上海交通大学江秀臣团队特稿：C4F7N/CO2 混合气体中尖端缺陷的流注放电仿真研究
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智能输配电研究所隶属于上海交通大学信息技术与电气工程研究院。作为国家能源智能电网（上海）研发中心的重要组成部分，智能输配电技术研究所致力于高压电力设备智能化、智能电网新型设备以及光伏并网与系统设计的理论研究与技术开发，为智能电网及新能源应用的技术进步和产业发展提供基础理论和关键技术。研究所发展目标是在电力设备在线监测与评估、光伏并网变流器等研究领域达到国内领先水平，部分研究方向达到国际领先水平。
智能输配电研究所由所长江秀臣教授领导，现有专职和兼职研究人员20多人，其中教授及研究员4人、副教授及副研究员6人，博士和硕士研究生40多人。近年来，在相关领域承担或参与国家自然科学基金8项、国家级科技项目10余项，国家电网公司总部项目8项以及网省电力公司科技项目数十项，多次参与撰写行业和电网公司相关标准和培训教材，研究成果获国家二等奖1项、省部级一等奖4项，其他省部级奖励10余项。
江秀臣，上海交通大学电气工程系教授，博士生导师，国家能源智能电网（上海）研发中心主任，上海交通大学信息技术与电气工程研究院副院长，国家科技部863智能电网重大专项总体专家组副组长，教育部科学技术委员会能源与交通学部委员，国际能源署智能电网行动联盟（ISGAN）中国联络办公室主任，教育部新世纪优秀人才，长期从事输变电设备状态监测与高电压技术的研究。研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖4项。
钱勇，上海交通大学电气工程系副教授，从事高压电力设备绝缘在线监测技术领域的理论及实验研究。共录用发表SCI和EI收录的学术期刊论文66篇；获得授权国家发明专利8项。在相关研究领域参与863智能电网项目2项，参与国家自然科学基金项目2项，科技部国际合作项目1项。并参与局部放电带电检测培训教材、状态检修丛书、相关标准的撰写和评审。相关研究成果于2015年获得上海市科技进步一等奖。
本文为了探究新型环保气体中流注的产生机理和发展过程，为局部放电的光学检测和可靠诊断提供理论基础，通过COMSOL仿真直流电压下C4F7N/CO2混合气体中针板模型一次流注到二次流注的放电过程，将电子和离子的产生与运动通过连续性方程进行表示，获得流注发展过程中电场的变化规律和光通量的密度分布。
SF6因其具有优异的绝缘和理化性能而广泛的应用于气体绝缘输电线路当中。但是由于SF6具有严重的温室效应，所以C4F7N/CO2作为其一种替代气体具有较高的研究和应用价值。目前，国内外学者针对C4F7N/CO2 混合气体的绝缘和理化性能的研究主要集中于饱和蒸汽压、临界击穿场强、有效电离系数、与SF6的介电强度对比等方面，对C4F7N/CO2混合气体中尖端缺陷的流注产生机理和发展规律的研究较少。
本文将流注的放电过程等效为流体模型进行求解，将等离子体视为流体，建立电子、阳离子和阴离子的对流扩散方程，并与电场控制的泊松方程相互耦合。运用COMSOL对环保气体中针板模型的一次流注到二次流注放电过程进行仿真。通过空间电荷密度的变化分析了空间电场强度和光通量随流注传播过程的变化规律，并拟合得到一次流注传播过程中光通量的变化函数。
在COMSOL中设置针板放电的几何模型和网格剖分如图1所示。
图1 针板的几何模型与网格剖分
本文将流注的仿真发展过程分为三个阶段：初期、中期、后期和二次流注阶段。
流注发展初期，由于电极头部的电场强度很高，大于气体的电离强度，将会产生大量的阳离子和电子，由于离子的运动速度远小于电子，随着阳离子的堆积，空间电荷效应越来越显著。初期的空间电荷分布如图2所示。
图2 初期空间电荷分布图
流注发展中期，由于流注前方通道的背景电场较小，一次流注的发展速度较慢，在一次流注的发展中期，光通量将会先缓慢下降然。其中，15ns到45ns轴线出的光通量变化如图3所示。
图3 15-45ns轴线出光通量的变化
流注发展后期，随着流注头部与阴极之间的电场强度不断升高，流注头部的移动速度也越来越快，流注发展进入快流注阶段。在流注发展的后期，流注头部越来越靠近阴极，头部的电场强度越来越大，两侧的等离子体鞘层轮廓越来越模糊，流注尾部靠近阳极区域的电场强度升高。
这是由于阴极附近的大量电子通过流注通道进入阳极，同时中和了等离子体鞘层中部分的阳离子，削弱了空间电荷效应对通道内部电场的抑制。图4为45ns到85ns轴线处光通量的分布图。
图4 45-85ns轴线处光通量分布
二次流注阶段，一次流注在与阴极接触时，电场将会迅速地重新分配，同时在阴极附近会产生大量的电子和离子，这部分阳离子不断的堆积在阴极表面，抵消了一部分阳极的电场，使得阴极附近的电场强度迅速减小。
本文通过COMSOL对环保气体中针板模型一次流注到二次流注的放电过程进行了仿真，通过空间电荷密度的变化分析了流注发展过程中空间电场强度和光通量的变化规律，认知了C4F7N/CO2混合气体中流注的产生机理，为局放光学检测及可靠诊断提供理论基础。
臧奕茗, 钱勇, 刘伟, 宋辉, 江秀臣. C4F7N/CO2混合气体中尖端缺陷的流注放电仿真研究[J]. 电工技术学报, 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.