團隊介紹

智能輸配電研究所隸屬于上海交通大學信息技術與電氣工程研究院。作為國家能源智能電網（上海）研發中心的重要組成部分，智能輸配電技術研究所致力于高壓電力設備智能化、智能電網新型設備以及光伏并網與系統設計的理論研究與技術開發，為智能電網及新能源應用的技術進步和產業發展提供基礎理論和關鍵技術。研究所發展目標是在電力設備在線監測與評估、光伏并網變流器等研究領域達到國內領先水平，部分研究方向達到國際領先水平。

智能輸配電研究所由所長江秀臣教授領導，現有專職和兼職研究人員20多人，其中教授及研究員4人、副教授及副研究員6人，博士和碩士研究生40多人。近年來，在相關領域承擔或參與國家自然科學基金8項、國家級科技項目10余項，國家電網公司總部項目8項以及網省電力公司科技項目數十項，多次參與撰寫行業和電網公司相關標準和培訓教材，研究成果獲國家二等獎1項、省部級一等獎4項，其他省部級獎勵10余項。

江秀臣，上海交通大學電氣工程系教授，博士生導師，國家能源智能電網（上海）研發中心主任，上海交通大學信息技術與電氣工程研究院副院長，國家科技部863智能電網重大專項總體專家組副組長，教育部科學技術委員會能源與交通學部委員，國際能源署智能電網行動聯盟（ISGAN）中國聯絡辦公室主任，教育部新世紀優秀人才，長期從事輸變電設備狀態監測與高電壓技術的研究。研究成果獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎4項。

錢勇，上海交通大學電氣工程系副教授，從事高壓電力設備絕緣在線監測技術領域的理論及實驗研究。共錄用發表SCI和EI收錄的學術期刊論文66篇；獲得授權國家發明專利8項。在相關研究領域參與863智能電網項目2項，參與國家自然科學基金項目2項，科技部國際合作項目1項。并參與局部放電帶電檢測培訓教材、狀態檢修叢書、相關標準的撰寫和評審。相關研究成果于2015年獲得上海市科技進步一等獎。

導語

本文為了探究新型環保氣體中流注的產生機理和發展過程，為局部放電的光學檢測和可靠診斷提供理論基礎，通過COMSOL仿真直流電壓下C4F7N/CO2混合氣體中針板模型一次流注到二次流注的放電過程，將電子和離子的產生與運動通過連續性方程進行表示，獲得流注發展過程中電場的變化規律和光通量的密度分布。

研究背景

SF6因其具有優異的絕緣和理化性能而廣泛的應用于氣體絕緣輸電線路當中。但是由于SF6具有嚴重的溫室效應，所以C4F7N/CO2作為其一種替代氣體具有較高的研究和應用價值。目前，國內外學者針對C4F7N/CO2 混合氣體的絕緣和理化性能的研究主要集中于飽和蒸汽壓、臨界擊穿場強、有效電離系數、與SF6的介電強度對比等方面，對C4F7N/CO2混合氣體中尖端缺陷的流注產生機理和發展規律的研究較少。

主要內容

本文將流注的放電過程等效為流體模型進行求解，將等離子體視為流體，建立電子、陽離子和陰離子的對流擴散方程，并與電場控制的泊松方程相互耦合。運用COMSOL對環保氣體中針板模型的一次流注到二次流注放電過程進行仿真。通過空間電荷密度的變化分析了空間電場強度和光通量隨流注傳播過程的變化規律，并擬合得到一次流注傳播過程中光通量的變化函數。

在COMSOL中設置針板放電的幾何模型和網格剖分如圖1所示。

圖1 針板的幾何模型與網格剖分

本文將流注的仿真發展過程分為三個階段：初期、中期、后期和二次流注階段。

流注發展初期，由于電極頭部的電場強度很高，大于氣體的電離強度，將會產生大量的陽離子和電子，由于離子的運動速度遠小于電子，隨著陽離子的堆積，空間電荷效應越來越顯著。初期的空間電荷分布如圖2所示。

圖2 初期空間電荷分布圖

流注發展中期，由于流注前方通道的背景電場較小，一次流注的發展速度較慢，在一次流注的發展中期，光通量將會先緩慢下降然。其中，15ns到45ns軸線出的光通量變化如圖3所示。

圖3 15-45ns軸線出光通量的變化

流注發展后期，隨著流注頭部與陰極之間的電場強度不斷升高，流注頭部的移動速度也越來越快，流注發展進入快流注階段。在流注發展的后期，流注頭部越來越靠近陰極，頭部的電場強度越來越大，兩側的等離子體鞘層輪廓越來越模糊，流注尾部靠近陽極區域的電場強度升高。

這是由于陰極附近的大量電子通過流注通道進入陽極，同時中和了等離子體鞘層中部分的陽離子，削弱了空間電荷效應對通道內部電場的抑制。圖4為45ns到85ns軸線處光通量的分布圖。

圖4 45-85ns軸線處光通量分布

二次流注階段，一次流注在與陰極接觸時，電場將會迅速地重新分配，同時在陰極附近會產生大量的電子和離子，這部分陽離子不斷的堆積在陰極表面，抵消了一部分陽極的電場，使得陰極附近的電場強度迅速減小。

結論

本文通過COMSOL對環保氣體中針板模型一次流注到二次流注的放電過程進行了仿真，通過空間電荷密度的變化分析了流注發展過程中空間電場強度和光通量的變化規律，認知了C4F7N/CO2混合氣體中流注的產生機理，為局放光學檢測及可靠診斷提供理論基礎。

引用本文

臧奕茗, 錢勇, 劉偉, 宋輝, 江秀臣. C4F7N/CO2混合氣體中尖端缺陷的流注放電仿真研究[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 34-42. Zang Yiming, Qian Yong, Liu Wei, Song Hui, Jiang Xiuchen. Simulation Study on Streamer of Tip Defects in C4F7N/CO2 Mixed Gas. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 34-42.