绝缘油中流注放电过程的模拟方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种绝缘油中流注放电过程的模拟方法和系统，包括基于空间电荷产生和消失机制建立绝缘油空间电荷的连续性方程和泊松方程；根据瞬态热传导方程建立温度场分布计算方程；根据绝缘油中针电极‑接地极放电几何模型，确定连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程的求解域；根据空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定求解域的边界条件；根据求解域和边界条件，对连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程进行求解，得到流注放电时的电场分布、电势分布、温度分布以及电荷分布情况，这样可以模拟带电纳米粒子对绝缘油中流注发展产生的影响。

【技术实现步骤摘要】
绝缘油中流注放电过程的模拟方法和系统
本专利技术涉及高压绝缘介质领域，特别是涉及绝缘油中流注放电过程的模拟方法和系统。
技术介绍
绝缘油是一种广泛应用于电力变压器中的绝缘性能优良的液体电介质，随着我国特高压电网的快速发展，电力系统电压等级不断增加，为了节省生产成本和空间资源，变压器本身逐渐紧凑化，这进一步增加了变压器绝缘的设计与制造难度。因此，需要从绝缘油本身出发，提高其绝缘性能，这对提升变压器的绝缘水平和保障电力系统的安全运行具有重要的工程和理论研究价值。将纳米技术应用于液体电介质可改善介质的绝缘性能，并具有优良的散热特性，可以用于变压器绕组线圈的散热；同时，纳米粒子对提高绝缘油的抗老化性及抗破坏性有重要作用。有试验表明，绝缘油添加铁磁纳米材料Fe3O4以后，其正极性击穿电压显著提高90％以上，正极性流注的传播速度由于纳米粒子的作用而减小了46％，这说明磁性纳米粒子能够抑制流注放电过程，提高击穿电压；试验还表明半导体型和介电型纳米材料同样可以提高绝缘油的冲击击穿电压。为了分析纳米粒子对流注放电的作用机理，解释试验现象，需要借助数值仿真方法进行分析和模拟。传统的绝缘油中流注放电过程的模拟方法仅仅对纯绝缘油中的流注放电进行建模和仿真，而纯绝缘油中的流注放电的建模和仿真并不能反应纳米粒子改性绝缘油中流注放电过程。
技术实现思路
基于此，有必要针对传统的纯绝缘油中流注放电过程的模拟方法不能反映纳米粒子改性的绝缘油中流注放电过程的问题，提供一种可以反映纳米粒子改性的绝缘油中流注放电过程的模拟方法和系统。一种绝缘油中流注放电过程的模拟方法，包括步骤：基于空间电荷产生和消失机制建立绝缘油空间电荷的连续性方程和泊松方程；根据瞬态热传导方程建立温度场分布计算方程；根据绝缘油中针电极-接地极放电几何模型，确定连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程的求解域；根据空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定求解域的边界条件；根据求解域和求解域的边界条件，对连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程进行求解，得到流注放电时的电场分布、电势分布、温度分布以及电荷分布情况。一种绝缘油中流注放电过程的模拟系统，包括：连续性方程和泊松方程建立模块，用于基于空间电荷产生和消失机制建立绝缘油空间电荷的连续性方程和泊松方程；温度场分布计算方程建立模块，用于根据瞬态热传导方程建立温度场分布计算方程；求解域确定模块，用于根据绝缘油中针电极-接地极放电几何模型，确定连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程的求解域；边界条件确定模块，用于根据空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定求解域的边界条件；方程组求解模块，用于根据求解域和所述边界条件，对连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程进行求解，得到流注放电时的电场分布、电势分布、温度分布以及电荷分布情况。上述绝缘油中流注放电过程的模拟方法和系统，包括基于空间电荷产生和消失机制建立绝缘油空间电荷的连续性方程和泊松方程；根据瞬态热传导方程建立温度场分布计算方程；根据绝缘油中针电极-接地极放电几何模型，确定连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程的求解域；根据空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定求解域的边界条件；根据求解域和边界条件，对连续性方程、泊松方程以及温度场分布计算方程进行求解，得到流注放电时的电场分布、电势分布、温度分布以及电荷分布情况，该绝缘油中流注放电过程的模拟方法和系统可以模拟带电纳米粒子对绝缘油中流注发展产生的影响，可以直接得到绝缘油流注放电时的电场分布、电势分布、温度分布以及电荷分布情况，进而评估不同纳米粒子对绝缘油放电过程的影响，且可以为分析实际油纸绝缘结构的变压器内绝缘性能，从而为改善绝缘油的绝缘性能提供理论依据和数据支撑。附图说明图1为一个实施例中绝缘油中流注放电过程的模拟方法的流程示意图；图2为一个实施例中描述纳米粒子充电过程的赫维赛德函数示意图；图3为一个实施例中简化的纳米粒子线性充电过程示意图；图4为一个实施例中不同时刻流注放电的三维动态演化过程示意图；图5为一个实施例中不同时刻流注放电通道内的电场随时间和位置的变化示意图；图6为一个实施例中不同时刻流注放电通道内的空间电荷随时间和位置的变化示意图；图7为一个实施例中绝缘油中流注放电过程的模拟系统的结构示意图。具体实施方式在一个实施例中，如图1所示，一种绝缘油中流注放电过程的模拟方法，包括步骤：S100，基于空间电荷产生和消失机制建立绝缘油空间电荷的连续性方程和泊松方程。空间电荷的产生机制，根据齐纳电离模型，可得到液体介质中分子的电离率，在对液体介质进行流注仿真时，正离子和电子产生项等于电离率乘以可电离的分子电离后的电荷密度，由于一般的液体电介质，比如变压器油，分子成分都是十分复杂的，在同一液体介质中会有不同的分子电离产生项，因此，可以将变压器油假设为由一种等效的分子组成，用电离产生项来表示流注模型中的正离子和电子的产生过程。在液体电介质中流注的产生和发展过程中，除了场致分子电离过程产生正离子和电子，空间电荷的消失机制，电子还会附着中性分子形成负离子，进而发生电子与正离子之间、正离子与负离子之间的复合过程等。可以通过把负荷过程作为化学反应过程来模拟电荷间复合过程，反应速率决定于电荷密度分布。流注中的电子附着于液体介质中的中性分子，并相互结合形成负离子的过程称为电子附着过程，这个过程中液体电介质中能量电子的生存期为电子的附着时间常数。具体的，绝缘油空间电荷包括正离子、负离子、电子以及带电纳米粒子，纳米粒子改性液体电介质主要针对变压器油，带电纳米粒子中存在大量可移动的自由电子，自由电子在电场的作用下逆着点成方向运动，从而使纳米粒子表面出现正、负感应电荷，感应电荷产生的附加电场改变了纳米粒子周围原有电场的分布。作为强导电性的纳米材料，在电场作用下，其内部自由电子会快速移动到纳米离子球的表面，感应电荷形成的感应电场与外加电场相互抵消，从而保持了纳米粒子内部的等电势分布，即其内部净电场强度为0。当纳米粒子外有大量电子时，电子同样会被纳米粒子吸引并快速地重新分布，直至纳米粒子充电至饱和，纳米粒子吸附电子并将其转为低迁移率的负极性纳米粒子的过程与电子附着与分子类似。异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥，纳米粒子表面形成的感应电荷对外界电荷载体同样具有吸引力和排斥力，纳米粒子球外电势分布可以通过电场的积分进行计算。更为具体的，绝缘油空间电荷的连续性方程包括正离子连续性方程、负离子连续性方程、电子连续性方程以及带电纳米粒子连续性方程，正离子连续性方程为：负离子连续性方程为：电子连续性方程为：带电纳米粒子连续性方程为：其中，t为放电时间，为电场幅值，τNP为电子附着时间常数，电子附着时间常数τNP＝2ns，为场致电离产生电子或正离子的源项，R±为正离子与负离子的复合系数，R+e为正离子与电子的复合系数，RNP为电子与带电纳米粒子的复合系数，R±、R+e、RNP为1.64×10-17m3/s，ρ+为正离子的电荷密度，ρ-为负离子的电荷密度，ρe为电子的电荷密度，ρNP为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘油中流注放电过程的模拟方法，其特征在于，包括步骤：基于空间电荷产生和消失机制建立绝缘油空间电荷的连续性方程和泊松方程；根据瞬态热传导方程建立温度场分布计算方程；根据绝缘油中针电极‑接地极放电几何模型，确定所述连续性方程、所述泊松方程以及所述温度场分布计算方程的求解域；根据所述空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定所述求解域的边界条件；根据所述求解域和所述求解域的边界条件，对所述连续性方程、所述泊松方程以及所述温度场分布计算方程进行求解，得到流注放电时的电场分布、电势分布、温度分布以及电荷分布情况。

【技术特征摘要】
1.一种绝缘油中流注放电过程的模拟方法，其特征在于，包括步骤：基于空间电荷产生和消失机制建立绝缘油空间电荷的连续性方程和泊松方程；根据瞬态热传导方程建立温度场分布计算方程；根据绝缘油中针电极-接地极放电几何模型，确定所述连续性方程、所述泊松方程以及所述温度场分布计算方程的求解域；根据所述空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定所述求解域的边界条件；根据所述求解域和所述求解域的边界条件，对所述连续性方程、所述泊松方程以及所述温度场分布计算方程进行求解，得到流注放电时的电场分布、电势分布、温度分布以及电荷分布情况。2.根据权利要求1所述的绝缘油中流注放电过程的模拟方法，其特征在于，所述根据所述空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定所述求解域的边界条件的步骤包括：根据远场边界无电荷，将所述远场边界设置为零电荷边界；根据所述空间电荷在针电极和接地极表面交换规律，将所述针电极和所述接地极设置为对流扩散边界；根据温度扩散场的边界没有热量交换规律，所述温度场分布计算方程的边界设置为热绝缘边界。3.根据权利要求1所述的绝缘油中流注放电过程的模拟方法，其特征在于，所述根据所述空间电荷在针电极和接地极表面交换规律、远场边界无电荷以及温度扩散场的边界没有热量交换规律，确定所述求解域的边界条件的步骤之后还包括：基于针电极端部的曲率半径大以及针电极端部为流注放电的起始位置，对所述针电极端部采用最大单元尺寸为1μm-2μm，最大单元生长率为1.1的精密剖分；基于流注发展区域电动力学特性，对流注发展区域采用最大单元尺寸为4μm-6μm，最大单元生长率为1.05的精密剖分；基于计算时间和计算资源，除所述针电极端部及所述流注发展区域之外的其它区域和边界采用最大单元尺寸为20μm，最大单元生长率为1.3的剖分。4.根据权利要求1所述的绝缘油中流注放电过程的模拟方法，其特征在于，所述空间电荷的连续性方程包括正离子连续性方程、负离子连续性方程、电子连续性方程以及带电纳米粒子连续性方程。5.根据权利要求4所述的绝缘油中流注放电过程的模拟方法，其特征在于，所述正离子连续性方程为：所述负离子连续性方程为：所述电子连续性方程为：以及所述带电纳米粒子连续性方程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：施健，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广东,44