一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法技术

本发明专利技术涉及一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，所述方法包括：步骤1：在有限元软件中建立起组合间隙放电发展过程中考虑带电粒子运动的电场计算物理模型；步骤2：结合电场计算结果及预放电阶段带电粒子运动仿真结果，确定放电发展各阶段中电位悬浮导体电位；步骤3：以发展速度较慢的流注到达电位悬浮导体表面为击穿判据，实现对组合间隙击穿发展过程的仿真。本发明专利技术可实现对组合间隙放电过程实际物理过程进行分析，有助于明确其放电机理。

A simulation method for the development process of combined gap impulse discharge

【技术实现步骤摘要】
一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法
本专利技术涉及一种空气间隙放电发展过程的仿真计算方法，尤其是涉及一种组合间隙的冲击放电发展过程仿真计算方法。
技术介绍
空气是被广泛使用的绝缘介质，为选择合适的绝缘距离，需要准确了解空气间隙的放电电压。但由于气体放电理论不完善，难以对间隙的放电过程进行准确的仿真计算。目前典型间隙的研究充分，人们对其放电特性掌握较清楚。实际使用的间隙虽然很多并非典型电极，但一般也可参考与之相近的典型间隙估算。然而在电力系统中，还存在一类由多个导体构成的特殊组合间隙，其特征是在构成组合间隙的导体中，有的处于电位悬浮状态。这类组合间隙与由确定电位导体组成的普通间隙相比，由于电位悬浮导体的存在，往往具有更加复杂的放电行为，难以对其放电过程进行仿真分析，总结其放电特性。目前，在实际工程中解决此类问题时，由于对其机理不清楚，缺乏理论指导，主要依赖真型试验来确定特定组合间隙冲击放电特性，这些试验研究带有一定盲目性和试探性，且工作量大。因此，对含悬浮导体组合间隙的冲击放电过程进行仿真研究，总结其放电规律，揭示其放电机理，可以丰富放电理论内容，为解决实际工程问题提供理论指导。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，适用于开展组合间隙结构下空气放电发展过程与机理研究。本专利技术提供了提供一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，所述方法包括：一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：在有限元软件中建立起组合间隙放电发展过程中考虑带电粒子运动的电场计算物理模型，具体包括：高压棒电极、悬浮金属板、低压棒电极和外部边界；高压棒电极和低压棒电极棒身为圆柱形，头部为半球形，高压棒电极上施加冲击电压，低压棒电极设置为接地；悬浮金属板放置在高压棒电极和低压棒电极之间，并与高压棒电极和低压棒电极相垂直，其状态设置为悬浮电位；高压棒电极、悬浮金属板、低压棒电极均悬浮放置，且与外部边界的距离均远大于棒身长度、金属板边长以及空气间隙长度；步骤2：施加时变冲击电压，结合电场计算结果及预放电阶段带电粒子运动仿真结果，确定放电发展各阶段中悬浮导体电位；步骤3：以发展速度较慢的流注到达电位悬浮导体表面为击穿判据，实现对组合间隙击穿发展过程的仿真。在上述的一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，所述电场计算物理模型具体包括：高压棒电极1、悬浮金属板2、低压棒电极3和外部边界4；高压棒电极1和低压棒电极3棒身为圆柱形，头部为半球形，高压棒电极1上施加冲击电压，低压棒电极3设置为接地；悬浮金属板2放置在高压棒电极1和低压棒电极3之间，并与高压棒电极1和低压棒电极3相垂直，其状态设置为悬浮电位；高压棒电极1、悬浮金属板2、低压棒电极3均悬浮放置，且与外部边界4的距离均远大于棒身长度、金属板边长以及空气间隙长度。在上述的一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，在施加时变电压条件下，考虑流注运动的过程，将所述的全部击穿过程分为4个阶段，分别是：阶段1为没有流注起始；阶段2为有一侧流注产生，记为A侧流注；阶段3为两侧均产生流注，记为先产生的A侧流注及后产生的B侧流注)；阶段4为有一侧流注已经到达金属板，一侧流注记为甲流注；其中前3阶段于步骤2中进行仿真计算；第4阶段于步骤3中进行仿真计算。在上述的一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，阶段1中，根据计算时刻的冲击电压，计算棒极头部电场；满足流注起始条件进入阶段2，不满足流注起始条件时，若最大场强Emax(t)大于前一时刻最大场强Emax(t-Δt)，则循环计算，反之则认为不会产生流注，本次仿真结束；阶段2中，判断A侧流注是否到达金属板，若到达，则进入阶段4；计算B侧棒极头部电场，判断B侧棒极是否产生流注，若产生，则进入阶段3；若A侧流注不发展、B侧不产生流注且最大场强下降，则认为放电不再发展，本次仿真结束；阶段3中，对两侧流注头部电场分别进行计算，并判断流注是否能向前发展；若有一侧流注率先达到金属板(即甲流注)，则进入阶段4；若两侧流注既未到达金属板，也没有向前发展，则判断最大场强是否增加，若增加则进入下一仿真时刻，否则认为流注不再发展，在此电压作用下间隙不会发生击穿，本次仿真结束；阶段4中，已有甲流注到达金属板，针对乙流注发展进行计算，若乙流注到达金属板，则间隙击穿，仿真结束，当前对应冲击电压的峰值记为击穿电压。在上述的一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，用下式表示电子在间隙放电的连续性方程：上式中Ne是电子密度，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；负离子连续性方程表示为：上式中Nn表示负离子密度，表示电子移动速率，表示负离子的移动速率，η代表电子附着系数，βnp表示正离子与负离子的复合系数；正离子连续性方程表示为：上式中Np表示正离子密度，表示正离子移动速度，表示电子移动速率，α表示碰撞系数，βnp表示正离子与负离子的复合系数，βep代表电子与正离子的复合系数；用泊松方程来描述放电过程的电势分布：上式中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εr＝1，E表示电场强度；观察不同时刻放电模型内等势线密集程度分布可以看出棒板间隙放电流注向前发展的情况，通过在软件中计算各式可以仿真放电全过程；击穿后金属板电位可用下式计算：Ug＝Us-ΔUl1(6)式中：Ug为棒-板间隙击穿时金属板电位值，ΔUl1为通道压降。因此本专利技术具有如下优点：可以实现对含悬浮导体组合间隙冲击放电过程的仿真研究，总结其放电规律，揭示其放电机理，并有助于解决实际工程问题。附图说明图1是组合间隙冲击放电发展过程仿真计算的总体流程。图2是在有限元软件中建立的组合间隙电场计算物理模型。图3是组合间隙放电阶段1仿真流程。图4是组合间隙放电阶段2仿真流程。图5是组合间隙放电阶段3仿真流程。图6是组合间隙放电阶段4仿真流程。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实现方案作进一步的说明。一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，包含以下几步：步骤1：在有限元软件中建立起组合间隙放电发展过程中考虑带电粒子运动的电场计算物理模型，模型主要包括以下几个物理元件：高压棒电极1、悬浮金属板2、低压棒电极3和外部边界4。高压棒电极1和低压棒电极3棒身为圆柱形，头部为半球形，高压棒电极1上施加冲击电压，低压棒电极3设置为接地。悬浮金属板2放置在高压棒电极1和低压棒电极3之间，并与高压棒电极1和低压棒电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤1：在有限元软件中建立起组合间隙放电发展过程中考虑带电粒子运动的电场计算物理模型，具体包括：高压棒电极、悬浮金属板、低压棒电极和外部边界；高压棒电极和低压棒电极棒身为圆柱形，头部为半球形，高压棒电极上施加冲击电压，低压棒电极设置为接地；悬浮金属板放置在高压棒电极和低压棒电极之间，并与高压棒电极和低压棒电极相垂直，其状态设置为悬浮电位；高压棒电极、悬浮金属板、低压棒电极均悬浮放置，且与外部边界的距离均远大于棒身长度、金属板边长以及空气间隙长度；/n步骤2：施加时变冲击电压，结合电场计算结果及预放电阶段带电粒子运动仿真结果，确定放电发展各阶段中悬浮导体电位；/n步骤3：以发展速度较慢的流注到达电位悬浮导体表面为击穿判据，实现对组合间隙击穿发展过程的仿真。/n

【技术特征摘要】
1.一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：在有限元软件中建立起组合间隙放电发展过程中考虑带电粒子运动的电场计算物理模型，具体包括：高压棒电极、悬浮金属板、低压棒电极和外部边界；高压棒电极和低压棒电极棒身为圆柱形，头部为半球形，高压棒电极上施加冲击电压，低压棒电极设置为接地；悬浮金属板放置在高压棒电极和低压棒电极之间，并与高压棒电极和低压棒电极相垂直，其状态设置为悬浮电位；高压棒电极、悬浮金属板、低压棒电极均悬浮放置，且与外部边界的距离均远大于棒身长度、金属板边长以及空气间隙长度；
步骤2：施加时变冲击电压，结合电场计算结果及预放电阶段带电粒子运动仿真结果，确定放电发展各阶段中悬浮导体电位；
步骤3：以发展速度较慢的流注到达电位悬浮导体表面为击穿判据，实现对组合间隙击穿发展过程的仿真。


2.根据权利要求1所述的一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，其特征在于，所述电场计算物理模型具体包括：高压棒电极1、悬浮金属板2、低压棒电极3和外部边界4；高压棒电极1和低压棒电极3棒身为圆柱形，头部为半球形，高压棒电极1上施加冲击电压，低压棒电极3设置为接地；悬浮金属板2放置在高压棒电极1和低压棒电极3之间，并与高压棒电极1和低压棒电极3相垂直，其状态设置为悬浮电位；高压棒电极1、悬浮金属板2、低压棒电极3均悬浮放置，且与外部边界4的距离均远大于棒身长度、金属板边长以及空气间隙长度。


3.根据权利要求1所述的一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，其特征在于，在施加时变电压条件下，考虑流注运动的过程，将所述的全部击穿过程分为4个阶段，分别是：
阶段1为没有流注起始；
阶段2为有一侧流注产生，记为A侧流注；
阶段3为两侧均产生流注，记为先产生的A侧流注及后产生的B侧流注)；
阶段4为有一侧流注已经到达金属板，一侧流注记为甲流注；
其中前3阶段于步骤2中进行仿真计算；第4阶段于步骤3中进行仿真计算。


4.根据权利要求3所述的一种组合间隙冲击放电发展过程的仿真计算方法，其特征在于，
阶段1中，根据计算时刻的冲击电压，计算棒极头部电场；满足流注起始条件进入阶段2，不满足流注起始条件时，若最大场强Emax(t)大于前一时刻最大场强...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁海亮，姒天军，蓝磊，文习山，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42