高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法及系统，属于电气工程技术领域，先构建高压直流挤包绝缘电缆的绝缘层的非均质结构几何模型，再构建绝缘层的电荷输运模型，并基于绝缘层的晶区和无定形区的特性分别设定电荷输运模型的参数，得到晶区的第一电荷输运模型和无定形区的第二电荷输运模型，最后将非均质结构几何模型、第一电荷输运模型和第二电荷输运模型导入仿真软件进行仿真计算，得到绝缘层的空间电荷分布结果，从而在考虑绝缘层内部非均质结构的基础上进行空间电荷的分布计算，能够得到更加全面、准确的空间电荷分布结果。电荷分布结果。电荷分布结果。

【技术实现步骤摘要】
高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及电气工程
，特别是涉及一种高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法及系统。

技术介绍

[0002]随着全球气候的不断变暖，二氧化碳减排问题已成为世界各个国家不得不面临的重要环境问题。为了协调能源环境与经济发展之间的关系，大幅度提升电力能源在终端能源消费中的比重势在必行。
[0003]高压电缆作为电力输送的关键电力设备，既能应用在极寒地带、地势较高、海洋河流等不方便架设传统输电线路的地方，还能大幅节省城市的土地资源，有效克服传统架空线路存在的固有弊端。高压直流挤包绝缘电缆所采用的聚合物绝缘材料有着优异的介电性能，因此得到了广泛地应用与推广。然而，在直流电场的作用下，挤包绝缘电缆的绝缘层内部会出现空间电荷的注入与解离现象，这部分积聚在绝缘材料内部的空间电荷，会导致材料内部发生局部的电场畸变，造成绝缘劣化问题，缩短电缆的正常运行寿命，严重时甚至还会引发绝缘击穿，影响电网的安全与稳定运行。研究在外加直流电场作用下，绝缘材料内部空间电荷的行为特性，可以针对上述问题进行具体分析，并提供相应的解决思路，从而保证电力能源的安全与稳定传输。
[0004]然而，现有的对于绝缘材料内部空间电荷的行为特性的研究，都是在将绝缘材料视作均质材料的基础上，对电荷在绝缘材料内部的行为进行分析讨论，这种思路下的电荷在材料内部不同结构的输运行为完全相同。然而挤包绝缘电缆所采用的聚烯烃绝缘材料，本身是一种半结晶的非均质材料，材料内部结构由晶区和无定形区共同组成，而且，由于晶区和无定形区两种结构以及其界面的介电特性存在明显差异，导致电荷在不同结构内部的输运行为不尽相同。因此，现有模型的空间电荷分布的计算结果可能与实际的绝缘层内部的空间电荷分布情况有较大出入，需要在考虑绝缘层内部非均质结构的基础上进行空间电荷的分布计算，得到更加全面、准确的空间电荷分布结果。
[0005]基于此，亟需一种新的考虑高压直流挤包绝缘电缆的非均质结构的空间电荷分布的计算方案。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法及系统，能够计算得到电缆绝缘层内部的空间电荷分布情况，从而为分析高压直流挤包绝缘电缆空间电荷特性的研究提供理论指导与模型支撑。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法，所述计算方法包括：构建高压直流挤包绝缘电缆的绝缘层的非均质结构几何模型；构建所述绝缘层的电荷输运模型，并基于所述绝缘层的晶区的特性设定所述电荷
输运模型的参数，得到所述晶区的第一电荷输运模型，基于所述绝缘层的无定形区的特性设定所述电荷输运模型的参数，得到所述无定形区的第二电荷输运模型；所述电荷输运模型包括表征电子电荷的注入与抽出过程的肖特基注入电流密度表达式和抽出电流密度表达式，表征离子电荷的解离过程的杂质分子解离率表达式和杂质分子浓度变化表达式，以及表征电子电荷和离子电荷的输运特性机制；将所述非均质结构几何模型、所述第一电荷输运模型和所述第二电荷输运模型导入仿真软件进行仿真计算，得到所述绝缘层的空间电荷分布结果。
[0008]一种高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算系统，所述计算系统包括：几何模型构建模块，用于构建高压直流挤包绝缘电缆的绝缘层的非均质结构几何模型；电荷输运模型构建模块，用于构建所述绝缘层的电荷输运模型，并基于所述绝缘层的晶区的特性设定所述电荷输运模型的参数，得到所述晶区的第一电荷输运模型，基于所述绝缘层的无定形区的特性设定所述电荷输运模型的参数，得到所述无定形区的第二电荷输运模型；所述电荷输运模型包括表征电子电荷的注入与抽出过程的肖特基注入电流密度表达式和抽出电流密度表达式，表征离子电荷的解离过程的杂质分子解离率表达式和杂质分子浓度变化表达式，以及表征电子电荷和离子电荷的输运特性机制；仿真计算模块，用于将所述非均质结构几何模型、所述第一电荷输运模型和所述第二电荷输运模型导入仿真软件进行仿真计算，得到所述绝缘层的空间电荷分布结果。
[0009]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术用于提供一种高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法及系统，先构建高压直流挤包绝缘电缆的绝缘层的非均质结构几何模型，再构建绝缘层的电荷输运模型，并基于绝缘层的晶区和无定形区的特性分别设定电荷输运模型的参数，得到晶区的第一电荷输运模型和无定形区的第二电荷输运模型，最后将非均质结构几何模型、第一电荷输运模型和第二电荷输运模型导入仿真软件进行仿真计算，了解电荷在不同结构处的分布情况，得到具有非均质结构的绝缘层内部的实际空间电荷分布情况。这种在考虑绝缘层内部非均质结构的基础上进行的空间电荷分布的计算方法，能够得到更加全面、准确的空间电荷分布结果。其中，非均质结构几何模型的构建具象化了聚烯烃绝缘材料的非均质结构，电荷输运模型的构建规定了绝缘材料内部空间电荷的行为过程，仿真方法则计算得到了高压电缆绝缘层内部的电荷分布规律，该计算方法为高压直流挤包绝缘电缆空间电荷特性的研究提供理论指导与模型支撑。
附图说明
[0010]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0011]图1为本专利技术实施例1所提供的计算方法的方法流程图；图2为本专利技术实施例1所提供的计算方法的原理框图；图3为本专利技术实施例1所提供的绝缘材料内部结构的三相模型的示意图；
图4为本专利技术实施例1所提供的非均质结构几何模型构建过程的原理框图；图5为本专利技术实施例1所提供的电缆的结构示意图；图6为本专利技术实施例1所提供的非均质结构几何模型的示意图；图7为本专利技术实施例1所提供的绝缘材料内部空间电荷的输运行为示意图；图8为本专利技术实施例1所提供的仿真计算过程的原理框图；图9为本专利技术实施例2所提供的计算系统的系统框图。
具体实施方式
[0012]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0013]本专利技术的目的是提供一种考虑挤包绝缘电缆聚烯烃绝缘材料非均质结构的高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法及系统，属于电气工程、高分子材料与物理学科交叉的
，能够计算得到电缆绝缘层内部的空间电荷分布情况，从而为分析高压直流挤包绝缘电缆空间电荷特性的研究提供理论指导与模型支撑，解决现有计算方法存在的不够准确与全面的问题。
[0014]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0015]实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压直流挤包绝缘电缆空间电荷分布的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：构建高压直流挤包绝缘电缆的绝缘层的非均质结构几何模型；构建所述绝缘层的电荷输运模型，并基于所述绝缘层的晶区的特性设定所述电荷输运模型的参数，得到所述晶区的第一电荷输运模型，基于所述绝缘层的无定形区的特性设定所述电荷输运模型的参数，得到所述无定形区的第二电荷输运模型；所述电荷输运模型包括表征电子电荷的注入与抽出过程的肖特基注入电流密度表达式和抽出电流密度表达式，表征离子电荷的解离过程的杂质分子解离率表达式和杂质分子浓度变化表达式，以及表征电子电荷和离子电荷的输运特性机制；将所述非均质结构几何模型、所述第一电荷输运模型和所述第二电荷输运模型导入仿真软件进行仿真计算，得到所述绝缘层的空间电荷分布结果。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述构建高压直流挤包绝缘电缆的绝缘层的非均质结构几何模型具体包括：制作高压直流挤包绝缘电缆的绝缘层的样品；对所述样品进行检测，确定所述样品的尺寸、所述样品内的球晶数量以及所述样品内晶区与无定形区的体积比例；所述尺寸包括长度和宽度；根据所述尺寸绘制非均质结构几何模型的边界，在所述边界内随机设定多个Voronoi种子点，生成Voronoi图；根据所述体积比例在所述Voronoi图中的每一个Voronoi多边形中填充晶区和无定形区，得到所述非均质结构几何模型；所述Voronoi种子点的数量与所述球晶数量相同；所述Voronoi多边形中填充的无定形区环绕所述Voronoi多边形中填充的晶区设置。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述第一电荷输运模型中的注入势垒高于所述第二电荷输运模型中的注入势垒；所述第一电荷输运模型中的抽出系数低于所述第二电荷输运模型中的抽出系数；所述第一电荷输运模型中的杂质分子浓度低于所述第二电荷输运模型中的杂质分子浓度；所述第一电荷输运模型中的电荷迁移率低于所述第二电荷输运模型中的电荷迁移率；所述第一电荷输运模型中的陷阱深度高于所述第二电荷输运模型中的陷阱深度。4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述第一电荷输运模型的抽出电流密度表达式如下：其中，为晶区的空穴的抽出电流密度；r
d
为绝缘层外侧半径；t为时间；为晶区的空穴的抽出系数；为晶区的空穴的迁移率；n
hμ
（r
d
，t）为绝缘层外侧空穴的密度；E(r
d
，t)为局部电场；为晶区的电子的抽出电流密度；r0为绝缘层内侧半径；为晶区的电子的抽出系数；为晶区的电子的迁移率；n
eμ
(r0，t)为绝缘层内侧电子的密度；E(r0，t)为局部电场；所述第二电荷输运模型的抽出电流密度表达式如下：
其中，为无定形区的空穴的抽出电流密度；为无定形区的空穴的抽出系数；为无定形区的空穴的迁移率；为无定形区的电子的抽出电流密度；为无定形区的电子的抽出系数；为无定形区的电子的迁移率。5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述第一电荷输运模型的杂质分子浓度变化表达式如下：度变化表达式如下：；其中，为晶区的杂质分子浓度变化量；S
ptnμ
为受陷正离子和自由负离子复合系数；n
pt
为受陷正离子的密度；n
nμ
为自由负离子的密度；S
pμnμ
为自由正离子和自由负离子复合系数；n
pμ
为自由正离子的密度；S
pμnt
为自由正离子和受陷负离子复合系数；n
nt
为受陷负离子的密度；S
ptnt
为受陷正离子和受陷负离子复合系数；为晶区的杂质分子解离率；为晶区的杂质分子浓度；所述第二电荷输运模型的杂质分子浓度变化表达式如下：所述第二电荷输运模型的杂质分子浓度变化表达式如下：其中，为无定形区的杂质分子浓度变化量；为无定形区的杂质分子解离率；为无定形区的杂质分子浓度。6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述输运特性机制的电荷迁移率表达式如下：其中，为第a种电荷的迁移率，电荷包括自由空穴、受陷空穴、自由电子、受陷电子、自由负离子、受陷负离子、自由正离子和受陷正离子；δ
a
为负离子和正离子的平均跳跃距离；v为尝试逃逸频率；E(r，t)为局部电场；r为绝缘层半径；t为时间；ΔU
ta
为负离子和正离子的迁移势垒；k为玻尔兹曼常数；T为温度；ΔU
na
为电场作用下负离子和正离子的迁移势垒的变化量。7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述输运特性机制还包括：7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述输运特性机制还包括：7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述输运特性机制还包括：其中，下标a表示电荷类型，即a为hμ和ht时表示自由空穴和受陷空穴，a为eμ和et时表示自由电子和受陷电子，a为nμ和nt时表示自由负离子和受陷负离子，a为pμ和pt时表示自由正离子和受陷正离子；j
a
（r，t）为电荷类型为a时，t时刻沿半径r方向的不同位置处的电
流密度；为空间电荷a在绝缘层内部的迁移率；n
a
（r，t）为电荷类型为a时，t时刻沿半径r方向的不同位置处的电荷密度；E(r，t)为t时刻沿半径r方向的不同位置处的电场强度；D
f
为扩散系数；
▽
为微分算子；ρ1(r，t)为t时刻沿半径r方向注入的同极性空间电荷密度；ρ2(r，t)为t时刻沿半径r方向的杂质解离产生的异极性空间电荷密度；为高压直流电缆绝缘层介电常数；s
a
（r，t）表示源项，代表t时刻沿半径r方向的电荷密度的局部变化，源项表示为：示为：；其中，S
eμ
为代表自由电子密度的局部变化的源项；S
hteμ
为受陷空穴和自由电子复合系数；n
ht
为受陷空穴的密度；n
eμ
为自由电子的密度；S
hμeμ
为自由空穴和自由电子复合系数；n
hμ
为自由空穴的密度；B
e
为电子的受陷系数；n
et
为受陷电子的密度；n
oet
为电子的陷阱密度；D
e
为电子的脱陷系数；为电子的脱陷系数；；其中，S
pt
为代表受陷正离子密度的局部变化的源项；S
ptnμ
为受陷正离子和自由负离子复合系数；n
pt
为受陷正离子的密度；n
nμ
为自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜伯学，吴优，李忠磊，郑重，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：