基于声脉冲法直流负电晕气体空间电荷测量研究

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发展特高压输电工程依旧是我国电力事业发展的一项重要举措。特高压输电工程的快速发展对电磁环境的评估方法提出了更为严苛的要求。其中,离子流场是电磁环境计算和评估的重要参数。尽管目前所采用的离子流场数值计算模型,在计算精度、计算效率和算法稳定性上取得了不错的研究成果,但是数值模型中采用各类假设,导致离子流场的评估结果与现场测量结果差异很大。这种差异在复杂工况和极端气候条件下表现得尤为突出。相比于数值计算模型,气体空间电荷测量提供了一种更为直接、有效评估方式。气体空间电荷的测量结果直接反映了空间电荷的分布特性,能更加切实地指导工程电磁环境的评估。因此,开展气体空间电荷实验测量方面的研究对特高压输电线路的建设有着积极的指导意义。其次,气体空间电荷的测量有助于进一步完善气体放电理论,深化对气体放电机理的认识,有助于进一步完善气体放电的理论计算模型。总的来说,气体空间电荷测量工作具有重要的理论研究和工程实际应用价值本文首先对气体空间电荷测量方法进行了探究。基于声脉冲法,提出了一种的改进的气体空间电荷测量方法,该方法利用声激发电场、声压和电荷密度之间的数值关系,间接测量声激发电场和声压,从而得到电荷密度;并在电荷密度近似均匀分布的多针板电极模型中,论证了该测量方法的有效性。为模拟输电线路电晕放电气体空间电荷的测量,本文搭建了电晕笼气体空间电荷测量平台,利用电晕笼模拟输电线路电晕放电情形,应用改进的声脉冲法,建立起了电晕笼气体空间电荷测量的数值模型;该模型将气体空间电荷测量中三个关键参数,气压、电荷密度和声激发电场相统一,得到了三者之间的数值关系及求解方法,是电晕笼气体空间电荷测量的理论基础。最终,本文首次实现了电晕笼直流负电晕气体空间电荷的测量。论文取得的主要创新性成果有:(1)基于声脉冲法,研究得到了一种改进的气体空间电荷测量方法。该方法将数值算法应用到声脉冲法气体空间电荷测量中,用数值关系代替函数解析关系,从而实现气体空间电荷密度与声激发电场和声压之间的解耦;研究了空间电荷均匀分布、一维分布、二维和三维分布时,空间电荷的测量问题及其声源的设计要求。(2)基于改进的声脉冲法,提出了电晕笼气体空间电荷测量的数值模型,并搭建了电晕笼气体空间电荷测量平台。数值模型得到了超声换能器作用下电晕笼内声压分布特性、离子流场分布特性、空间电荷在声脉冲作用下产生的声激发电场的时频域特性及反演算法;数值算法诠释了如何根据声激发电场和声压实现气体空间电荷的测量,测量平台则提供了气体空间电荷测量的实现途径。(3)基于电晕笼气体空间电荷测量平台和数值模型,首次实现了电晕笼直流负电晕下气体空间电荷的测量;基于cos相似度、皮尔逊相关系数和最大电荷密度比率三个表征参量,对实验测量结果和理论计算结果进行了深入讨论分析,研究了理论模型中Kaptzov假设对计算结果的影响。
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