一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法与流程

本发明属于高电压与绝缘领域，尤其涉及一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法。

背景技术

换流站阀厅是直流输电工程的中枢，其正常运行时对阀厅内部金具电晕情况有着严格的控制要求，而阀厅中管母连接部位、套管出入口、阀片、避雷器均压环等设备附近电场极不均匀，需要屏蔽金具对其均压，防止电晕发生。因此，存在大量高压屏蔽金具诸如屏蔽环、屏蔽球来控制高压设备不发生电晕，对高压屏蔽金具的电晕特性的研究能为阀厅中屏蔽金具的设计提供参考。

电晕放电是气体介质在不均匀电场中特有的局部自持放电现象，是一种常见的气体放电形式。当导体附近电场强度较大时，电场强的区域会发生强烈的电离，当电离发展到一定程度时，导体附近通常存在发光发热现象并伴有咝咝声，产生电晕，电晕仅限在导体附近一块极小的区域，整个空气间隙并未击穿。由于电场的不均匀性，电晕过程中主电离过程局限在曲率半径很小的电极附近，该区域称为电离区，也称电晕层，层内电场相对集中，电离和激发主要也发生在该部位。电离区域以外的区域被称为迁移区，该区域内电场强度较弱，几乎不发生电离过程，电流的传导主要依靠正负离子的迁移运动，它们决定了该区域的电导。电晕起始特性与电极形状、加载电压、环境因素密切相关，而电极形状则能反映到电场分布中。文献“直流导线和阀厅金具的电晕起始电压预测”(电工技术学报，2016年第31卷第12期，页码80-89)中论证了电极结构主要通过改变电场分布来影响其电晕特性，且电场分布与电晕起始电压存在内在关联。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法，用以定量描述高压屏蔽金具周围空间的电场分布，可为进一步评价高压屏蔽金具的电晕性能、实现高压屏蔽金具起晕电压预测奠定基础。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法，其特征在于，针对屏蔽金具，选择线、面、体三个维度的特征量提取区域，分别为

线特征：以屏蔽金具电场强度最大值em为起点，记为点a，沿着电场强度变化最快的方向，抵达a·em的点，记为点b，ab段为线特征的提取区域；提取ab段上的电场强度、电场梯度、电场积分、ab段长度、场强值大于b·em的路径长度等作为线特征量，所述电场强度和电场梯度均包括最大值和平均值；

面特征：提取区域为整个屏蔽金具表面，提取屏蔽金具表面的电场强度平均值、场强值大于b·em的区域表面积、电场畸变率等作为面特征量；

体特征：以屏蔽金具为中心，屏蔽金具中心到b点的距离为半径作球或与原屏蔽金具形状类似但管径更大的环，刨去原屏蔽金具本身所形成的空间区域为体特征的提取区域；提取该区域内的电场强度平均值、电场能量、能量密度、场强值大于b·em的空间体积、电场畸变率等作为体特征量。

在上述的一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法，特征量具体计算公式如下：

电场强度，包括最大值em和平均值ea：

em＝max(ei)(i＝1,2,...,n)(1)

式中，ei为对应的线、面、体特征提取区域上选取的第i个数据点的电场强度值，n为所选取的数据点总数；

ab段上的电场梯度，包括最大值egm和平均值ega：

egm＝max(|-gradei|)(i＝1,2,...,n)(3)

电场能量w和能量密度wd：

wd＝w/v(6)

式中，m为体特征提取区域内的单元数量，ε0为真空介电常数，ei是第i个体单元的电场强度，vi是第i个体单元的体积，v是体特征提取区域的总体积；

ab段的电场积分ev：

式中，di为相邻等距数据点之间的长度，di＝lab/(n-1)；

路径长度，包括ab段的长度lab，场强值大于b·em的路径长度lb：

式中，p为场强值大于b·em的数据点个数；

面特征提取区域中场强值大于b·em的区域表面积sb：

式中，q为面特征提取区域中场强值大于b·em的面单元个数，si为每一个单元的面积；

体特征提取区域中场强值大于b·em的空间体积vb：

式中，u为体特征提取区域中场强值大于b·em的体单元个数，vi为每一个单元的体积；

面特征提取区域和体特征提取区域中的电场畸变率eda、edv，均可通过下式计算：

ed＝em/ea(11)

式中，em和ea分别为根据式(1)、式(2)计算得出的场强最大值和平均值。

在上述的一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法，所述的a·em和b·em中的a、b为比例系数；a的取值在0.25与0.45之间，其值应使得b点的场强值小于空气电离层边界的场强；b的取值在0.45与0.95之间，b的取值可以同时选取多个值，构成多个特征量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：1、提出一种表征屏蔽金具周围空间分布的电场特征集，同已有的特征集提取方式相比，本发明的提取方式更加贴合电晕特性与电晕产生机理，能有效反映影响电晕起始的空间电场分布。2、提取的空间电场特征集适用于主流的两种屏蔽金具——屏蔽球和屏蔽环，定义简单，提取方式容易，空间特征集可通过计算机仿真获取，方便快捷。

附图说明

图1为本发明所述的高压屏蔽金具空间电场特征集提取区域示意图。

图2为本发明实施例中的典型屏蔽球布置图。

图3为本发明实施例中的屏蔽球电场分布云图。

具体实施方式

一、首先介绍一下本发明的具体方法原理。

本发明提供一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法，用以定量描述高压屏蔽金具周围空间的电场分布，可为进一步评价高压屏蔽金具的电晕性能、实现高压屏蔽金具起晕电压预测奠定基础。

本发明采用如下技术方案：

对于屏蔽金具来说，无论是屏蔽球还是屏蔽环，必然可以找到在电极表面场强最大值em所在点，如图1所示，记为a点，电晕放电有很大概率在此区域发生。其次，可以找到a点距离零电位最近的方向，在该方向上电场梯度最大。然后找到该方向上电场强度为a·em的一点，记为b点。一般来说，通过光电离判据可计算得到，空气电离层边界的电场强度为24kv/cm，a·em应小于这一场强值，本发明定义的空间电场特征集提取区域囊括了电离层，具备反映或评价屏蔽金具电晕性能的条件。

线特征的提取区域为图1所示ab段，面特征的提取区域是屏蔽金具表面，体特征的提取区域是以屏蔽金具为中心，屏蔽金具中心到b点的距离为半径作球或与原形状类似但管径更大的环，刨去原屏蔽金具本身所形成的空间区域，如图1所示。

由于三个维度的特征量分别为线特征、面特征和体特征，因此，高压屏蔽金具的周围空间电场分布特征分区域进行定义和提取。对于线特征，提取ab段上的电场强度(包括最大值和平均值)、电场梯度(包括最大值和平均值)、电场积分、ab段长度、场强值大于b·em的路径长度等作为特征量；对于面特征，提取屏蔽金具表面的电场强度平均值、场强值大于b·em的区域表面积、电场畸变率等作为特征量；对于体特征，提取图1所示的体特征提取区域内的电场强度平均值、电场能量、能量密度、场强值大于b·em的空间体积、电场畸变率等作为特征量。线、面、体三个维度的特征量汇总如表1所示。

表1高压屏蔽金具周围空间电场分布特征集

上述特征量具体计算公式如下：

电场强度，包括最大值em和平均值ea：

em＝max(ei)(i＝1,2,...,n)(1)

式中，ei为对应的线、面、体特征提取区域上选取的第i个数据点的电场强度值，n为所选取的数据点总数。

ab段上的电场梯度，包括最大值egm和平均值ega：

egm＝max(|-gradei|)(i＝1,2,...,n)(3)

电场能量w和能量密度wd：

wd＝w/v(6)

式中，m为体特征提取区域内的单元数量，ε0为真空介电常数，ei是第i个体单元的电场强度，vi是第i个体单元的体积，v是体特征提取区域的总体积。

ab段的电场积分ev：

式中，di为相邻等距数据点之间的长度，di＝lab/(n-1)。

路径长度，包括ab段的长度lab，场强值大于b·em的路径长度lb：

式中，p为场强值大于b·em的数据点个数。

面特征提取区域中场强值大于b·em的区域表面积sb：

式中，q为面特征提取区域中场强值大于b·em的面单元个数，si为每一个单元的面积。

体特征提取区域中场强值大于b·em的空间体积vb：

式中，u为体特征提取区域中场强值大于b·em的体单元个数，vi为每一个单元的体积。

面特征提取区域和体特征提取区域中的电场畸变率eda、edv，均可通过下式计算：

ed＝em/ea(11)

式中，em和ea分别为根据式(1)、式(2)计算得出的场强最大值和平均值。

二、下面通过实施例，并结合附图和具体案例进行具体的说明。

以高压屏蔽球为例说明本发明所涉及的一种高压屏蔽金具的周围空间电场分布表征方法，典型屏蔽球布置如图2所示，为球-地布置形式，球的直径为300mm，球心对地高4m，管母垂直于地面布置，对应连接管母直径为200mm，连接管母端部配置一个环径1000mm，管径120mm的均压环。依照实际试验布置建立3d电场仿真模型。建模时忽略门型架、高压直流发生装置等距离试品球较远的设备，球导线用表面光滑的弯管来代替。屏蔽球加载1v电位，大地以及空气边界加载零电位，借助ansys软件可计算得出该布置下的电场分布，电场仿真结果如图3所示。

由仿真结果可知，场强最大值em出现在屏蔽球的端部，也就是图1中线特征的起点a，作出点a到大地的直线，取这条路径中的电场强度值，找到电场强度为a·em的点为点b，本实施例中，系数a取值为0.3，线段ab为线特征提取区域；屏蔽球电极表面为面特征提取区域；以屏蔽球球心为球心，屏蔽球球心到点b的距离为半径作球，去掉原始屏蔽球的区域为体特征提取区域。

根据计算结果，当屏蔽金具加载1v电位时，电场强度最大值出现在屏蔽球端部，其值为5.46v/m，根据计算结果，点b的位置距离a点134.75mm，即线段ab长134.75mm。体特征提取区域的部分是以屏蔽金具球心为球心，半径为284.75mm作球，减去原屏蔽球的区域，面特征提取区域即为屏蔽金具球电极的表面。

确定特征量的提取区域后，借助matlab软件可计算所定义的特征量，对于比例类特征量，取系数b的值分别为0.9、0.75和0.5三个值，这样，本实施例中，高压屏蔽球的周围空间电场分布特征量共21个，包含9个线特征量、5个面特征量和7个体特征量。各个特征量的计算值如表2所示。

表2球-地布置形式下300mm屏蔽金具球的周围空间电场分布特征集

由此，在该种布置下的高压屏蔽金具球的周围空间电场分布特征集已得出，集合中的元素即为上述21个特征量。

以上所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属的技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。