强电场作用下低速气固混合流体介质中物相分布和电场畸变的耦合影响和放电规律

沙尘(暴)气候易引发高压输电线路出现外绝缘事故，特别是间隙击穿。该环境下间隙介质属典型的以较低流速运动于高电场区域的空气-固粒两相混合流体介质，必然存在流、电场的强相互耦合过程。固相分布直接影响着原有电场强度的分布，导致电场出现局部畸变，而电场又通过颗粒荷电所致电场力，反作用于固相运动，影响其浓度分布。电场强度和物相分布密不可分、成对出现并直接影响着该混合介质条件下的放电特性。本项目拟采用仿真和实验相结合的方法，在考虑流体运动和电场分布相互耦合作用的基础上，建立气固两相混合介质中固相的荷电、运动过程以及与之伴随的畸变电场求解模型，研究流、电场耦合作用下，固相粒子浓度变迁和颗粒群荷电所致电场分布；在实验部分，通过时间同步基础上固相浓度、运行轨迹和放电状态观测，研究粒子的浓度分布规律，揭示该流动介质环境下更细观的放电机理。目的是提高现有流电场仿真水平，加深对该混合介质下的放电过程的理解。

对输电线路外绝缘而言，大气污染气候环境有可能导致污秽闪络、间隙放电和不明闪络等各类安全事故，威胁电网的可靠性。正常气象条件下，间隙介质环境可认为是洁净空气，但在污染环境下，介质环境由洁净空气变成了具有一定流速和浓度的气固两相混合流体。该混合流体的流动规律对于间隙击穿、表面污秽沉降、电场畸变均具有直接的影响作用。尽管目前对于气固两相混合流体在强电场下的荷电过程及其流动规律已有初步研究，但相关的数学模型仍具有很大的局限性，也缺乏有效的实测验证。.本研究首先建立了可模拟沙尘环境对气隙击穿特性影响的试验平台，该平台可在控制沙尘试样粒径、成分、空气流速、沙尘浓度的基础上，进行板-板，球-板，球-球电极不同距离下的气隙击穿试验，用于探索沙尘环境参数(沙尘粒径，颗粒物介电、导电属性，风速，沙尘浓度，温度)对于气隙放电特性的影响规律；此外，利用粒子图像速度技术（PIV）系统研究了小粒径粒子群体在流、电耦合场中的运动规律，并综合考虑了多个因素，如电场不均匀度、电压等级、风速、电压源类型对于实测结果的影响，得到了一般的作用规律；利用了电流采集系统研究了通过电极间隙的电流信号，得到了电流随时间（I-t）变化曲线以及伏安特性（I-V）曲线，并讨论了外施电压等级、风速对测量结果的影响，从粒子荷电过程及其荷电后输运特性的角度对影响规律做出了一定解释；从粒子荷电运动的基本物理过程出发，结合数学模型和实验结果对气固两相混合流体在强电场下的粒子荷电过程、以及荷电后粒子的流动规律进行了探究，并考虑粒子介入而引发局部电场畸变和粒子间相互作用，引入强化偶极子模型完成了电场分布计算，在强化偶极子模型的基础上，通过经典的电场荷电理论完成对单个粒子所携带的荷电量计算，最终探索了粒子在强电场区域的荷电过程和颗粒物的流、电场耦合运动过程的基本规律。