiàn)電中性，可近似認(rèn)為是等離子通道。上述流注發(fā)展的時(shí)空特性與文獻(xiàn)[20]及流注理論[19]中的時(shí)空特性基本保持一致。2.1.2流注平均發(fā)展速率流注發(fā)展速率是描述流注時(shí)空特性的重要參數(shù)之一，根據(jù)空間場強(qiáng)最大法，可以確定流注頭部位置，進(jìn)而確定流注發(fā)展速率。觀察圖2仿真結(jié)果可知，經(jīng)過6.9ns流注頭部幾乎到達(dá)板電極處，此時(shí)認(rèn)為流注已經(jīng)貫穿整個(gè)間隙，不同時(shí)段的流注平均發(fā)展速率如表2所示。均發(fā)展速率為7.14×105m/s，本研究模型仿真得到的流注平均發(fā)展速率為7.25×105m/s，兩者基本一致，證明本研究模型是合理的。2.1.3電子平均能量分布現(xiàn)有文獻(xiàn)中，為簡化計(jì)算，仿真模型通常采取的方法是忽略電子平均能量方程，即利用局域場近似代替局域能量近似。通常在大氣壓或高氣壓的條件下，局域場近似和局域能量近似都是適用的，局域能量近似的優(yōu)點(diǎn)是能夠更加精確地反映物理現(xiàn)象。本研究在流體動力學(xué)-化學(xué)反應(yīng)混合模型中加入電子平均能量方程，目的是能夠精確仿真出電子平均能量隨流注發(fā)展的變化，并從微觀角度分析電子平均能量對各化學(xué)反應(yīng)的作用，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，軸向電子能量分布規(guī)律與軸向電場強(qiáng)度分布規(guī)律相似，在流注頭部電子平均能量具有最大值，數(shù)值為10～15eV；而在通道中電子平均能量較低，約為5eV，且基本不隨時(shí)間變化；在流注未到達(dá)的區(qū)域電子平均能量稍大于5eV同時(shí)隨流注發(fā)展而慢慢增大。這就從微觀層面解釋了電子密度和場強(qiáng)在流注頭部具有最大值的原因，文獻(xiàn)[21]通過研究發(fā)現(xiàn)平均能量大于5eV的電子是氣體發(fā)生電離和激發(fā)的主要動力，因此流注頭部電子具有的平均能量越高，氣體發(fā)生電離和激發(fā)反應(yīng)的概率越大，隨即產(chǎn)生的電子和帶電粒子越多，參與二次碰撞的粒子數(shù)量也增加，從而對空間電場的畸變作用愈加強(qiáng)烈，加速流注向前發(fā)展。

2.2初始種子電子團(tuán)密度峰值nmax的影響為研究初始種子電子團(tuán)密度峰值nmax對空氣間隙放電行為的影響，分別預(yù)設(shè)nmax為1018、1019、1020m-3，z0=5mm。圖5為不同初始種子電子團(tuán)密度峰值下在6.9ns時(shí)刻空氣間隙內(nèi)軸向電場強(qiáng)度、電壓以及電子平均能量對比圖。由圖5仿真結(jié)果可以看到，隨著密度峰值的改變，空氣間隙內(nèi)軸向電場、電壓和電子平均能量的分布趨勢基本保持不變，僅在數(shù)值上有微小差別。初始種子電子密度峰值的改變不會影響流注的放電特性，密度峰值的增大只會加速形成流注。圖5(a)中初始種子電子團(tuán)密度峰值的增大會使流注頭部的電場強(qiáng)度增加，導(dǎo)致空間電場畸變程度加大，從而使二次電子碰撞電離過程更加劇烈，圖5(c)中電子平均電子能的略微增加也能證明電離過程的加劇，因此由初始電子崩轉(zhuǎn)入流注的時(shí)間縮短。

2.3初始種子電子團(tuán)分布位置z0的影響初始種子電子團(tuán)分布位置z0分別設(shè)置為3、4、5mm，nmax=1019m-3，模型仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6的仿真結(jié)果可以看出，初始種子電子團(tuán)的分布位置對其空間位置具有一定的影響。隨著z0的變化，流注在間隙內(nèi)的形成位置發(fā)生改變，到達(dá)板電極的快慢程度也有所不同。z0越小，流注越先到達(dá)板電極。

3結(jié)論

利用流體動力學(xué)-化學(xué)反應(yīng)混合模型模擬了棒板間隙為5mm的流注放電過程，并得到了空間電場、電子平均能量等放電物理量。基于實(shí)際放電過程產(chǎn)生初始種子電子的隨機(jī)性，模型研究了初始種子電子團(tuán)密度峰值和分布位置改變對空氣間隙放電行為的影響。結(jié)果表明初始種子電子團(tuán)密度峰值的增加只會加速流注的形成，不會影響流注的時(shí)空變化規(guī)律；而初始種子電子團(tuán)分布位置的改變會影響流注時(shí)空發(fā)展特性，初始種子電子團(tuán)分布位置z0越小，流注到達(dá)板電極的時(shí)間越短，同一時(shí)刻流注形成的空間位置離板電極越近。

參考文獻(xiàn)：

[6]彭慶軍,司馬文霞,楊慶,等.初始電子濃度對空氣中針板間隙正極性流注放電的影響[J].高電壓技術(shù),2013,39(1):37-43.

[7]夏喻,李衛(wèi)國,程宇頔,等.棒尖端外形對低氣壓下棒-板間隙直流放電特性影響研究[J].絕緣材料,2017,50(11):44-49.

[8]秦楷,潘成,吳鍇,等.針-板電極下針尖曲率和鋁箔尺寸對放電機(jī)理的影響[J].高電壓技術(shù),2012,38(7):1777-1784.

[9]惠建峰,關(guān)志成,王黎明,等.正直流電暈特性隨氣壓和濕度變化的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(33):53-58.

[10]蔡新景,王凱奇,王新新,等.不同濕度下空氣的流注放電特性[J].高電壓技術(shù),2015,41(2):633-638.

[11]耿慶忠.考慮海拔影響的正極性針環(huán)電極模型和交流750kV導(dǎo)線的電暈起始特性研究[D].北京:華北電力大學(xué),2014.

[15]廖瑞金,伍飛飛,劉康淋,等.棒-板電極直流負(fù)電暈放電脈沖過程中的電子特性研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(10):319-329.

[19]梁曦東,陳昌漁,周遠(yuǎn)翔.高電壓工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:19-22.

[20]張赟,曾嶸,黎小林,等.大氣中短空氣間隙流注放電過程數(shù)值仿真[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(28):6-12.

[21]張文靜.大氣壓介質(zhì)阻擋放電物理過程的數(shù)值模擬[D].上海:東華大學(xué),2007.

作者：王成江 涂鳴麟 方洋洋 沈書林 李亞莎 單位：三峽大學(xué)