本發(fā)明涉及高壓直流輸電，尤其涉及一種高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、由于其優(yōu)良的絕緣性能，被廣泛應(yīng)用于氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜gis、氣體絕緣輸電線路等高壓設(shè)備的絕緣作用中。然而，具有很高的全球變暖潛值，受到了排放控制指標(biāo)的約束。因此，尋找的替代氣體具有很大的必要性。

2、干燥空氣沒(méi)有全球變暖潛力，也沒(méi)有臭氧消耗潛力。因此，干燥空氣是一種可持續(xù)的、更好的替代氣體。干燥空氣的絕緣性能約為的三分之一。高壓設(shè)備采用干燥空氣時(shí)，必須采取一些提高絕緣性能的措施。干燥空氣gis絕緣性能有限，大多局限于中壓（72kv）及以下。現(xiàn)有的方法通過(guò)提高氣體壓力來(lái)提升干燥空氣絕緣性能，但過(guò)高的壓力會(huì)導(dǎo)致氣體液化、制造成本增加，因此需要對(duì)實(shí)際設(shè)備中使用干燥空氣時(shí)，預(yù)測(cè)其擊穿電壓，以?xún)?yōu)化絕緣設(shè)計(jì)并確?？煽啃?。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法和裝置，用于準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)高壓干燥空氣在沖擊電壓下的擊穿行為，提高干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2、有鑒于此，本發(fā)明第一方面提供了一種高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，包括：

3、s1、根據(jù)實(shí)際的干燥空氣擊穿電壓實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，在物理場(chǎng)仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型包括球形電極幾何模型、電壓施加方式和氣體環(huán)境參數(shù)；

4、s2、在仿真模型中，設(shè)定球形電極幾何模型上的沖擊電壓并加入電極表面粗糙度因素，計(jì)算球形電極幾何模型考慮表面粗糙度的瞬時(shí)電場(chǎng)分布、臨界體積和有效臨界發(fā)射面積；

5、s3、在臨界體積同時(shí)滿足離子化系數(shù)大于附著系數(shù)和流柱起始準(zhǔn)則時(shí)，根據(jù)臨界體積和有效臨界發(fā)射面積，計(jì)算每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的初始電子產(chǎn)生概率，根據(jù)初始電子產(chǎn)生概率計(jì)算沖擊電壓擊穿概率；

6、s4、判斷當(dāng)前時(shí)間是否到達(dá)沖擊電壓結(jié)束時(shí)間，若是，則輸出當(dāng)前時(shí)間的沖擊電壓擊穿概率，執(zhí)行步驟s5，否則，將當(dāng)前時(shí)間按時(shí)間步長(zhǎng)增加，返回步驟s2；

7、s5、判斷當(dāng)前時(shí)間的沖擊電壓擊穿概率是否達(dá)到100%，若是，則停止仿真，若否，則將球形電極幾何模型上的沖擊電壓按預(yù)設(shè)電壓增量增加，返回步驟s2。

8、可選地，步驟s3中，計(jì)算沖擊電壓擊穿概率的數(shù)學(xué)模型為：

9、

10、其中，p為沖擊電壓擊穿概率，t為時(shí)間，為臨界體積，dv為對(duì)的微分，為有效臨界發(fā)射面積，為離子化系數(shù)，為附著系數(shù)，ds為對(duì)的微分，j為電流密度，e為基本電荷，為在單位體積和時(shí)間內(nèi)從干空氣中的負(fù)離子中脫離的電子數(shù)量。

11、可選地，物理場(chǎng)仿真軟件為comsol多物理場(chǎng)仿真軟件。

12、可選地，流柱起始準(zhǔn)則為：

13、

14、其中，k為臨界雪崩數(shù)，為離子化系數(shù)，為附著系數(shù)，為臨界雪崩長(zhǎng)度，dx為對(duì)的微分。

15、可選地，電流密度的計(jì)算公式為：

16、

17、

18、

19、其中，為場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因子，為電極金屬的工作函數(shù)，e為電極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。

20、本發(fā)明第二方面提供了一種高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)裝置，包括：

21、建模單元，用于根據(jù)實(shí)際的干燥空氣擊穿電壓實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，在物理場(chǎng)仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型包括球形電極幾何模型、電壓施加方式和氣體環(huán)境參數(shù)；

22、第一計(jì)算單元，用于在仿真模型中，設(shè)定球形電極幾何模型上的沖擊電壓并加入電極表面粗糙度因素，計(jì)算球形電極幾何模型考慮表面粗糙度的瞬時(shí)電場(chǎng)分布、臨界體積和有效臨界發(fā)射面積；

23、第二計(jì)算單元，用于在臨界體積同時(shí)滿足離子化系數(shù)大于附著系數(shù)和流柱起始準(zhǔn)則時(shí)，根據(jù)臨界體積和有效臨界發(fā)射面積，計(jì)算每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的初始電子產(chǎn)生概率，根據(jù)初始電子產(chǎn)生概率計(jì)算沖擊電壓擊穿概率，執(zhí)行第一判斷單元；

24、第一判斷單元，用于判斷當(dāng)前時(shí)間是否到達(dá)沖擊電壓結(jié)束時(shí)間，若是，則輸出當(dāng)前時(shí)間的沖擊電壓擊穿概率，執(zhí)行第二判斷單元，否則，將當(dāng)前時(shí)間按時(shí)間步長(zhǎng)增加，返回執(zhí)行第一計(jì)算單元；

25、第二判斷單元，用于判斷當(dāng)前時(shí)間的沖擊電壓擊穿概率是否達(dá)到100%，若是，則停止仿真，若否，則將球形電極幾何模型上的沖擊電壓按預(yù)設(shè)電壓增量增加，返回執(zhí)行第一計(jì)算單元。

26、可選地，第二計(jì)算單元中，計(jì)算沖擊電壓擊穿概率的數(shù)學(xué)模型為：

27、

28、其中，p為沖擊電壓擊穿概率，t為時(shí)間，為臨界體積，dv為對(duì)的微分，為有效臨界發(fā)射面積，為離子化系數(shù)，為附著系數(shù)，ds為對(duì)的微分，j為電流密度，e為基本電荷，為在單位體積和時(shí)間內(nèi)從干空氣中的負(fù)離子中脫離的電子數(shù)量。

29、可選地，物理場(chǎng)仿真軟件為comsol多物理場(chǎng)仿真軟件。

30、可選地，流柱起始準(zhǔn)則為：

31、

32、其中，k為臨界雪崩數(shù)，為離子化系數(shù)，為附著系數(shù)，為臨界雪崩長(zhǎng)度，dx為對(duì)的微分。

33、可選地，電流密度的計(jì)算公式為：

34、

35、

36、

37、其中，為場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因子，為電極金屬的工作函數(shù)，e為電極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。

38、從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

39、本發(fā)明提供的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，利用物理場(chǎng)仿真軟件建立仿真模型，考慮電極突出導(dǎo)致的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因素，計(jì)算球形電極幾何模型的瞬時(shí)電場(chǎng)分布、臨界體積和有效臨界發(fā)射面積，考慮了氣體放電過(guò)程中的體積變化和時(shí)間因素，引入體積-時(shí)間理論，計(jì)算每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的初始電子產(chǎn)生概率，根據(jù)初始電子產(chǎn)生概率計(jì)算沖擊電壓擊穿概率，然后將球形電極幾何模型上的沖擊電壓按預(yù)設(shè)電壓增量增加，獲得每個(gè)沖擊電壓對(duì)應(yīng)的沖擊電壓擊穿概率，能夠準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)高壓干燥空氣在沖擊電壓下的擊穿行為，提高干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，為高壓設(shè)備中干燥空氣的絕緣設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

40、同時(shí)，本發(fā)明提供的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，應(yīng)用體積-時(shí)間理論進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以在很大程度上減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本，提高研發(fā)效率。

技術(shù)特征：

1.一種高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟s3中，計(jì)算沖擊電壓擊穿概率的數(shù)學(xué)模型為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，其特征在于，物理場(chǎng)仿真軟件為comsol多物理場(chǎng)仿真軟件。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，其特征在于，流柱起始準(zhǔn)則為：

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法，其特征在于，電流密度的計(jì)算公式為：

6.一種高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，第二計(jì)算單元中，計(jì)算沖擊電壓擊穿概率的數(shù)學(xué)模型為：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，物理場(chǎng)仿真軟件為comsol多物理場(chǎng)仿真軟件。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，流柱起始準(zhǔn)則為：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，電流密度的計(jì)算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)方法和裝置，利用物理場(chǎng)仿真軟件建立仿真模型，考慮電極突出導(dǎo)致的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因素，計(jì)算球形電極幾何模型的瞬時(shí)電場(chǎng)分布、臨界體積和有效臨界發(fā)射面積，考慮了氣體放電過(guò)程中的體積變化和時(shí)間因素，引入體積?時(shí)間理論，計(jì)算每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的初始電子產(chǎn)生概率，根據(jù)初始電子產(chǎn)生概率計(jì)算沖擊電壓擊穿概率，然后將球形電極幾何模型上的沖擊電壓按預(yù)設(shè)電壓增量增加，獲得每個(gè)沖擊電壓對(duì)應(yīng)的沖擊電壓擊穿概率，能夠準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)高壓干燥空氣在沖擊電壓下的擊穿行為，提高干燥空氣擊穿電壓預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，為高壓設(shè)備中干燥空氣的絕緣設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

技術(shù)研發(fā)人員：張杰,王勇,朱璐,劉俊翔,湯凱航,陳俊,肖天為
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30