基于化学-流体动力学模型的湿空气电晕放电特性及湿度作用机理研究

Simplified discharge parameters and models are often used to study the effects of humidity on corona discharge characteristics, and there is still no consensus on the law of its influence. In order to comprehensively investigate the physical and chemical process of corona discharge in humid air and clarify the influence mechanism of humidity, this project intends to obtain the electron energy distribution function (EEDF) under different humidity by solving Boltzmann equation, and analyze the influence of humidity on the reaction rate of each electron collision and transport parameters. After that establish a global model of the chemical kinetics of H2O(g), O2, and N2 mixed gases, and extract key particles and chemical reactions by optimizing the calibration. Subsequently couple continuity equation and Poisson equation of key particles to construct a chemical-hydrodynamic mixing model of wire-corona cage discharge in humid air and realize fast solution to analyze the temporal and spatial evolution characteristics of key particles under different humidity and wire radius, and calculate the continuous pulse waveform of the corona current based on the Sato formula. Then carry out the test measurements of the wire-corona cage corona current pulse under different humidity and wire radius, comparative analysis test and simulation results, improve the variation law of corona discharge characteristics with humidity under different electric field distributions, reveal the action mechanism of humidity on it and provide theoretical and technical support for improving the insulation characteristics of high-voltage power transmission and transformation equipment and industrial applications of corona discharge.

湿度对电晕放电特性的影响研究常采用简化的放电参数及模型，关于其影响规律尚未形成一致看法。为全面考察湿空气电晕放电中的物理化学过程、厘清湿度的影响机理，本项目拟通过求解Boltzmann方程获得不同湿度下电子能量分布函数，分析湿度对各电子碰撞反应速率及输运参数的影响，并建立H2O(g)、O2、N2混合气体化学动力学的全局模型，通过优化校验提取放电关键粒子和化学反应。耦合关键粒子的连续性方程和泊松方程构建湿空气导线-电晕笼电晕放电的化学-流体动力学混合模型并实现快速求解，分析不同湿度及导线半径下关键粒子的时空演化特性，并基于Sato公式计算电晕电流连续脉冲波形。开展不同湿度及导线半径下导线-电晕笼电晕电流脉冲的试验测量，对比分析试验和仿真结果，完善不同电场分布下电晕放电特性随湿度的变化规律，揭示湿度对其的作用机理，为改善高压输变电设备的绝缘特性和电晕放电的工业应用提供理论与技术支撑。

项目通过建立N2、O2和H2O(g)混合气体的全局模型和简化全局模型，提取了电晕放电中关键粒子和化学反应，掌握了H2O(g)对放电参数、粒子输运特性及光电离过程的影响，并通过构建大气压湿空气导线-电晕笼电晕放电的化学-流体动力学模型，获得了放电发展微观过程及主要粒子时空演化特性。试验研究了不同导线半径及湿度条件下电晕放电宏观特性，完善了不同电场分布条件下宏观特征参数随湿度的变化规律，并揭示了其作用机理。项目取得的创新性结论如下：.①电离系数和吸附系数均随着湿度的增大而增大。有效电离系数在低场强范围内随湿度的增大而降低，当约化电场强度增大后，有效电离系数随湿度的变化规律会出现翻转。不同导线半径下，正极性起晕电压随湿度的增大幅度随着导线半径的增大而缓慢增大，负极性起晕电压随湿度的降低幅度随着导线半径的降低而增大。.②基于电晕笼-导线结构下的湿空气电晕放电化学-流体动力学模型的结果阐明了负极性电晕Trichel脉冲中9种关键带电粒子的化学反应过程；考虑时空特性后，电晕放电中化学反应路线分9条路径发展，正负离子最终将主要转化为O4+、H3O+、OH-。正极性电晕放电过程中主要化学反应路线与负极性电晕中基本相同，化学反应速率的时空分布不同。.③对直流电晕宏观特性而言，电晕电流脉冲的平均幅值及间隔时间均随湿度增加而减小。随着施加电压的升高，平均幅值先略有增大，后逐渐减小；间隔时间随电压升高先快速减小，后趋于稳定。.④对交流电晕宏观特性而言，随着相对湿度增大，交流负半周的Trichel脉冲幅值变化很小，脉冲数量减少，当相对湿度很高时，负极性电晕放电脉冲的幅值和脉冲数量出现较大程度的波动。交流正半周的正极性电晕脉冲数量和脉冲幅值都增大，且波动性较大。.依托上述研究工作，本项目在国内外权威期刊及会议上发表学术论文7篇，出版英文专著章节1部，申请发明专利3项，参加各类学术会议7人次；现已培养/协助培养博士生1名，硕士生3名，正在培养/协助培养博士生1名，硕士生4名，全面完成了计划任务。