一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法技术

本发明专利技术提供的一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法，所述建立方法包括：建立电树枝发展模型；在监测前对聚合物材料进行电树枝培养实验，获取材料参数信息；对聚合物材料进行局部放电检测，记录局部放电信息，计算局部放电特征值，所述局部放电特征值包括局部放电斜度特征值和局部相位分布偏离度特征值；根据所述局部放电特征值划分所述聚合物材料内部电树枝的种类，并确定电树枝的分形维数范围；根据所述种类和所述分形维数，结合所述材料参数信息，代入所述电树枝发展模型，获得电树枝发展模型的仿真结果；根据所述仿真结果对聚合物中电树枝的发展情况进行可视化展示。展示并预测聚合物绝缘材料内电树枝的发展情况。示并预测聚合物绝缘材料内电树枝的发展情况。示并预测聚合物绝缘材料内电树枝的发展情况。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法


[0001]本专利技术涉及高压设备领域，尤其涉及一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法。

技术介绍

[0002]在电力行业中，高分子聚合物绝缘材料由于其良好的机械性能、电气性能、耐酸碱性能以及易加工性，被广泛应用于架空输电线路、电缆、变电站、电机等的绝缘。对于聚合物绝缘材料，导致其发生电击穿的一个重要因素是前期出现的电树枝老化现象。电树枝是由于局部电场集中而产生的放电通道。当空间电荷注入放电通道时，放电通道内部发生的物理化学反应腐蚀绝缘材料，使电树枝向前发展，最终导致绝缘失效，对电力设备的安全稳定运行有着巨大威胁。在设备运行过程中，由于绝缘材料不透明，无法通过光学方法直观监测电树枝发展的情况。

技术实现思路

[0003]鉴于上述问题，提出了本专利技术以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法。
[0004]根据本专利技术的一个方面，提供了一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法，所述建立方法包括：
[0005]建立电树枝发展模型；
[0006]在监测前对聚合物材料进行电树枝培养实验，获取材料参数信息；
[0007]对聚合物材料进行局部放电检测，记录局部放电信息，计算局部放电特征值，所述局部放电特征值包括局部放电斜度特征值和局部相位分布偏离度特征值；
[0008]根据所述局部放电特征值划分所述聚合物材料内部电树枝的种类，并确定电树枝的分形维数范围；
[0009]根据所述种类和所述分形维数，结合所述材料参数信息，代入所述电树枝发展模型，获得电树枝发展模型的仿真结果；
[0010]根据所述仿真结果对聚合物中电树枝的发展情况进行可视化展示。
[0011]可选的，所述材料参数信息具体包括：
[0012]材料内部破坏能量阈值W
c
、破坏电场阈值E
c
、起始放电场强E
ign
、剩余场强E
res
。
[0013]可选的，所述电树枝发展模型考虑了电树枝通道的电荷传输、电场重新分布、通道变化以及破坏能量的产生和积累，通过模拟电场分布计算电树枝周围的点的击穿概率，从而模拟电树枝的发展过程；
[0014]模拟过程中将电树枝离散化，以下公式中上标n表示第n个时间点，下标i表示第i个模拟点。对于模拟过程中的第i个点在第n个时刻，电势表示为：
[0015][0016][0017]其中ε0为真空环境下的介电常数；ε为材料的相对介电常数，和分别代表真实电荷以及其镜像电荷的位置；为与电荷自身相关的电势；d为仿真时采用的步长，新点随机分布于距离电树枝距离为d的区域内；
[0018]选取的新的点被加入原树的概率为：
[0019][0020][0021]式中所用到的θ(x)为一个阶跃函数，当自变量大于x时，阶跃函数值为1；当自变量小于x时，阶跃函数值为0；
[0022]Z表示所有满足的点的电势差的平方和，作为归一化因子；
[0023]新添加的点的初始电荷和破坏能量为0。
[0024]可选的，所述对聚合物材料进行局部放电检测，记录局部放电信息，计算局部放电特征值具体包括：
[0025]通过计算局部放电量分布的斜度、象限分布的偏移程度以及监测局部放电频率在局部放电过程中的变化过程。
[0026]局部放电量分布的斜度分为正半周期斜度和负半周期斜度，分别表征正负周期内放电量的斜度；
[0027]检测放电量的斜度并投影至复平面，复平面横坐标为正半周期的斜度，纵坐标为负半周期的斜度；观察在复平面的位置以表征低场强下处于发展期的电树枝；斜度的计算公式如下所示：
[0028][0029]其中x
i
为第i个相位窗内的相位；f
i
为第i个相位窗中的放电量；m为均值；σ为方差；
[0030]当放电量斜度的投影处于第三象限以外的区域时，判断此时电树枝发展的初期，属于结构较为简单的枝状结构；
[0031]如果放电量的斜度进入第三象限，则证明电树枝已经进入发展阶段，电树枝的形态需结合局部放电象限分布的偏移度以及放电频率在局部放电过程中的周期变化进行确定；
[0032]在电树枝发展过程中的局部放电大多聚集于第一和第三象限，当电树枝丛状特性明显时，局部放电偏离一、三的程度缓慢发展，较为稳定；而当电树枝中出现枝状特性时，局部放电出现明显偏离的波动；使用放电偏移度表征这种现象，具体描述如下式所示：
[0033][0034][0035]其中Q1，Q2，Q3，Q4分别代表0
°‑
90
°
、90
°‑
180
°
、180
°‑
270
°
、270
°‑
360
°
四个相位区间中局部放电的频率；
[0036]作PH1和PH3关于时间的图像，每隔4分钟对放电频率取平均值，若某个计数周期中的放电次数的平均值高于前一个计算周期平均值的一倍以上则认为出现了一次突变；
[0037]记录监测过程中突变出现的次数，记录局部放电频率随时间的变化。
[0038]可选的，所述根据所述局部放电特征值划分所述聚合物材料内部电树枝的种类，并确定电树枝的分形维数范围具体包括：
[0039]依据斜度、放电偏移度突变次数确定电树枝的种类，并初步划分分形维数范围；
[0040]确定电树枝种类并划分分形维数范围后，利用局部放电频率和时间的变化进一步缩小分形维数范围；
[0041]电树枝种类分为三种：枝状、枝
‑
丛混合状、丛状，其对应的分形维数的范围分别具体为1
‑
1.4、1.4
‑
1.6、1.6
‑
2；
[0042]若斜度在复平面的投影不在第三象限内，则树枝为枝状，且分形维数范围为1
‑
1.2；若电树枝已经进入发展阶段，则使用放电突变次数表征电树枝发展种类，若突变次较少则电树枝为丛状；若突变次数中等则说明电树枝为枝
‑
丛混合状；若突变次数较多，频率较高则说明电树枝主要为枝状；
[0043]根据电树枝培养实验确定放电突变次数和电树枝状态之间的关系。
[0044]对于已经确定为丛状的电树枝，观察所记录的放电频率，放电频率越大的其电树枝分形维数越高；
[0045]对于确定为枝状的电树枝，观测其放电突变次数和频率，其次数越高，频率越大则说明枝状特性更加明显。
[0046]可选的，所述根据所述种类和所述分形维数，结合所述材料参数信息，代入所述电树枝发展模型，获得电树枝发展模型的仿真结果具体包括：
[0047]划分树枝的类型以及分形维数；
[0048]对比之前进行的仿真结果，确定仿真模型的确定参数，并输出仿真结果；
[0049]根据所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述建立方法包括：建立电树枝发展模型；在监测前对聚合物材料进行电树枝培养实验，获取材料参数信息；对聚合物材料进行局部放电检测，记录局部放电信息，计算局部放电特征值，所述局部放电特征值包括局部放电斜度特征值和局部相位分布偏离度特征值；根据所述局部放电特征值划分所述聚合物材料内部电树枝的种类，并确定电树枝的分形维数范围；根据所述分形维数种类，结合所述材料参数信息，代入所述电树枝发展模型，获得电树枝发展模型的仿真结果；根据所述仿真结果对聚合物中电树枝的发展情况进行可视化展示。2.根据权利要求1所述的一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述材料参数信息具体包括：材料内部破坏能量阈值W
c
、破坏电场阈值E
c
、起始放电场强E
ign
、剩余场强E
res
。3.根据权利要求1所述的一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述电树枝发展模型考虑了电树枝通道的电荷传输、电场重新分布、通道变化以及破坏能量的产生和积累，通过模拟电场分布计算电树枝周围的点的击穿概率，从而模拟电树枝的发展过程；模拟过程中将电树枝离散化，以下公式中上标n表示第n个时间点，下标i表示第i个模拟点。对于模拟过程中的第i个点在第n个时刻，电势表示为：表示为：其中ε0为真空环境下的介电常数；ε为材料的相对介电常数，和分别代表真实电荷以及其镜像电荷的位置；为与电荷自身相关的电势；d为仿真时采用的步长,新点随机分布于距离电树枝距离为d的区域内；选取的新的点被加入原树的概率为：选取的新的点被加入原树的概率为：式中所用到的θ(x)为一个阶跃函数，当自变量大于x时，阶跃函数值为1；当自变量小于x时，阶跃函数值为0；Z表示所有满足的点的电势差的平方和，作为归一化因子；新添加的点的初始电荷和破坏能量为0。4.根据权利要求1所述的一种聚合物电树枝发展数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述对聚合物材料进行局部放电检测，记录局部放电信息，计算局部放电特征值具体包括：通过计算局部放电量分布的斜度、象限分布的偏移程度以及监测局部放电频率在局部
放电过程中的变化过程。局部放电量分布的斜度分为正半周期斜度和负半周期斜度，分别表征正负周期内放电量的斜度；检测放电量的斜度并投影至复平面，复平面横坐标为正半周期的斜度，纵坐标为负半周期的斜度；观察在复平面的位置以表征低场强下处于发展期的电树枝；斜度的计算公式如下所示：其中x
i
为第i个相位窗内的相位；f
i
为第i个相位窗中的放电量；m为均值；σ为方差；当放电量斜度的投影处于第三象限以外的区域时，判断此时电树枝发展的初期，属于结构较为简单的枝状结构；如果放电量的斜度进入第三象限，则证明电树枝已经进入发展阶段，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永强，曾卓，商静，张重远，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：