棒一板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．11(2013)115201棒一板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析木伍飞飞)廖瑞金)干杨丽君)刘兴华2)汪可)周之)1)(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆4ooo3o)2)(淄博供电公司，山东省电力集团公司，淄博255000)(2012年11月5日收30；2012年12月l2日收到修改稿)本文基于流体动力学理论改进出一种新的棒一板电极负电晕放电混合数值模型，模型中加入了27种主要碰撞反应，并考虑了光电离和二次电子发射过

2、程．对棒一板间距3．3nlnl，施加电压-5．0kV情况下进行数值计算，得到负电晕放电的特里切尔脉冲．重点分析了单个特里切尔脉冲持续过程中5个关键时刻的微观特征量发展规律，丰富并量化描述了特里切尔脉冲的微观过程，主要结论如下：随着放电时间的发展，电场集中分布区域向阳极移动且幅值变小，这对电子崩的发展非常不利．大部分放电区域都是电中性的，只有在阴极鞘和阳极鞘附近有带正电的等离子体特性，带负电的离子云随着放电时间的发展缓慢向阳极发散式移动．整个特里切尔脉冲持续过程中，阴极鞘内电子密度几乎为0；特里切尔脉冲前期，阴极

3、鞘附近电子密度迅速增加至最大值并保持基本不变：随着放电时间的增加，放电间隙内电子密度整体增加，并且向阳极发展．在特里切尔脉冲后期，电子的产生主要来自于N2和02的碰撞电离，电子的消失则主要由N的复合决定，o和O分别是数量最多的正离子和负离子．关键词：负电晕，混合模型，特里切尔脉冲，微观特征量PACS：52．25．Dg，52．65．-y，52．8O．Hc，52．40．KDOI：10．7498／aps．62．115201来一直受到广大研究者的青睐[61．特里切尔脉冲是只在电负性气体中存在，通常表现为迅速上升(小1引

4、言至as级)和缓慢衰减(数十ns)的一组规律脉冲电电晕放电是一种非平衡态低温等离子体放电流信号【778J．Trichel本人认为间隙中负空间电荷的过程，通常发生在曲率半径很大的尖端电极附近【lj．形成和消散导致了脉冲电流的重复出现．Loeb等随着我国电力工业的发展，高压和超高压输电线路的试验[91表明规律的脉冲电流只存在于电负性气成为我国主要骨干网架并即将建立特高压线路，电体之中，同时Loeb提出了负直流电晕特里切尔脉晕损失已不可忽视【2】_同时，电晕放电带来的可听冲空间电荷运动过程的物理模型[10]，该模型考

5、虑噪声、电磁干扰、线路腐蚀、绝缘劣化以及扰民了电子崩过程，但无法解释他试验中发现的1．5as问题已日渐受到重视[3】'此外，电晕放电在静电除快速上升沿．Zenmer[71开展了大量试验测量特里切尘、污水处理、空气净化、表面处理等工业设备尔脉冲的上升时间，并且发现上升沿可小至1．3l'lS．中起着核心作用[4，51．特里切尔脉冲对于解释电晕Lama和Gal1o【l1_丰富了Trichel和Loeb提出的特放电的众多现象发挥着至关重要的作用，国内外虽里切尔脉冲的微观过程，他们认为放电起始阶段棒开展了大量关于电晕产生

6、机理的研究，但至今未取尖端因汤森雪崩产生大量电子，接着，被中性分子得突破性进展．对于电晕放电中特里切尔脉冲的形吸附形成负离子使得运动速度减慢，形成的负离子成机理，自1938年Trichel发现了特里切尔脉冲以云将棒尖附近电场降低至临界值以下，导致新的电国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号：2011CB209401)和国家自然科学基金创新研究群体科学基金(批准号：51021005)资助的课题．t通讯作者．E—mail：rjliao@cqu．edu．cn④2013中国物理学会ChinesePhysical

7、Societyhttp：／／wulixb．iphy．ac．c他l15201．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．11(2013)115201子崩无法形成，使得放电过程发生休克．只有当负2数值模型离子云迁移到距离阴极足够远处，阴极附近场强恢复之后，新的特里切尔脉冲脉冲开始出现．Lama和2．1控制方程Gallo的研究无法对离子云内部的粒子成分进行分在流体动力学模型中考虑碰撞反应，并在混合析，也无法对特里切尔脉冲过程中的其他重要微观数值模型中加入光电离项和二次电子发射过程来特征量进行描述．分析空

8、气放电的物理过程，其实质就是将电子连续尽管国内外众多研究者开展了大量的试验研性方程、重粒子多组分扩散输运方程、重粒子动究，特里切尔脉冲的物理机理仍未明了．从试验量方程、能量方程和泊松方程化为适当的偏微分方面推进空气放电机理的研究，需要花费大量的方程组，再将偏微分方程组归一化后以离散的数值时间精力，耗资巨大，且目前缺乏有效的关于大气差分形式求解．压下空气放电等离子体诊断手段_l2J，放电