流注放电

在强电场作用下发生碰撞电离，伴随着空间电荷引起的电场畸变和光电离，形成的游离电位

流注放电是指在强电场作用下发生碰撞电离，伴随着空间电荷引起的电场畸变和光电离，形成的游离电位。随着我国特高压输电和紧凑型输电工程的深入开展，输变电工程在满足安全运行的前提下，需要优化输变电工程的空气间隙结构，是高电压工程急需解决的关键问题之一。而决定输变电工程空气间隙结构的关键因素是长空气间隙的放电特性，因此研究长空气间隙放电特性对于特高压输电和紧凑型输电具有重要意义。

简介

随着我国特高压输电和紧凑型输电工程的深入开展，输变电工程在满足安全运行的前提下，需要优化输变电工程的空气间隙结构，是高电压工程急需解决的关键问题之一。而决定输变电工程空气间隙结构的关键因素是长空气间隙的放电特性，因此研究长空气间隙放电特性对于特高压输电和紧凑型输电具有重要意义。流注作为长间隙发生先导和击穿的起始阶段，流注的传播对间隙击穿有着重要的影响。于是流注的起始和传播特性成为亟待解决的关键问题而引起人们越来越多的关注。

大气压下不同气体的流注放电特性

由于受到测量手段的限制，尚很少有人直接观测流注的内部物理参数(如电子密度、电子能量等)。因此数值仿真成为人们研究流注放电特性的一个重要方法。流注放电过程一般采用流体模型(Boltzmann 方程的不同阶速度矩量)进行求解，流体模型由粒子连续性方程耦合泊松方程组成，光电离作为源项加在电子和正离子的连续性方程上。

由于流体模型中连续性方程是对流占优的对流扩散方程，且粒子密度梯度变化非常大，因此许多学者致力于准确求解此对流扩散方程。求解此对流扩散方程主要有2种方法：一是改进的Scharfetter-Gummel(ISG)算法；二是通量输运校正(flux corrected transport，FCT)方法。

ISG 算法主要难点在于参数ε的选择；采用FCT方法时通量限制器算法对解的精度和效率均有较大的影响。另外，由于泊松方程的求解可能占总仿真时间达80%以上，有些学者致力于泊松方程的快速求解。认识到光电离对流注的空间传播起着非常重要的作用，因此很多学者转向对光电离进行研究。但他们主要集中在光电离的快速求解上，如：Kulikovsky 把流注通道的光电离近似认为在径向圆盘或者圆柱环上是均匀的，这样能把3重积分转化为1重或者2重积分；Luque、Bourdon等人把光电离的积分模型转化为一组Helmholtz微分方程进行求解；Ségur、Bourdon等人用简化球谐法(simplified spherical harmonics，SPN)对辐射输运方程(radiative transfer equation，RTE)进行求解代替光电离的积分计算。为了探索光电离强度对流注的空间传播所起的作用，有学者尝试用不同背景预电离水平代替光电离研究流注传播特性，也有学者研究不同熄灭压强(quenching pressure)下空气中流注传播特性。

不同湿度下空气的流注放电特性

输变电工程的空气间隙结构主要由其空气间隙的放电特性所决定，因此研究空气间隙特别是长空气间隙的放电特性对于我国特高压输电和紧凑型输电具有重要意义。流注作为空气间隙发生先导和击穿的起始阶段，流注传播对间隙的击穿有着重要的影响，于是流注的传播特性引起了越来越多的关注。流注还具有广泛的工业化应用背景如材料表面改性、污染物控制等。

由于受到测量手段的限制，数值仿真成为人们研究流注放电特性的一个重要方法。流注放电过程一般采用流体模型(Boltzmann方程的一阶Legendre多项式近似)进行求解，流体模型由粒子连续性方程耦合Poisson方程组成，光电离作为源项加在电子和正离子连续性方程上。

国内外研究人员主要针对大气压下氮气和空气的流注放电过程进行了大量的数值模拟研究。比较有代表性的有：Dhali和Williams对平行板中氮气正流注发展过程进行的仿真；Vitello对平行板中氮气的负流注发展过程进行的仿真；Morrow和Lowke对空气中的正流注发展过程进行的仿真。这些研究使人们对流注传播速度、电子数密度分布、流注传播的影响因素(如气压、光电离强度、电场强度和电场均匀程度等)有了较清晰的认识。

对于实际的输变电工程空气间隙，空气不可避免含有一定量的水分子，水分子不仅可以作为光致电离的另一个吸收体(除O2分子外)，还可以对激发态N2分子有熄灭作用。因此湿度对空气中的流注放电过程有何影响成为我们的关注点。主要研究了不同空气湿度下双向流注传播特性如流注通道半径、流注发展速度等。

初始电子浓度对正极性流注放电的影响

气体放电低温等离子体技术在工业领域如材料的表面改性、消毒和刻蚀等方面都具有潜在的应用价值，已成为等离子体应用领域新的研究热点。而流注放电作为气体放电的早期阶段引起人们越来越多的关注。气体放电低温等离子体研究模型主要有3种：动理学模型、流体力学模型和混合模型。针对不同的放电形式，每种模型都有自己的优势和不足。流注的理论研究工作主要是采用流体力学模型的数值计算分析，该模型包含电子、正负离子的连续性方程和局域场近似的泊松方程。模型描述了流注放电过程中带电粒子随时间的演化过程。一般情况下间隙中初始电子浓度的大小对粒子随时间的演化过程有一定的影响，但现有的流注放电研究文献鲜有报道这一影响规律，且初始电子浓度CeO取值也存在较大的差异，如CeO=109、1013、1014m－3。为此将研究初始电子浓度对空气中针板间隙正极性流注放电的影响。

采用有限元软件COMSOL　Multiphysics求解气体放电流体力学模型中电子、正负离子的连续性方程和电场的泊松方程。利用该软件求解气体放电的流体力学模型已经得到了学术界的认可。由于这类连续性方程是对流项占优的方程，所以直接利用有限元法求解这类对流项占优的连续性方程时存在严重的数值扩散和数值色散的问题。针对该问题，在求解过程中选择了软件提供的数值稳定技术之一“SOLD（spurious　oscilla－tions　at　layers　diminishing）稳定方法”，该方法有效地抑制了数值扩散和数值色散。而针对计算过程中可能出现的粒子浓度负值问题，通过对原始连续性方程进行指数化处理来予以解决。

短间隙流注放电数值仿真方法

流注放电是间隙放电研究的重要内容与切入点，摸清其放电机制，有利于更长间隙放电过程的研究。迄今为止，实验仍是研究流注放电过程的最重要方法，但仅靠现有实验手段与已有实验数据仍无法完全明晰放电过程的微观机制，也无法获取放电通道内带电粒子密度分布及局部场强分布等微观参数。

随着计算机运算能力的大幅提升和数值计算方法的巨大进步，回归到求解气体放电物理方程来研究流注放电已成为可能。另一方面，初步研究表明，正确的数值仿真可以获得与实验基本一致的结果。

因此，数值仿真成为推动气体放电理论发展的一种重要方法。通过比较数值仿真与实验结果的异同，优化参数选取，改进计算模型，有利于建立更接近真实情况的流注放电模型，更深入地了解间隙放电过程的微观规律，获得很难通过实验测得的某些关键放电参数，如放电通道内的粒子密度、场强分布及粒子能量密度分布等，从而加深对放电物理过程的理解。

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