一种基于电晕放电空间电势分布的模拟方法技术

本发明专利技术是一种基于电晕放电空间电势分布的模拟方法，其仿真模型以泊松方程及粒子连续性方程为基础，增加了能够描述粒子流动性的Navier‑stokes方程。原因在于电晕放电过程是一个粒子移动及碰撞的过程，粒子的快速移动会造成放电空间中气体的流动，对空间电势分布造成影响。利用能够描述气体流动的Navier‑stokes方程与泊松方程和粒子连续性方程进行耦合，通过调整仿真模型的参数得到样品表面的电势分布，再与样品表面电势测量结果进行对比，以验证该模型的有效性。能够快速计算出放电空间的电势分布，包括样品表面的电势分布，为研究电晕放电机理和微观放电过程以及材料极化效果模拟提供了重要的理论支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空间电势计算领域，具体涉及一种基于电晕放电空间电势分布的模拟方法。
技术介绍
电晕放电现象广泛存在于电力系统中。电力设备在制造和运行中的绝缘缺陷在直流高压下会引起电晕放电，同时，高压输电线路的导线附近，雷云静电场下的尖端物体附近，都存在大量的电晕放电现象。电晕放电在施加持续的直流电压时将会产生大量的空间电荷的漂移和积累，主要表现为其迁移区内单一极性离子的大量累积。根据气体放电理论，这种空间电荷的分布与运动方向可能会影响到空气间隙的绝缘性能以及绝缘材料表面的电荷集聚效应。因此，对电晕放电的空间电势分布进行高效、准确的仿真与模拟，将为深入研究气体放电机理提供重要参考，同时对于提高电气系统的绝缘性能及电力工业的安全性有着重要意义。目前，为更好的了解和应用电晕放电技术，许多学者都在重点研究放电机理和仿真模拟。如HanYin等人(ModelingofTrichelPulsesintheNegativeCoronaonaLine-to-PlaneGeometry，IEEETransactionsonMagnetics2014年第50卷)利用泊松方程及粒子连续性方程对针-板电晕放电粒子运动过程进行了模拟。然而电晕放电的过程是粒子快速移动及碰撞的过程，在该过程中会造成气体流动形成电晕风，影响放电过程中粒子的分布，显然利用泊松方程及粒子连续性方程不能够准确地刻画电晕放电过程。
技术实现思路
本专利技术是从电晕放电的物理本质出发，通过与Navier-stokes方程的耦合，提供一种科学合理，适用性强，效果佳，能够对电晕放电的空间电势分布进行准确且高效计算的基于电晕放电空间电势分布的模拟方法，其特征是，它包括的步骤有：1)建立空间电势控制方程由于电晕放电过程中产生的电子和正负离子改变了实验装置内的空间电势分布，因此实验空间内的电场分布情况由式(1)-式(3)三个方程进行模拟：▿•D→=(Np-Ne-Nn)---(1)]]>D→=ϵ0E→---(2)]]>E→=-▿φ---(3)]]>其中，为静电位移，为电场强度，φ为电势，ε0为气体介电常数，Ne、Np、Nn分别为电子、阳离子、阴离子的密度。将式(2)和式(3)代入式(1)中，得到式(4)的泊松方程，即：▿2φ=-(Np-Ne-Nn)ϵ0---(4)]]>电介质的表面电势可由电场强度的积分形式表示：V=∫0dE·dx---(5)]]>其中，V为电介质表面电势，d为电介质的厚度；2)建立粒子连续性方程为了描述电子和正、负离子的运动过程，引入传统的流体动力学模型，其控制方程由电子连续性方程、正负离子连续性方程和泊松方程组成，电子的密度和正负离子的密度由式(6)-式(8)粒子连续性方程求得：∂Ne∂t+▿(NeW→e-De▿Ne)=(ki-ka)Ne+kdNn-βepNeNpe0---(6)]]>∂Np∂t+▿(NpW→p)=kiNe-βepNeNpe0---(7)]]>∂Nn∂t+▿(NnW→n)=kaNe-kdNn---(8)]]>其中，分别为电子、阳离子、阴离子的漂移速率，表示为式中μe＝0.05m2/vs、μp＝2.24×10-4m2/vs、μn＝2.16×10-4m2/vs分别为电子、阳离子、阴离子的迁移速率；ka＝6×106(1/s)、kd＝0分别为电离系数、附着系数、解离系数，其中EN＝E×1021/NO2，NO2的空气分子密度约为2.46×1025(1/m3)；βep＝5×10-13m3/s为电子与阳离子的复合系数；为电子扩散系数，其中玻尔兹曼常数kB＝1.38065×10-23m2kg·s-2k-1，T为温度，e0＝1.602×10-19C；在电晕放电过程中，由于光电离产生的电子所引发二次电子崩影响了空间电荷分布，为了能够准确地描述电晕放电微观粒子的发展过程，在电子连续性控制方程中增加了光电离项，根据实验装置，针极与接地电极近似成相距为3cm的两个单元dV1和dV2，dV1单元辐射的光子被dV2单元吸收后电离出的电子数由式(9)计算：Sph=14π·PqP+Pq·wμeNe∫f(r)r2dV1dV2---(9)]]>其中，P和Pq分别为大气压和激发态氮原子的衰减压强，Pq＝3997Pa，w为辐射光子概率；为光子被dV2单元吸收的概率，f(r)的计算为式(10)：f(r)=exp(-k1PO2r)-exp(-k2PO2r)rlg(k2/k1)---(10)]]>其中，k1＝2.63×10-4cm-1Pa-1和k2＝0.015cm-1Pa-1分别为氧气对光波的最小和最大吸收系数，为氧气的压强；3)建立空气流动方程在电晕放电过程中粒子会发生碰撞和扩散，在电极附近引起空气流动从而影响粒子分布，为了描述气体的流动性，用Navier-Stokes方程对其进行描述，其推导过程为式(11)和式(12)：DvDt=-▿pρ---(11)]]>是流体梯度算子，得一般形式为：ρ(∂v∂t+(v•▿)v)=-▿p+f---(12)]]>利用Navier-Stokes方程来描述空气流动对整个放电空间粒子分布的影响，由于所研究的是稳态过程即所以应用的计算为式(13)：ρW→e•▿W→e=-▿p+μ▿2W→e-q▿φ---(13)]]>其中，ρ为空气密度，p为空气压力，q为空间电荷密度，为动力粘度；将泊松方程、粒子连续性方程以及Navier-Stokes方程进行耦合，即得到电晕放电空间电势分布的整体模型为式(14)：▿2φ=-(Np-Ne-Nn)ϵ0∂Ne∂t+▿(NeW→e-De▿Ne)=(ki-ka)Ne+kdNn-βepNeNpe0+SphρW→e•▿W→e=-▿p+μ▿2W→e-q▿φ∂Np∂t+▿(NpW→p)=kiNe-βepNeNpe0∂Nn∂t+▿(NnW→n)=kaNe-kdNn---(14)]]>4)模型求解采用有限元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电晕放电空间电势分布的模拟方法，其特征是，它包括的步骤有：1)建立空间电势控制方程由于电晕放电过程中产生的电子和正负离子改变了实验装置内的空间电势分布，因此实验空间内的电场分布情况由式(1)‑式(3)三个方程进行模拟：▿·D→=(Np-Ne-Nn)---(1)]]>D→=ϵ0E→---(2)]]>E→=-▿φ---(3)]]>其中，为静电位移，为电场强度，φ为电势，ε0为气体介电常数，Ne、Np、Nn分别为电子、阳离子、阴离子的密度。将式(2)和式(3)代入式(1)中，得到式(4)的泊松方程，即：▿2φ=-(Np-Ne-Nn)ϵ0---(4)]]>电介质的表面电势可由电场强度的积分形式表示：V=∫0dE·dx---(5)]]>其中，V为电介质表面电势，d为电介质的厚度；2)建立粒子连续性方程为了描述电子和正、负离子的运动过程，引入传统的流体动力学模型，其控制方程由电子连续性方程、正负离子连续性方程和泊松方程组成，电子的密度和正负离子的密度由式(6)‑式(8)粒子连续性方程求得：∂Ne∂t+▿(NeW→e-De▿Ne)=(ki-ka)Ne+kdNn-βepNeNpe0---(6)]]>∂Np∂t+▿(NpW→p)=kiNe-βepNeNpe0---(7)]]>∂Nn∂t+▿(NnW→n)=kaNe-kdNn---(8)]]>其中，分别为电子、阳离子、阴离子的漂移速率，表示为式中μe＝0.05m2/vs、μp＝2.24×10‑4m2/vs、μn＝2.16×10‑4m2/vs分别为电子、阳离子、阴离子的迁移速率；ka＝6×106(1/s)、kd＝0分别为电离系数、附着系数、解离系数，其中EN＝E×1021/NO2，NO2的空气分子密度约为2.46×1025(1/m3)；βep＝5×10‑13m3/s为电子与阳离子的复合系数；为电子扩散系数，其中玻尔兹曼常数kB＝1.38065×10‑23m2kg·s‑2k‑1，T为温度，e0＝1.602×10‑19C；在电晕放电过程中，由于光电离产生的电子所引发二次电子崩影响了空间电荷分布，为了能够准确地描述电晕放电微观粒子的发展过程，在电子连续性控制方程中增加了光电离项，根据实验装置，针极与接地电极近似成相距为3cm的两个单元dV1和dV2，dV1单元辐射的光子被dV2单元吸收后电离出的电子数由式(9)计算：Sph=14π·PqP+Pq·wμeNe∫f(r)r2dV1dV2---(9)]]>其中，P和Pq分别为大气压和激发态氮原子的衰减压强，Pq＝3997Pa，w为辐射光子概率；为光子被dV2单元吸收的概率，f(r)的计算为式(10)：f(r)=exp(-k1PO2r)-exp(-k2PO2r)rlg(k2/k1)---(10)]]>其中，k1＝2.63×10‑4cm‑1Pa‑1和k2＝0.015cm‑1Pa‑1分别为氧气对光波的最小和最大吸收系数，为氧气的压强；3)建立空气流动方程在电晕放电过程中粒子会发生碰撞和扩散，在电极附近引起空气流动从而影响粒子分布，为了描述气体的流动性，用Navier‑Stokes方程对其进行描述，其推导过程为式(11)和式(12)：DvDt=-▿pρ---(11)]]>是流体梯度算子，得一般形式为：ρ(∂v∂t+(v·▿)v)=-▿p+f---(12)]]>利用Navier‑Stokes方程来描述空气流动对整个放电空间粒子分布的影响，由于所研究的是稳态过程即所以应用的计算为式(13)：ρW→e·▿W→e=-▿p+μ▿2W→e-q▿φ---(13)]]>其中，ρ为空气密度，p为空气压力，q为空间电荷密度，为动力粘度；将泊松方程、粒子连续性方程以及Navier‑Stokes方程进行耦合，即得到电晕放电空间电势分布的整体模型为式(14)：▿2φ=-(Np-Ne-Nn)ϵ0∂Ne∂t+▿(NeW&RightArrow...

【技术特征摘要】
1.一种基于电晕放电空间电势分布的模拟方法，其特征是，它包括的步骤有：1)建立空间电势控制方程由于电晕放电过程中产生的电子和正负离子改变了实验装置内的空间电势分布，因此实验空间内的电场分布情况由式(1)-式(3)三个方程进行模拟：▿·D→=(Np-Ne-Nn)---(1)]]>D→=ϵ0E→---(2)]]>E→=-▿φ---(3)]]>其中，为静电位移，为电场强度，φ为电势，ε0为气体介电常数，Ne、Np、Nn分别为电子、阳离子、阴离子的密度。将式(2)和式(3)代入式(1)中，得到式(4)的泊松方程，即：▿2φ=-(Np-Ne-Nn)ϵ0---(4)]]>电介质的表面电势可由电场强度的积分形式表示：V=∫0dE·dx---(5)]]>其中，V为电介质表面电势，d为电介质的厚度；2)建立粒子连续性方程为了描述电子和正、负离子的运动过程，引入传统的流体动力学模型，其控制方程由电子连续性方程、正负离子连续性方程和泊松方程组成，电子的密度和正负离子的密度由式(6)-式(8)粒子连续性方程求得：∂Ne∂t+▿(NeW→e-De▿Ne)=(ki-ka)Ne+kdNn-βepNeNpe0---(6)]]>∂Np∂t+▿(NpW→p)=kiNe-βepNeNpe0---(7)]]>∂Nn∂t+▿(NnW→n)=kaNe-kdNn---(8)]]>其中，分别为电子、阳离子、阴离子的漂移速率，表示为式中μe＝0.05m2/vs、μp＝2.24×10-4m2/vs、μn＝2.16×10-4m2/vs分别为电子、阳离子、阴离子的迁移速率；ka＝6×106(1/s)、kd＝0分别为电离系数、附着系数、解离系数，其中EN＝E×1021/NO2，NO2的空气分子密度约为2.46×1025(1/m3)；βep＝5×10-13m3/s为电子与阳离子的复合系数；为电子扩散系数，其中玻尔兹曼常数kB＝1.38065×10-23m2kg·s-2k-1，T为温度，e0＝1.602×10-19C；在电晕放电过程中，由于光电离产生的电子所引发二次电子崩影响了空间电荷分布，为了能够准确地描述电晕放电微观粒子的发展过程，在电子连续性控制方程中增加了光电离项，根据实验装置，针极与接地电极近似成相距为3cm的两个单元dV1和dV2，dV1单元辐射的光子被dV2单元吸收后电离出的电子数由式(9)计算：Sph=14π·PqP+Pq·wμeNe∫f(r)r2dV1dV2---(9)]]>其中，P和Pq分别为大气压和激发态氮原子的衰减压强，Pq＝3997Pa，w为辐射光子概率；为光子被dV2单元吸收的概率，f(r)的计算为式(10)：f(r)=exp(-k1PO2r)-exp(-k2PO2r)rlg(k2/k1)---(10)]]>其中，k1＝2.63×10-4cm-1Pa-1和k2＝0.015cm-1Pa-1分别为氧气对光波的最小和最大吸收系数，为氧气的压强；3)建立空气流动方程在电晕放电过程中粒子会发生碰撞和扩散，在电极附近引起空气流动从而影响粒子分布，为了描述气体的流动性，用Navier-Stokes方程对其进行描述，其推导过程为式(11)和式(12)：DvDt=-▿pρ---(11)]]>是流体梯度算子，得一般形式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嘉伟，高凤凯，刘芮彤，尹超，范维，杨滢旋，杨璐羽，
申请(专利权)人：东北电力大学，国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22