SF6/N2混合氣體微觀電弧特性研究

李 靜　鄭 浩　曹云東　于龍濱

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SF6/N2混合氣體微觀電弧特性研究

李 靜1鄭 浩1曹云東1于龍濱2

（1. 沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽 110870；2. 國網(wǎng)東北電力科學(xué)研究院有限公司，沈陽 110003）

氮氣（N2）易獲取、無污染、在不均勻電場下有很高的穩(wěn)定性等特點，采用SF6/N2混合氣體替代有強(qiáng)溫室效應(yīng)的六氟化硫（SF6）氣體逐漸成為研究的熱點，并且在部分電氣設(shè)備中已經(jīng)有所應(yīng)用。本文以氣體動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，考慮了帶電粒子的碰撞，仿真得到SF6/N2混合氣體電弧形成過程及其中微觀電子密度的時變規(guī)律，并分析了混合氣體組分對電弧形成過程的影響，從微觀上加深了對SF6/N2混合氣體特性的認(rèn)識。

SF6替代氣體；微觀電弧；鞘層；動態(tài)過程

在高壓領(lǐng)域內(nèi)，SF6氣體作為最理想的絕緣和滅弧介質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備中[1-2]。然而，由于SF6具有極高的溫室效應(yīng)，已被列為6種受限制使用氣體之一[3-4]。因此，尋找絕緣性能與SF6相當(dāng)而溫室效應(yīng)指數(shù)低的新氣體具有重要意義[5-7]。N2由于具有低成本、無溫室效應(yīng)、液化溫度低、不均勻電場下穩(wěn)定性強(qiáng)等特點，所以成為實驗和研究的焦點[8-9]。以SF6/N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)的電氣設(shè)備也逐漸應(yīng)用于實際中[10]。

目前對于混合氣體的研究大多數(shù)學(xué)者采用實驗的方法來分析其絕緣特性，直接利用實驗測量混合氣體的擊穿電壓等參數(shù)，雖然能夠直觀的反應(yīng)氣體的耐電強(qiáng)度，但缺少一定的理論依據(jù)，不能從根本上解決混合氣體的擊穿問題。同時實驗受外界影響較多，且不能保證每次實驗的影響因素相同，因此結(jié)果的隨機(jī)性較大。氣體被擊穿后，電離通道由于帶電粒子的撞擊溫度上升，電擊穿轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的熱擊穿，最終形成穩(wěn)態(tài)電弧。在這一過程中，擊穿通道在熱電離開始前，溫度較低，等離子體為冷態(tài)，被稱為弧前過程。弧前過程是電弧產(chǎn)生的基礎(chǔ)，弧前過程中形成的微觀粒子空間分布對穩(wěn)態(tài)電弧能量起決定性作用，從本質(zhì)上決定了氣體的絕緣特性，也是研究氣體擊穿的根本所在。本文建立簡化開關(guān)平板電極模型，通過仿真得到SF6/N2混合氣體的弧前動態(tài)過程，分析了SF6含量對于SF6/N2混合氣體電弧形成的影響。

1 仿真模型

1.1 數(shù)學(xué)模型及假設(shè)條件

本文基于如下假設(shè)建立數(shù)學(xué)模型：①開關(guān)斷開后，氣體均勻分布于平板電極；②忽略空間光電離；③忽略重離子及電子等微觀粒子的擴(kuò)散運動，僅考慮遷移運動；④氣體混合后原氣體碰撞截面及碰撞特性不發(fā)生改變。

數(shù)學(xué)模型基于氣體動力學(xué)的Boltzmann方程，考慮帶電粒子的碰撞后，近似將其描述為以時間和空間維度為基礎(chǔ)的電子數(shù)密度及平均能量的漂移擴(kuò)散方程，如式（1）至式（4）所示。

混合氣體內(nèi)部的電場強(qiáng)度通過泊松方程式（5）和式（6）求解，即

1.2 計算模型及參數(shù)設(shè)置

將開關(guān)簡化為二維軸對稱的平板電極，建立如圖1所示的模型，其中表示高電位陽極，表示零電位陰極（兩電極均為金屬電極），觸頭長度= 20mm，間距=5mm。

仿真分析了SF6/N2混合氣體電弧弧前動態(tài)過程，并假設(shè)開關(guān)斷開前觸頭間氣體已處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。仿真過程中主要用到了陰極表面發(fā)射邊界和陰陽兩個電極的導(dǎo)體邊界。仿真主要參數(shù)見表1。

圖1 簡化開關(guān)平板電極模型

表1 弧前動態(tài)過程主要仿真參數(shù)

1.3 氣體碰撞方程與碰撞截面

弧前過程從微觀上解釋是氣體電離的過程，這一過程的時間極短，帶電粒子與中性粒子的碰撞頻率很高，影響粒子在空間的概率分布。SF6與N2的碰撞方程及對應(yīng)截面如圖2和圖3所示。

圖2 SF6氣體碰撞截面

圖3 N2氣體碰撞截面

其中SF6+、SF5-、SF6-、N2+代表重離子；SF6s代表SF6激發(fā)態(tài)分子；N2s代表N2激發(fā)態(tài)分子；SF6氣體發(fā)生起始有效碰撞所需的能量比N2低，隨著能量增加，當(dāng)N2也達(dá)到可發(fā)生有效碰撞的能量時，發(fā)生有效碰撞的幾率大于SF6。

2 SF6/N2混合氣體弧前動態(tài)過程

在電弧形成初期，觸頭間粒子碰撞電離形成局部等離子體，初始電子濃度為1013/m3，圖4至圖6顯示了80%～20% SF6/N2混合氣體電弧通道形成過程中電子密度動態(tài)的變化過程。

圖4 t=0.5ns時SF6/N2混合氣體電子數(shù)密度分布

圖5 t=0.4ms時SF6/N2混合氣體電子數(shù)密度分布

圖6 t=0.7ms時SF6/N2混合氣體電子數(shù)密度分布

觸頭斷開后，電極間電子、離子均勻分布，凈空間電荷為零。隨著電極間電壓逐漸升高，電子在電場作用下從陰極加速向陽極運動，期間不斷與中性分子碰撞并發(fā)生電離，使空間電子數(shù)量倍增，如圖4所示。

伴隨碰撞電離的發(fā)生，一部分電子在陽極附近不斷被吸收，而SF6+、N2+運動速度較慢未到達(dá)陰極，因此空間電荷密度越來越大，SF6+、N2+距離陽極位置較近，陽極區(qū)電場的畸變程度大于陰極，空間電荷積累形成的內(nèi)電場逐漸增大，最后使近陽極區(qū)的電場強(qiáng)度改變方向，在反向電場作用下，大規(guī)模電子被隔離，形成陽極鞘層，如圖5所示。

陽極鞘層外的中性粒子與大量電子發(fā)生碰撞電離，高電荷密度中心由陽極向陰極發(fā)展，碰撞發(fā)生到一定程度時，電子能量下降，電子沿電場方向被加速，無法停留在陰極，使該區(qū)域正離子數(shù)遠(yuǎn)大于電子數(shù)，形成陰極鞘層，如圖6所示。

3 SF6含量對電弧形成的影響

在電弧形成過程中，鞘層區(qū)是電子能量最高的區(qū)域，鞘層邊緣是電子發(fā)生碰撞最頻繁的位置，也是新生離子最多的位置，而新生離子的增加大大加強(qiáng)了電弧的場強(qiáng)，是電子能量提升的源泉[11]，對于電弧的形成至關(guān)重要，鞘層形成時間越長，電弧形成得越困難，越不容易擊穿，絕緣性就越強(qiáng)，即可以通過鞘層形成時間得快慢來反映氣體絕緣性得強(qiáng)弱。本文對相同條件下不同SF6含量的混合氣體進(jìn)行仿真，得出電弧陽極鞘層形成的時間，如圖7所示。

圖7 SF6/N2混合氣體陽極鞘層產(chǎn)生時間隨SF6含量變化曲線

由圖可以看出，相同條件下，SF6含量越高，其弧前鞘層形成時間越長，當(dāng)SF6含量超80%時，時間增加已不明顯，接近飽和值（純SF6氣體電弧鞘層產(chǎn)生時間），即SF6含量超過80%時，氣體絕緣性能已趨近飽和。這與前人實驗所得結(jié)論一致[12]。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因一方面是N2電離能力較強(qiáng)，另一方面是SF6具有吸附性，N2電離產(chǎn)生的電子被SF6氣體分子吸附，使電離后的正、負(fù)離子再次復(fù)合，從而抑制放電過程的發(fā)展。隨著混合氣體中SF6含量的增加，電離出的可吸附電子數(shù)量逐漸減少，鞘層形成的時間增長趨勢逐漸減緩，混合氣體絕緣強(qiáng)度也趨于飽和。

4 結(jié)論

本文通過建立平板電極模型，從微觀角度對SF6/N2混合氣體弧前動態(tài)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，并得出仿真結(jié)果。對比不同SF6含量下電弧鞘層產(chǎn)生的時間，SF6含量逐漸增加時，氣體絕緣能力的增長也顯現(xiàn)出飽和趨勢，當(dāng)SF6含量超過80%時，絕緣性能增加已不再明顯。為尋找SF6替代氣體提供了理論依據(jù)，從氣體本質(zhì)上證明了使用SF6/N2混合氣體來代替純SF6氣體的可行性，為進(jìn)一步研究SF6替代氣體打下了良好的基礎(chǔ)。

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Research on the Microscopic Arc Characteristics of SF6/N2Gas Mixtures

Li Jing1Zheng Hao1Cao Yundong1Yu Longbin2

(1. Shenyang University of Technology, Shenyang110870;2. Northeast China Electric Power Research Institute, Shenyang110003)

Due to the characteristics of easy access, non-pollution, high stability under the non-uniform electric field in N2gases, using SF6/N2mixed gas instead of SF6which has strong greenhouse effecthas gradually become a research hotspot, and it has been applied in some electrical equipment. This paper is based onthe gas dynamics equation, considering the collision of charged particles. According to simulation, the formation process of the arc of SF6/N2mixed gas and dynamic variation of microscopic electron density are obtained. The influences of components in mixed gases are also analyzed. Besides, from the micro perspective, the discharge process of SF6/N2gas mixtures can be studied deeply.

SF6substitute gases; microscopic arc; sheath; dynamic progress

李 靜（1977-），女，博士，講師，主要從事電器電弧理論與氣體放電仿真的研究工作。

國家自然科學(xué)基金（51407120）

遼寧省教育廳一般項目（LGD2016029）