一種絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，該方法首先建立絕緣油中放電模型和描述絕緣油中放電物理過程的電流體動(dòng)力學(xué)模型，然后確定控制方程中的物理量參數(shù)、設(shè)定物理擾動(dòng)點(diǎn)、確定邊界條件以及對(duì)求解域和邊界進(jìn)行網(wǎng)格剖分，利用有限元軟件對(duì)控制方程進(jìn)行數(shù)值求解和后處理，得到流注放電中電場(chǎng)強(qiáng)度、粒子濃度分布特征和放電通道分叉行為的時(shí)空演化動(dòng)態(tài)。本發(fā)明能夠直接估計(jì)絕緣油放電時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度、荷電粒子濃度分布，定量評(píng)估放電通道形成過程中空間電荷效應(yīng)的影響，而且能模擬由隨機(jī)擾動(dòng)造成的放電分叉行為，為液體電介質(zhì)中放電危害性評(píng)估的研究提供重要數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。
【專利說明】一種絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于高電場(chǎng)下液體電介質(zhì)放電領(lǐng)域，具體涉及一種絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，該方法適用于絕緣油中流注放電過程中分叉行為、帶點(diǎn)粒子增殖、消散動(dòng)態(tài)與電荷分布特性數(shù)值模擬。
【【背景技術(shù)】】
[0002]絕緣油作為優(yōu)良的工程液體電介質(zhì)廣泛應(yīng)用于大型電力設(shè)備與脈沖功率裝置中，而高電場(chǎng)下的電氣絕緣與放電問題是限制這類設(shè)備整體性能與可靠性的瓶頸之一。液體電介質(zhì)中的擊穿通常被認(rèn)為是一種流注放電形式，意指所有形式的導(dǎo)電通道形成，如彌散狀、樹枝狀放電。流注放電極易發(fā)展成為沿面閃絡(luò)或直接擊穿事件，直接破壞絕緣性能造成電力設(shè)備和裝置故障，影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。長(zhǎng)期以來，關(guān)于絕緣油中放電國(guó)內(nèi)外開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，主要集中在直流、工頻和雷電沖擊等激勵(lì)下，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果受外施電壓波形、極性、電極結(jié)構(gòu)、間隙距離等因素的影響很大，對(duì)液體電介質(zhì)放電機(jī)理特別是介質(zhì)的本征特性認(rèn)識(shí)并不一致。
[0003]實(shí)驗(yàn)研究液體電介質(zhì)放電特性的方法包括測(cè)量脈沖電流值得到視在放電量、放電次數(shù)等信息，以及放電過程輻射出的電磁波、光、聲等宏觀量的觀測(cè)，而在直接描述絕緣油中放電的起始、發(fā)展、消散特別是帶電粒子的倍增、運(yùn)動(dòng)等過程的測(cè)量上存在很大難度，需要借助數(shù)值仿真來進(jìn)一步研究放電過程。而對(duì)于絕緣油中放電過程的模擬，西安交通大學(xué)等單位已開展了二維仿真，且取得部分的結(jié)果，特別是獲得了變壓器油中模擬計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，如相對(duì)分子間距、變壓器油電離概率函數(shù)。但二維仿真不能描述由外界物理隨機(jī)擾動(dòng)，如電介質(zhì)局部密度改變、局部介電常數(shù)變化等因素造成的液體電介質(zhì)放電分叉行為、樹枝結(jié)構(gòu)，迫切需要開展絕緣油中全三維放電仿真的研究，這不僅有利于全面揭示液體電介質(zhì)放電微觀動(dòng)態(tài)演化特性和放電通道分叉行為機(jī)理，同時(shí)對(duì)液體電介質(zhì)中的放電危害性評(píng)價(jià)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種絕緣油中流注放電全三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，該方法不但可以直接估計(jì)絕緣油放電時(shí)電場(chǎng)、荷電粒子濃度的分布，而且能夠模擬放電點(diǎn)附近的擾動(dòng)、電介質(zhì)局部密度和介電常數(shù)的改變等隨機(jī)因素造成的放電通道分叉、分裂行為，定量描述放電通道樹枝狀結(jié)構(gòu)以及正、負(fù)放電的區(qū)別，定量評(píng)估放電通道形成過程中空間電荷效應(yīng)的影響，對(duì)液體電介質(zhì)中的放電危害性評(píng)估研究中提供重要的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟:
[0007]I)建立絕緣油中三維放電模型:首先確立絕緣油中放電電極結(jié)構(gòu)，然后利用繪圖軟件繪制絕緣油中放電電極結(jié)構(gòu)，確定放電電極的形狀尺寸、電極曲率半徑以及不同介質(zhì)區(qū)域；
[0008]2)建立描述絕緣油中放電物理過程的電流體動(dòng)力學(xué)模型:具體地說，包括以下方程組:
【權(quán)利要求】
1.一種絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)建立絕緣油中三維放電模型:首先確立絕緣油中放電電極結(jié)構(gòu)，然后利用繪圖軟件繪制絕緣油中放電電極結(jié)構(gòu)，確定放電電極的形狀尺寸、電極曲率半徑以及不同介質(zhì)區(qū)域； 2)建立描述絕緣油中放電物理過程的電流體動(dòng)力學(xué)模型:具體地說，包括以下方程組:
式中:V為拉普拉斯運(yùn)算符； Ρρ> 0?和Pe分別是放電空間的正離子、負(fù)離子和電子的密度； μ P、1^和μ e分別為放電空間的正尚子、負(fù)尚子和電子的遷移率； t表示絕緣油中的放電時(shí)間； 叫|?)表示絕緣油中電荷密度產(chǎn)生速率源項(xiàng)； ε表示介電常數(shù)，ε = B0B1, Sci為真空介電常數(shù)，為相對(duì)介電常數(shù)； e為電子電量； 黌為電場(chǎng)電位; E為電場(chǎng)強(qiáng)度； Rpe與Rpn分別表不放電空間的正離子_電子復(fù)合率與正_負(fù)離子復(fù)合率； T a表示絕緣油中電子吸附時(shí)間； T、V、P P Cv和kT分別為絕緣油的溫度、流動(dòng)速度、密度、比熱和熱導(dǎo)系數(shù)； 用U項(xiàng)來反映在高電場(chǎng)下帶電粒子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的焦耳熱，其中J為電流密度，J = Ppup-PJie-PJ^n; 3)確定步驟2)中控制方程的物理量參數(shù)，包括放電空間的正離子-電子復(fù)合率Rpe、正-負(fù)離子復(fù)合率Rpn、正離子遷移率μ p、負(fù)離子遷移率μ n、電子遷移率Ue以及絕緣油中電子吸附時(shí)間Ta; 4)設(shè)定放電空間中的物理擾動(dòng)點(diǎn)，設(shè)置的物理擾動(dòng)點(diǎn)包括絕緣油介電常數(shù)變化、絕緣油密度不均勻以及局部電離能變化； 5)確定步驟I)中所述的絕緣油放電區(qū)域仿真邊界條件:對(duì)電極與絕緣油接觸邊界、遠(yuǎn)場(chǎng)邊界以及連續(xù)邊界進(jìn)行標(biāo)定； 6)對(duì)步驟I)和4)中所述的求解域和邊界進(jìn)行網(wǎng)格剖分:不同求解域和邊界設(shè)定網(wǎng)格參數(shù)，包括最大單元尺寸、單元增長(zhǎng)率和網(wǎng)格劃分方法； 7)結(jié)合步驟5)對(duì)步驟I)中的方程組進(jìn)行數(shù)值求解:利用有限元仿真軟件對(duì)油中放電模型進(jìn)行求解，估計(jì)計(jì)算時(shí)間、設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)和誤差容忍度； 8)對(duì)步驟7)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到流注放電電場(chǎng)強(qiáng)度、粒子濃度分布特征和流注分叉行為的動(dòng)態(tài)演化動(dòng)態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，其特征在于，絕緣油相對(duì)介電常數(shù)ε ,取為變壓器油介電常數(shù)2.2 ;油密度取880kg/m3，油比熱取1.7 X 13JAg.K 以及熱導(dǎo)系數(shù)取 0.13ff/m.K。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟I)中，絕緣油中放電電極結(jié)構(gòu)為針-板、針-球以及球-球三種典型放電結(jié)構(gòu)中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟2)中，電荷密度產(chǎn)生速率源項(xiàng)(纟(|#的計(jì)算公式如下:
式中:h表示普朗克常量； a為絕緣油的分子間距； m*表示絕緣油中的有效電子質(zhì)量； n0表示可被電離的分子基團(tuán)數(shù)密度； /4?表示液體電介質(zhì)的電離能函數(shù)，
Atl和Y為電離能函數(shù)參數(shù)，其中，△ ο表示絕緣油分子本征電離能，Y表示電離能估計(jì)修正系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣油中流注放電三維動(dòng)態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟5)中，對(duì)電極與絕緣油接觸邊界、遠(yuǎn)場(chǎng)邊界以及連續(xù)邊界進(jìn)行標(biāo)定，具體如下: a)對(duì)于泊松方程(4)，高壓電極設(shè)定為高電壓激勵(lì)，電壓形式為脈沖、直流或交流，地電極的電位設(shè)定為零，對(duì)于計(jì)算區(qū)域的各個(gè)面邊界取零電荷邊界條件η.D = 0； b)對(duì)于三個(gè)流體方程(I)、(2)及(3)，高壓電極與地電極均取對(duì)流擴(kuò)散條件η.(-D V P ) = O,計(jì)算區(qū)域的各個(gè)面邊界取零電荷邊界條件η.N = O,其中N = P μ E ; c)對(duì)于熱傳導(dǎo)方程(5)，計(jì)算區(qū)域的各個(gè)面邊界均取熱絕緣邊界-η.(-k VT) =O0
【文檔編號(hào)】G06F9/455GK104199717SQ201410380049
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月4日
【發(fā)明者】張冠軍, 李元, 穆海寶, 朱明曉, 魏艷慧, 鄧軍波, 張偉政, 李智敏 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司