一种气液混合间隙放电特性的仿真方法与流程

本申请属于高电压与绝缘，具体涉及一种气液混合间隙放电特性的仿真方法。

背景技术：

1、在各种高电压工程的设计中，间隙的选择非常重要。间隙的合理设计既关乎系统的安全稳定运行，又直接影响到工程的造价。因此，在设计工程之前对各种间隙进行实验以研究其放电特性以及所设计的绝缘尺寸是否合理就显得非常重要。并且，通过研究间隙放电也可以寻找工程中可能出现的放电事故的发生以及预防的措施。在以往关于间隙放电的研究中，大多数研究都是针对单一间隙所展开的，即间隙仅由一种介质，包括但不限于空气、某种液体或是某种固体电介质。通过开展单一介质的放电实验，可以获取在不同电压形式、不同状况下某种结构间隙的电压。通过对实验所得的数据进行分析可以总结出相关的规律，从而知道结构设计并为事故的预防提供理论支持。

2、然而，在真实电网工程中的间隙放电情况是十分复杂的，已发生的放电事故中很难出现单一介质下的放电情况。而且，通过对事故调研发现完整的放电过程也不仅仅只发生在单一态的介质中。比如雨水环境下的杆塔上，淋雨后导线-杆塔空气间隙的工频放电电压比淋雨前有不同程度的降低，随着导线-杆塔空气间隙距离的增加其降低幅度逐渐变小。这是由于淋雨后，导线和杆塔构架上挂有大量水滴，在水滴表面其电场强度较高，导致流注易于由此产生、发展，从而降低了间隙的放电电压。随着导线-杆塔空气间隙距离的增大，水滴对整个空间电场的影响相对减小，从而使其工频放电电压变化幅度逐渐变小。除了空气间隙中雨水的介入外，由放电发展过程所导致的物质化学反应而产生的气泡在间隙击穿过程中也可能发挥了重要作用，因此放电的击穿路径实际是发生在“气-液”混合间隙中的。

3、由于放电的多样性和随机性，目前关于由不同态介质比如“气-液”所构成绝缘结构的放电，已有的研究不能满足于绝缘设计和设备运维的需要，已有的实验数据与工程中实际发生的情况所有出入，相关的技术分析仍然较少，气液混合间隙放电所产生的理化效应也是以往的研究所忽略的。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的技术问题，本申请提供一种气液混合间隙放电特性的仿真方法。

2、本申请具体采用以下技术方案予以实现：

3、本申请提供了一种气液混合间隙放电特性的仿真方法，包括如下步骤：

4、s1：几何模型的建立：选择三维空间维度，构建针-板间隙放电的三维模型，所述三维模型包括：气-液两相针板间隙放电的空气域及液体域模型、接地金属板模型、金属针模型；

5、s2：物理场的选择：选择ac-dc下的静电模块和等离子模块求解电子、正负离子对流扩散方程，计算其空气域与液体域的电场与电势分布，并观察其击穿的情况；

6、s3：材料的选取：分别设置棒板间的放电区域为气体和水，针极和板极材料均选择为铝；

7、s4：网格的划分：网格形状选择四面体网格，网格划分方式选择物理场控制网格，划分的精细程度选择极细化；

8、s5：仿真分析计算：参考电子在棒板间隙放电中的产生和消散情况，仿真间隙放电的全过程，检测放电间隙是否被击穿。

9、作为本发明进一步说明，所述参考电子在棒板间隙放电中的产生和消散情况，仿真间隙放电的全过程，具体包括：

10、用二阶偏微分方程来表示场域中的物理现象：

11、

12、与时间相关的项被称为惯性项，ea和da两个系数表示时间上的惯性，表示因变量的关系式，c被称作扩散项系数，表示因变量的扩散特性，中au是对流项，γ表示守恒通量源。是对流项用来表示外界因素对因变量的影响，au是一个吸收项，f表示整个场中源的加强或者消散；

13、参考电子在棒板间隙放电中的产生和消散情况，结合公式(1)，用以下方程(2)表示电子在棒板间隙放电的连续性方程：

14、

15、其中，ne表示电子密度，表示电子移动速率，α表示电子碰撞电离系数，η代表电子附着系数，de代表电子扩散系数，βep代表电子与正离子的复合系数，s表示由光电离产生的电子和正离子；

16、用泊松方程来描述放电过程的电势分布；

17、

18、

19、在公式(3)和(4)中ne表示电子密度，np表示正离子密度，nn表示负离子密度，e为基本电荷，εr表示介电常数，ε0是真空介电常数，在空气中，e表示电场强度；

20、通过计算(1)-(4)式可以仿真间隙放电的全过程。

21、作为本发明进一步说明，步骤s5检测放电间隙是否被击穿时，定义自持放电的条件为：

22、

23、其中，γi是二次发射系数，n是数密度，α是折算汤森增长/衰减系数，s是沿颗粒轨迹的弧长，d是从源边界到任何目标边界的距离。

24、作为本发明进一步说明，通过所述自持放电的条件公式，定义以下三种规则：

25、方程(6)，如果满足以下条件，则不会发生放电；

26、

27、满足(7)时，会发生自持放电；

28、

29、满足(8)时间隙中就会形成流注；

30、

31、其中d是间隙距离,单位：cm。

32、作为本发明进一步说明，所述方法还包括仿真边界条件的设置：

33、在仿真计算中所述金属针选择终端边界条件，并给其15kv的直流电压，所述金属板选择接地边界条件，所述空气域与所述液体域选择为计算域，并为其添加电击穿检测模块与瞬态研究，在所述空气域与所述金属针接触界面选择粒子计数器，所述液体域与所述金属板接触界面选择为阴极。

34、作为本发明进一步说明，步骤s1中构建针-板间隙放电的三维模型具体包括：

35、在几何模块中构建圆柱体，作为气-液两相针板间隙放电的空气域模型；

36、在几何模块中构建长方体，作为接地金属板模型；

37、在平面中建立圆锥后进行回转生成圆锥体，作为金属针模型；其中，构建圆锥体时需在锥尖加上弧度操作；

38、在几何模块中构建高于金属板的圆柱，作为液体域模型；

39、将所述空气域模型、所述液体域模型、所述金属板模型及所述金属针模型进行组合，得到针-板间隙放电的三维模型。

40、本申请与现有技术相比具有以下优点：

41、本发明通过有限元分析法对气液混合间隙放电的电势、电场、间隙击穿进行了模拟仿真计算，可以为电力设备异常放电事故的预防提供技术支持，降低电网设备故障几率，提升电网安全稳定运行。

技术特征：

1.一种气液混合间隙放电特性的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的气液混合间隙放电特性的仿真方法，其特征在于，所述参考电子在棒板间隙放电中的产生和消散情况，仿真间隙放电的全过程，具体包括：

3.如权利要求1所述的气液混合间隙放电特性的仿真方法，其特征在于，步骤s5检测放电间隙是否被击穿时，定义自持放电的条件为：

4.如权利要求3所述的气液混合间隙放电特性的仿真方法，其特征在于，通过所述自持放电的条件公式，定义以下三种规则：

5.如权利要求1所述的气液混合间隙放电特性的仿真方法，其特征在于，所述方法还包括仿真边界条件的设置：

6.如权利要求1所述的气液混合间隙放电特性的仿真方法，其特征在于，步骤s1中构建针-板间隙放电的三维模型具体包括：

技术总结
本申请公开了一种气液混合间隙放电特性的仿真方法，该方法包括构建针‑板间隙放电的三维模型，选择AC‑DC下的静电模块和等离子模块求解电子、正负离子对流扩散方程，计算其空气域与液体域的电场与电势分布，并观察其击穿的情况；分别设置棒板间的放电区域为气体和水，针极和板极材料均选择为铝；网格形状选择四面体网格，网格划分方式选择物理场控制网格，划分的精细程度选择极细化；参考电子在棒板间隙放电中的产生和消散情况，仿真间隙放电的全过程，检测放电间隙是否被击穿。本发明通过有限元分析法对气液混合间隙放电的电势、电场、间隙击穿进行了模拟仿真计算，可以为电力设备异常放电事故的预防提供支持，降低设备故障几率。

技术研发人员：李山,张媛,颉雅迪,杨定乾,何丹东,董新胜,公多虎,许广虎,张鑫宇,石存金
受保护的技术使用者：国网新疆电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15