基于等离子体-静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型制造技术

本发明专利技术涉及一种基于等离子体‑静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型，属于高压气体放电机理领域。本发明专利技术选择等离子体场与静电场的耦合场作为计算环境，增加等离子体模型，充分考虑粒子的碰撞、电离、复合等反应，在电晕放电过程中使用Townsend系数提高反应的稳定性，设置能够保证电晕放电较为均匀的放电参数，可准确地表征介质阻挡电晕放电的微观过程，并为复合绝缘子表面电晕老化的微观机理研究提供基础。

【技术实现步骤摘要】
基于等离子体-静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型
本专利技术涉及一种基于等离子体-静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型，属于高压气体放电机理领域。
技术介绍
介质阻挡电晕放电包括众多粒子的碰撞反应和介质阻挡放电表面的反应，动理学原理极其复杂。实际运行中，复合绝缘子表面经常出现的放电即为介质阻挡电晕放电现象。许多表征电晕放电过程的特征量无法通过试验直接获得，对深入电晕放电微观机理的研究造成一定困难。因此，对其进行数学建模和计算机数值模拟成为研究介质阻挡电晕放电微观过程的主要方法。仅仅在单一力场下的微观建模计算，与实际电晕放电环境相差较大，准确度较低。
技术实现思路
为克服现有研究缺陷，本专利技术提供一种基于等离子体-静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型，其目的是较为完整的反映介质阻挡电晕放电的发展过程，可为复合绝缘子表面电晕老化的微观机理研究提供基础。本专利技术所采用的技术方案为：选择等离子体场与静电场的耦合场作为计算环境，增加等离子体模型，充分考虑粒子的碰撞、电离、复合等反应，在电晕放电过程中使用Townsend系数提高反应的稳定性，设置能够保证电晕放电较为均匀的放电参数，准确地表征介质阻挡电晕放电的微观过程。具体操作步骤如下：(1)电晕放电几何参数：上电极为针电极，针长度为6mm，针半径为0.5mm，曲率半径0.03mm，放电间隙距离4mm，介质层厚度3mm，地电极厚度5mm。(2)电晕放电参数：放电间隙气体的介电常数为1，介质层介电常数为3.5。放电间隙压力为1[atm]，温度293.15[K]，还原电子迁移率4e24[1/(m·V·s)]，电子能分布函数服从Maxwellian分布。介质阻挡电晕放电的数学模型：(3)由于非弹性碰撞导致能量的获得或损失由式(1)计算得到。电子能量密度nε可由式(1)-(2)计算得到。式(1)-(2)中，Γε为电子能量通量，Sε为碰撞功率损耗，με为电子能量迁移率，Dε为电子能量扩散率，E·Γε为由外部电场引起的电子发热。(4)平均电子能量可由下式求得：(5)电子温度(Te)是平均电子能量的函数：(6)使用Townsend系数定义介质阻挡放电的反应速率，电子能量损失为：式(5)中，αj为反应j的Townsend系数，Γe为电子通量，Δεj是反应j的能量损失。(7)根据模型中等离子体化学反应的性质，计算空间电荷密度ρ：用于维持放电的机制为从阴极发射二次电子。当电子与离子发生碰撞时，电子以指定概率从阴极表面发射。(8)电子能量通量可由下式求得：式(7)中，γp为二次发射系数，等式右端第二项为二次发射能量通量，εp为二次电子平均能量。(9)介质表面电荷密度ρs可由下式求得：式(8)中，等式右端第一项为壁上总离子电流密度的法相分量，第二项为壁上总电子电流密度的法相分量。(10)放电由施加到针电极的正弦电位驱动：V＝V0sin(ωt)(9)；所述介质(外部边界)的上表面会积累由等离子体化学反应产生的电荷，下表面接地。所述的电晕放电参数中，电极设计参考时间为1ms，针电极之间的距离为8mm。所述施加到针电极的电压为10kV，频率为1kHz。本专利技术的有益效果为：所述的介质阻挡电晕放电模型，将等离子体场与静电场的耦合场作为计算环境，增加了等离子体模型，准确地反映了介质阻挡电晕放电的完整微观过程。附图说明图1为本专利技术介质阻挡电晕放电几何模型示意图；图2为本专利技术中介质阻挡电晕放电模型的电子密度分布图；图3为本专利技术中介质阻挡电晕放电模型的平均电子能分布图；图4为本专利技术中介质阻挡电晕放电模型的空间电荷密度分布图；图5为本专利技术中介质表面电荷密度分布图。图中标号：1-针电极；2-放电间隙；3-介质；4-地电极。具体实施方式本专利技术是一种基于等离子体-静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。本专利技术的具体操作步骤如下：1.电晕放电几何参数设置为：上电极为针电极1，针长度为6mm，针半径为0.5mm，曲率半径0.03mm，针电极之间的距离为8mm，放电间隙2距离4mm，介质层3厚度3mm，地电极4厚度5mm。介质3(外部边界)的上表面会积累由等离子体化学反应产生的电荷，下表面接地。介质阻挡电晕放电几何模型如图1所示。2.电晕放电参数：放电间隙2气体的介电常数为1，介质层3介电常数为3.5。放电间隙压力为1[atm]，温度293.15[K]，还原电子迁移率4e24[1/(m·V·s)]，电子能分布函数服从Maxwellian分布，电极设计参考时间为1ms。介质阻挡电晕放电的数学模型：3.由式(1)计算非弹性碰撞导致能量的获得或损失。电子能量密度nε由式(1)-(2)计算得到，电晕放电模型中的电子密度分布如图2所示。4.平均电子能量由下式求得，平均电子能分布结果如图3所示：5.电子温度(Te)是平均电子能量的函数：6.使用Townsend系数定义介质阻挡放电的反应速率，电子能量损失计算：7.根据模型中等离子体化学反应的性质，由下式计算空间电荷密度ρ，空间电荷密度分布如图4所示：用于维持放电的机制为从阴极发射二次电子。当电子与离子发生碰撞时，电子以指定概率从阴极表面发射。8.电子能量通量可由下式求得：9.介质表面电荷密度ρs由下式求得，表面电荷密度计算结果如图5所示：10.放电由施加到针电极的正弦电位驱动，电压为10kV，频率为1kHz：V＝V0sin(ωt)(9)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于等离子体‑静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型，其特征在于，选择等离子体场与静电场的耦合场作为计算环境，增加等离子体模型，充分考虑粒子的碰撞、电离、复合等反应，在电晕放电过程中使用Townsend系数提高反应的稳定性，设置能够保证电晕放电较为均匀的放电参数，准确地表征介质阻挡电晕放电的微观过程。具体操作步骤如下：(1)电晕放电几何参数：上电极为针电极，针长度为6mm，针半径为0.5mm，曲率半径0.03mm，放电间隙距离4mm，介质层厚度3mm，地电极厚度5mm。(2)电晕放电参数：放电间隙气体的介电常数为1，介质层介电常数为3.5。放电间隙压力为1[atm]，温度293.15[K]，还原电子迁移率4e24[1/(m·V·s)]，电子能分布函数服从Maxwellian分布。介质阻挡电晕放电的数学模型：(3)由于非弹性碰撞导致能量的获得或损失由式(1)计算得到。电子能量密度nε可由式(1)‑(2)计算得到。

【技术特征摘要】
1.基于等离子体-静电耦合场的介质阻挡电晕放电模型，其特征在于，选择等离子体场与静电场的耦合场作为计算环境，增加等离子体模型，充分考虑粒子的碰撞、电离、复合等反应，在电晕放电过程中使用Townsend系数提高反应的稳定性，设置能够保证电晕放电较为均匀的放电参数，准确地表征介质阻挡电晕放电的微观过程。具体操作步骤如下：(1)电晕放电几何参数：上电极为针电极，针长度为6mm，针半径为0.5mm，曲率半径0.03mm，放电间隙距离4mm，介质层厚度3mm，地电极厚度5mm。(2)电晕放电参数：放电间隙气体的介电常数为1，介质层介电常数为3.5。放电间隙压力为1[atm]，温度293.15[K]，还原电子迁移率4e24[1/(m·V·s)]，电子能分布函数服从Maxwellian分布。介质阻挡电晕放电的数学模型：(3)由于非弹性碰撞导致能量的获得或损失由式(1)计算得到。电子能量密度nε可由式(1)-(2)计算得到。(4)平均电子能量可由下式求得：...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁英，高婷，高丽娟，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13