电晕放电离子种类与迁移速度分布实验研究及其动态演变建模

The electromagnetic environment problem caused by corona discharge in UHV transmission line becomes a major constraint to the design of conductor structure and type. The electromagnetic environmental parameters such as the electric field on the ground, the ion flux density and corona losses are mainly decided by the corona field distribution. The corona field distribution is the result of the discharge in ionization region and the ion transportation in conduction region. Various ions in conduction region have different ion mobility. Therefore, in-depth study on the main ion species and its drift velocity distribution is the key to reveal the mechanism of electromagnetic environment problem.. The corona discharge experiment will be performed in a large-scale humidity and pressure controlled vessel. The mass spectrometry will be used to diagnostic ion species produced under different humidity and measure the relative concentrations of major ions. For the first time the Doppler shifted laser induced fluorescence (DSLIF) spectroscopy is introduced into corona discharge diagnostics. The synchronized diagnostic system of corona current, voltage and the drift velocity will be built. The velocity distribution of major ions will be measured in the drift region by DSLIF. A zero-dimensional plasma chemical reaction model, which considers the influence of water molecules, will be built. The dynamic evolution of major ions under different time scales will be calculated. In this project, the ion transport properties in the corona drift region will be investigated quantitatively from the microscopic point by the experiment and simulation. Thus the understanding of the gas discharge theory and applications will be improved.

特高压输电线路电晕放电引起的电磁环境问题已成为制约线路结构设计与导线选型的重要因素。电磁环境影响参数如地面合成电场、离子流密度和电晕损失等主要由电晕场分布决定。而空间的电晕场分布是电离区的放电和传导区的离子迁移共同作用的结果。传导区各种离子的迁移率不同，深入研究电晕传导区有何种主要离子及其迁移速度是揭示电磁环境机理的关键。. 本项目拟在湿度和气压可控的大尺度放电容器中进行电晕实验，采用质谱法诊断不同湿度下电晕产生的离子种类以及测量离子的相对浓度。首次将多普勒频移激光诱导荧光谱法引入电晕研究，搭建电流、电压和离子迁移速度时空分辨的同步测量平台，研究传导区关键离子的迁移速度分布。建立考虑水分子反应通道的零维等离子体化学反应模型，研究不同时间尺度下电晕放电的离子动态演变过程。综合实验测量和仿真研究，从微观角度定量研究电晕传导区离子迁移特性，推动电晕放电基本理论及应用的进步。

在传统高压领域，电晕放电传导区离子迁移特性与电磁环境效应参数密切相关。不同种类离子迁移率存在差别，因此首先需要判断电晕放电产生的主要离子种类，其次需研究此类离子的迁移速度分布。同时，这两个关键参数对于推动电晕放电新应用至关重要。电晕引起的离子风可用于LED等电子设备的强化散热，而离子迁移速度直接决定了离子风产生的效率。本项目主要针对不同气压和湿度环境下电晕放电特性和机理展开研究，围绕电晕放电模式转化以及放电的气体流动效应取得了如下成果。.建立了一套湿度和气压可控的放电容器模拟不同气候条件下的放电环境，研究了负直流电晕放电从Trichel脉冲到无脉冲辉光的转换机理。实验结果表明，转换电压随着气压和相对湿度的增加而增加；曲率半径较大的针电极出现了Trichel脉冲和无脉冲辉光模式同时存在的过渡过程。建立了考虑气体加热的负电晕放电仿真模型，揭示了直流负电晕放电Trichel脉冲转换为无脉冲辉光的关键机制，在转换过程中气体加热效应比离子迁移率变化以及解离作用更为重要。.其次，建立离子风多维物理参量观测平台，建立了电晕流体方程与气体动力学方程全耦合的自持模型，定量分析了电场，电荷净密度，电流体力和流速的变化规律。通过试验和仿真研究，发现离子风电离区域和离子迁移区域对于气体流动产生的差别，两个区域内部的流速（和电流体力）方向相反。负电晕的气体流速高于低电压下的正电晕，而对于较高电压，流注通道出现导致正极性电晕产生流速较高。相对湿度（从43％到54％）对流速的影响很小，但是在较高湿度下，气流速度会显著降低。通过纹影法技术测量低流速下的气体温度分布，两种极性下都出现了气体加热通道，两种电压极性情况气体温度差异不大。.最后，建立了零维电晕放电等离子体化学动力学模型，该模型共考虑了69种和393个化学反应，包括水分子和CO2反应通道。研究了不同时间尺度下电晕放电的离子动态演变过程。仿真结果表明，H3O+是主要的正离子之一，且其他主要粒子也与以前的实验结果相吻合，湿度也会影响特定物种的最大密度和寿命，改变输入电场的脉宽，等离子体的化学性质也会受到极大影响。

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