山火对输电线路间隙放电影响的数值模拟研究

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近年来,我国采取一系列措施保护自然资源并取得突出成果,各地绿色植物覆盖率明显提高,植被种类也愈发多样化。为了实现电力能源的跨区域输送,大量输电线路建设于广袤的山林地区。然而,由于温室效应加剧以及人类不规范用火行为的增加,大型山火的爆发概率大大提高。山火爆发时具有多灰烬、高温、多带电粒子等典型特征,在这些因素作用下,输电线路间隙放电现象频发,甚至导致大规模线路停运事故,严重威胁电网的安全稳定运行。针对山火频发引起间隙放电的问题,国内外学者通过进行模拟试验取得了一系列成果。但由于技术手段受限,难以观测火焰影响下放电微观物理量的变化,因此无法从机理上解释山火与空气间隙放电的相互作用规律。本文采用数值模拟的方法,分别研究了山火爆发时呈现的三个典型特征(燃烧颗粒物、火焰温度、带电粒子)对间隙放电的影响规律,不仅揭示了山火条件下间隙放电的微观物理规律,还拓展了采用数值模拟方法研究山火等极端条件下间隙放电机理的新思路。论文的主要研究内容包含以下几个部分:(1)分析山火条件下间隙流注放电机理,介绍山火中燃烧颗粒物、火焰高温以及带电粒子三种典型特征,并分别针对各个特征对线路间隙放电特性的作用方式进行讨论。(2)根据流体场、温度场、电场与颗粒运动的相互作用机理,建立多物理场耦合模型,通过数值模拟来体现火焰中颗粒的运动状态以及分布情况;进一步地,分析固体颗粒对于间隙内电场分布的影响,并就颗粒性质与电场畸变作用的关系进行了讨论,进而说明山火生成的灰烬颗粒对间隙放电的影响机制。(3)基于等离子体流体力学理论,建立模拟山火条件下放电特点的棒-板空气间隙流注放电模型,确定具体的模型控制方程以及边界条件;分析常态理想空气环境下流注放电微观特性,并将仿真结果与经验公式计算结果进行对比,验证所提出模型的有效性。(4)分别就山火高温和多带电粒子两个典型特征对流注放电的影响展开分析。计算不同温度下流注放电的平均发展速率、电场强度以及电子密度,分析温度对流注放电的影响规律;结合火焰间隙中带电粒子分布特点,探究带电粒子数密度与流注发展速率和头部电场等放电特征的关系。
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