[發明專利]一種考慮溫度與電場梯度影響的直流電纜空間電荷分布的仿真方法在審

申請號：	201910488937.0	申請日：	2019-06-06
公開（公告）號：	CN110427637A	公開（公告）日：	2019-11-08
發明（設計）人：	陳繼明;高穎;朱明曉	申請（專利權）人：	中國石油大學（華東）
主分類號：	G06F17/50	分類號：	G06F17/50
代理公司：	暫無信息	代理人：	暫無信息
地址：	266580 山***	國省代碼：	山東;37
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摘要：
搜索關鍵詞：	直流電纜空間電荷電場梯度絕緣層理論分析溫度梯度研究技術領域電纜絕緣層邊界條件電場分布電荷輸運電氣性能多物理場分布特性物理模型電場耦合內空間物理場二維網格積累
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【權利要求書】：

1.一種考慮溫度與電場梯度影響的直流電纜空間電荷分布的仿真方法，其特征是，包括：

S1：建立直流電纜圓形截面的二維物理模型；

S2：直流電纜絕緣層空間電荷注入的理論分析；

S3：絕緣層內空間電荷輸運和積累的理論分析；

S4：添加物理場，并進行多物理場耦合；

S5：根據實際運行情況進行參數和邊界條件的設定；

S6：基于有限元法對該模型進行網格剖分，仿真得到不同溫度梯度和電場梯度作用下的直流電纜絕緣層空間電荷和電場分布結果。

2.根據權利要求1所述的一種考慮溫度與電場梯度影響的直流電纜空間電荷分布的仿真方法，其特征在于S1所述的直流電纜的模型是圓形截面的二維物理模型，沿徑向的結構分別為纜芯、導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層。

3.根據權利要求2所述的一種考慮溫度與電場梯度影響的直流電纜空間電荷分布的仿真方法，其特征在于：步驟S2具體為，電子和空穴需越過勢壘阻擋，分別從絕緣層外側和內側注入，注入電流密度可采用Schottky模型描述：

其中，R_out和R_in分別表示絕緣層的外徑和內徑；j_e(R_out,t)和j_h(R_in,t)分別為絕緣層外側和絕緣層內側電子和空穴的注入電流密度，單位是A/m²；和分別是電子和空穴的注入勢壘高度,單位是eV；E(R_out,t)和E(R_in,t)分別為絕緣層外側和絕緣層內的電場強度,單位是V/m；ε₀和ε_r分別是真空介電常數和相對介電常數；A是理查德常數，數值為A＝6×10¹²；T是絕對溫度，單位是K；k_B是玻爾茲曼常數；e是元電荷量。

4.根據權利要求3所述的一種考慮溫度與電場梯度影響的直流電纜空間電荷分布的仿真方法，其特征在于：步驟S3具體為，空間電荷進入絕緣層后，電子和空穴分別向絕緣層內側和外側遷移，遷移過程中兩電荷發生入陷、脫陷以及復合反應，空間電荷輸運和積累過程可采用泊松方程、電流連續性方程和傳導方程來描述：

J_a＝j_a/F_const (6)

其中，下標a代表四種載流子，分別為自由電子、陷阱電子、自由空穴和陷阱空穴；r代表絕緣層任意半徑位置，j(r,t)是電流密度，單位是A/m²；J_a為轉換后的通量，單位mol/(m²·s)，F_const為法拉第常數，值為96485.3365C/mol；ρ(r,t)是凈電荷密度，單位是C/m³；u_a表示電荷的電遷移速度，單位是m/s；μ_a是電荷的遷移率，單位是m²/(V·s)；E(r,t)是電場強度，單位是V/m；n_a是電荷濃度，單位是mol/m³；s_i是源項，表示介質中的載流子的動力學反應項，包括載流子的入陷、脫陷以及復合等過程，單位mol/(m³·s)，分別為：

其中，復合反應速率s₁～s₄的單位為mol/(m³·s)，n_ec、n_et、n_hc、n_ht分別表示自由電子、陷阱電子、自由空穴和陷阱空穴的濃度，單位是mol/m³，N_e和N_h分別表示電子和空穴的陷阱密度，單位是mol/m³。S₀為受陷電子和受陷空穴的復合系數，S₁為受陷電子和自由空穴的復合系數，S₂為自由電子和受陷空穴的復合系數，S₃為自由電子和自由空穴的復合系數，單位是m³/(mol·s)。B_e和B_h為入陷系數，D_e和D_h為脫陷系數，單位均為1/s。