[發(fā)明專利]一種絕緣油中流注放電三維動態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410380049.4
• 申請日: 2014-08-04
• 公開（公告）號: CN104199717B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 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（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);國家電網(wǎng)公司;國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455;G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司61200
• 代理人: 徐文權(quán)

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于高電場下液體電介質(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、消散動態(tài)與電荷分布特性數(shù)值模擬。

【背景技術(shù)】

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。長期以來，關(guān)于絕緣油中放電國內(nèi)外開展了大量實(shí)驗研究，主要集中在直流、工頻和雷電沖擊等激勵下，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗結(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)識并不一致。

實(shí)驗研究液體電介質(zhì)放電特性的方法包括測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，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)動等過程的測量上存在很大難度，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算的關(guān)鍵參數(shù)，如相對分子間距、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，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)放電微觀動態(tài)演化特性和放電通道分叉行為機(jī)理，同時對液體電介質(zhì)中的放電危害性評價提供有力的數(shù)據(jù)支撐，具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的在于針對現(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絕緣油放電時電場、荷電粒子濃度的分布，而且能夠模擬放電點(diǎn)附近的擾動、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，定量評估放電通道形成過程中空間電荷效應(yīng)的影響，對液體電介質(zhì)中的放電危害性評估研究中提供重要的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種絕緣油中流注放電三維動態(tài)演化過程的數(shù)值模擬方法，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，設(shè)定求解域和邊界；

2)建立描述絕緣油中放電物理過程的電流體動力學(xué)模型：具體地說，包括以下方程組：

式中：為拉普拉斯運(yùn)算符；

ρ_p、ρ_n和ρ_e分別是放電空間的正離子、負(fù)離子和電子的密度；

μ_p、μ_n和μ_e分別為放電空間的正離子、負(fù)離子和電子的遷移率；

t表示絕緣油中的放電時間；

表示絕緣油中電荷密度產(chǎn)生速率源項；

ε表示介電常數(shù)，ε＝ε₀ε_r，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r為相對介電常數(shù)；

e為電子電量；

為電場電位；

為電場強(qiáng)度；

R_pe與R_pn分別表示放電空間的正離子-電子復(fù)合率與正-負(fù)離子復(fù)合率；

τ_a表示絕緣油中電子吸附時間；

T、v、ρ_l、c_v和k_T分別為絕緣油的溫度、流動速度、密度、比熱和熱導(dǎo)系數(shù)；

用項來反映在高電場下帶電粒子運(yùn)動所產(chǎn)生的焦耳熱，其中為電流密度，