GIS隔離開關(guān)瞬態(tài)電弧的建模與仿真.pdf

1、GIS中隔離開關(guān)操作能夠產(chǎn)生特快速瞬態(tài)現(xiàn)象，因其中的特快速瞬態(tài)過電壓(Very Fast Transient Overvoltage，VFTO)幅值高、陡度大，對(duì)設(shè)備絕緣具有一定威脅。仿真能夠節(jié)省時(shí)間和資源，是研究特快速瞬態(tài)現(xiàn)象的重要手段。但是現(xiàn)有的隔離開關(guān)電弧模型（包括固定電阻、時(shí)變電阻模型等）不能準(zhǔn)確反映電弧的瞬態(tài)變化，因此仿真存在不準(zhǔn)確、難于外推等缺點(diǎn)，限制了仿真研究的發(fā)展。其根源在于缺乏對(duì)電弧中微觀物理過程的深入模擬。粒子模擬方

2、法(Particle In Cloud，PIC)能夠模擬微觀粒子在電磁場作用下的集體運(yùn)動(dòng)，在真空器件等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是一種很有前景的基于微觀的仿真模擬方法。但是現(xiàn)有的PIC方法不能應(yīng)用于隔離開關(guān)電弧的模擬。主要是PIC模型中缺少適用于高氣壓下的碰撞、光電離、陰極光電發(fā)射模型等。因此，有必要對(duì)基于PIC的隔離開關(guān)電弧模型開展研究，進(jìn)而仿真研究特快速瞬態(tài)現(xiàn)象。
　　現(xiàn)有的PIC方法一般應(yīng)用于低氣壓或者真空等離子體的模擬。而隔

3、離開關(guān)中的SF6放電具有氣壓高、粒子數(shù)目大的特點(diǎn)?，F(xiàn)有的PIC采用超粒子模型(SuperParticle Model)解決粒子數(shù)量問題。但是超粒子模型是一種無碰撞算法，無法處理SF6放電中的粒子碰撞。因此，本文提出了抽樣粒子模型(Sample Particle Model)。抽樣粒子是與全粒子速度分布相同的少量粒子，通過計(jì)算它們的運(yùn)動(dòng)和碰撞來獲得新的速度分布，采用統(tǒng)計(jì)-再抽樣算法使抽樣粒子與全粒子保持相同的速度分布。抽樣粒子模型能夠處理

4、碰撞，并能減少計(jì)算量，解決了SF6放電氣壓高、粒子多的問題。
　　現(xiàn)有的PIC中沒有光電離和陰極光電發(fā)射的模型，但在高氣壓SF6中光電離和陰極光電發(fā)射是放電過程中的重要機(jī)制。本文提出了一種光電離、陰極光電發(fā)射的模型及其高效算法。該模型把光電離和陰極光電發(fā)射看作光子參與的碰撞反應(yīng)。并且利用了光速和碰撞截面的不變性，在蒙特卡洛碰撞(Monte Carlo Collision，MCC)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，使其計(jì)算效率有很大提升。
　

5、　由于高氣壓SF6放電缺少基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了驗(yàn)證上述兩種算法的正確性，本文采用了文獻(xiàn)中氬氣放電的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真的對(duì)比驗(yàn)證。用實(shí)測電子漂移速度、電離碰撞系數(shù)驗(yàn)證了抽樣粒子模型的正確性。通過觀察有無陰極光電發(fā)射、光電離算法時(shí)氣體間隙中的電子的增殖過程，驗(yàn)證了陰極光電發(fā)射、光電離算法的有效性。仿真還獲得了放電通道的伏安特性，與實(shí)測數(shù)據(jù)能夠很好吻合。
　　考慮到SF6是一種電負(fù)性氣體，本文建立了SF6吸附與復(fù)合算法，實(shí)現(xiàn)了粒子模擬與電

6、路仿真的結(jié)合，形成了基于PIC的隔離開關(guān)瞬態(tài)電弧模型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了252kV GIS中的VFTO仿真模型。仿真分析了252kV GIS中單次擊穿VFTO波形，與現(xiàn)有指數(shù)模型相比，本文模型VFTO幅值的誤差減小了13％左右，較大的提高了仿真精度，波形中高頻振蕩的衰減也更接近試驗(yàn)結(jié)果。建立了隔離開關(guān)分合閘全過程隨機(jī)模型，仿真獲得了VFTO波形的統(tǒng)計(jì)特性，其統(tǒng)計(jì)分布也與實(shí)測分布非常接近。本文中的建模方法對(duì)特高壓VFTO特性的研究具