GIS隔離開關瞬態(tài)電弧的建模與仿真.pdf

1、GIS中隔離開關操作能夠產(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，對設備絕緣具有一定威脅。仿真能夠節(jié)省時間和資源，是研究特快速瞬態(tài)現(xiàn)象的重要手段。但是現(xiàn)有的隔離開關電弧模型（包括固定電阻、時變電阻模型等）不能準確反映電弧的瞬態(tài)變化，因此仿真存在不準確、難于外推等缺點，限制了仿真研究的發(fā)展。其根源在于缺乏對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動，在真空器件等研究領域有著廣泛的應用，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方法不能應用于隔離開關電弧的模擬。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，有必要對基于PIC的隔離開關電弧模型開展研究，進而仿真研究特快速瞬態(tài)現(xiàn)象。
　　現(xiàn)有的PIC方法一般應用于低氣壓或者真空等離子體的模擬。而隔

3、離開關中的SF6放電具有氣壓高、粒子數(shù)目大的特點。現(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，通過計算它們的運動和碰撞來獲得新的速度分布，采用統(tǒng)計-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。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)的基礎上加以改進，使其計算效率有很大提升。
　

5、　由于高氣壓SF6放電缺少基礎實驗數(shù)據(jù)，為了驗證上述兩種算法的正確性，本文采用了文獻中氬氣放電的實測數(shù)據(jù)進行了仿真的對比驗證。用實測電子漂移速度、電離碰撞系數(shù)驗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、光電離算法時氣體間隙中的電子的增殖過程，驗證了陰極光電發(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，與實測數(shù)據(jù)能夠很好吻合。
　　考慮到SF6是一種電負性氣體，本文建立了SF6吸附與復合算法，實現(xiàn)了粒子模擬與電

6、路仿真的結(jié)合，形成了基于PIC的隔離開關瞬態(tài)電弧模型。在此基礎上，進一步建立了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結(jié)果。建立了隔離開關分合閘全過程隨機模型，仿真獲得了VFTO波形的統(tǒng)計特性，其統(tǒng)計分布也與實測分布非常接近。本文中的建模方法對特高壓VFTO特性的研究具