一种基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法及系统，设计仿真的几何模型、边界条件和环境气体中的碰撞反应；预设击穿场的初始值，求解空间中的电场分布，计算环境气体中的电子能量分布函数；计算序参量的梯度能、空间中的静电能和环境气体的击穿能；计算体系中的总能量函数；将体系总能量函数等效转变为序参量驱动方程；依据序参量驱动方程计算空间中的序参量分布。本发明专利技术能够对分米级尺度的长距离气隙、纳秒级、非对称的击穿过程进行快速仿真模拟且保证计算精度。行快速仿真模拟且保证计算精度。行快速仿真模拟且保证计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法及系统


[0001]本专利技术属于电气工程领域的高电压气体放电
，具体涉及一种基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]由于气体击穿过程中涉及的等离子体组分变化复杂、温度跨度大，实验直接观测该过程难度十分大。因此，绝大多数研究人员都是通过数值仿真手段来研究气体击穿过程中的各种特性。目前，国内外研究气体击穿过程的仿真方法主要有：网格粒子
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蒙特卡罗碰撞模拟法(Particle in Cell
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Monte Carlo Collision，PIC
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MCC)；磁流体动力学
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离散粒子模拟法(Magnetohydrodynamic
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Discrete Particles，MHD
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DP)；流体模型
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泊松方程模拟法。这三种主流仿真方法优缺点如下：
[0003]1)PIC
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MCC方法本质是通过对大量带电粒子随机碰撞过程进行计算进而实现对宏观击穿过程的模拟。该方法的原理决定了当参与碰撞计算的带电粒子足够多时，它将有极高的准确性；同时，其计算成本也会随着参与碰撞计算的带电粒子数量上升而快速上升。因此，目前该方法主要应用于毫米级
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纳秒级的气隙击穿过程仿真。
[0004]2)MHD
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DP方法本质是一种类似PIC
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MCC的方法。相比于PIC<br/>‑
MCC方法而言，该方法保留了背景气体的流动特性，既在一定程度上节约了大量计算量，也能计算流动过程中的击穿问题；但同时，由于离散粒子的数量受到方法本身的限制，远达不到PIC
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MCC方法中的粒子数量，因此该方法在准确性上有着明显的缺陷。目前该方法主要应用于气体流动影响显著(毫秒级以上)的气隙击穿过程仿真。
[0005]3)流体模型
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泊松方程方法是目前应用最为广泛的击穿仿真方法，与前两种方法相同的是该方法同样将背景气体视为流体以节约计算成本，而不同点在于，该方法采用麦克斯韦速度分布函数及泊松方程直接计算电荷密度分布，从而避免了对大量粒子碰撞过程的计算，进一步节约了计算成本。根据大量文章验证结果来看，目前该方法在工程应用中能够同时保持较高的准确性及良好的计算成本。然而，由于受麦克斯韦速度分布函数的对称性影响，该方法仅适合在轴对称模型中使用。因此，目前该方法普遍应用于针
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板/针等轴对称放电模型中。
[0006]目前，在特高压领域，以GIS隔离开关切合短母线为例，该过程中出现了一种击穿过程电弧分叉的现象，持续时间为纳秒级，击穿距离为分米级，且放电模型无法进行轴对称简化。采用PIC
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MCC方法研究该类问题时会面临极高的计算成本以致完全无法计算；采用MHD
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DP方法研究该类问题时，由于离散粒子的数量与实际带电粒子的数量差异更加显著，因而会产生更加显著的偏差；采用流体模型
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泊松方程方法研究该类问题时，则会面临模型无法进行轴对称简化的问题。因此，目前急需一种可以处理纳秒级、长间隙、非对称放电模拟方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法及系统，用于解决传统击穿仿真方法无法模拟长距离间隙、非对称放电过程的技术问题。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法，包括以下步骤：
[0010]S1、确定仿真用几何模型、外施电路和环境气体中的碰撞反应；
[0011]S2、基于步骤S1得到的几何模型确定击穿场，并结合外施电路求解空间电场分布，基于环境气体中的碰撞反应计算环境气体中的电子能量分布函数；
[0012]S3、根据步骤S2得到的击穿场计算序参量梯度能，根据步骤S2得到的空间电场分布确定空间静电能，根据步骤S2得到的电子能量分布函数确定环境气体击穿能；
[0013]S4、基于步骤S3得到的序参量的梯度能、空间静电能和环境气体击穿能计算放电体系中的总能量函数；
[0014]S5、将步骤S4得到的放电体系总能量函数等效转变为序参量驱动方程；
[0015]S6、依据步骤S5得到的序参量驱动方程计算空间中的序参量分布，即得到击穿场分布。
[0016]具体的，步骤S2具体为：
[0017]根据设计的几何模型和给定的边界条件预估击穿场的初始值；根据设计的几何模型和给定的边界条件，通过泊松方程求解空间中的电场分布；根据环境气体的碰撞反应计算环境气体中电子能量分布函数。
[0018]进一步的，基于环境气体的碰撞反应计算环境气体中电子能量分布函数具体为：
[0019]S201、根据环境气体中的组分，在数据库中查找弹性碰撞及弹性碰撞截面；根据环境气体中的组分确定其相应的Boltzmann方程；根据环境气体中的组分，在数据库中查找非弹性碰撞及非弹性碰撞截面；
[0020]S202、对步骤S201得到的Boltzmann方程进行一阶近似，获得对流项W、扩散项D和源项S的表达式；
[0021]S203、将弹性碰撞截面带入步骤S202得到的对流项W的表达式，将非弹性碰撞截面带入源项S的表达式，并联立对流项W、扩散项D和源项S，求解获得电子能量分布函数；
[0022]S204、根据步骤S203得到的电子能量分布函数计算各电离碰撞反应系数和各吸附碰撞反应系数；
[0023]S205、将各电离碰撞反应系数函数求和，获得总电离反应系数函数；将各吸附碰撞反应系数函数求和，获得总吸附反应系数函数；作图求出总电离反应系数函数和总吸附反应系数函数的交叉点，交叉点对应的约化电场强度即为临界击穿约化场强；
[0024]S206、将临界击穿约化场强、环境气体的气压带入静电能公式，计算出环境气体的临界击穿能。
[0025]具体的，步骤S3中，序参量梯度能W
i
(s)计算如下：
[0026][0027]其中，Γ是气体的临界击穿能，s是空间序参量。
[0028]具体的，步骤S3中，空间静电能计算如下：
[0029][0030]其中，ε
r
(s)是气体的介电常数，是空间电位。
[0031]具体的，步骤S3中，环境气体击穿能W
d
(s)计算如下：
[0032][0033]其中，l是导电通道的特征长度，f(s)是插值函数，Γ为气体的临界击穿能。
[0034]具体的，步骤S4中，放电体系的总能量函数如下：
[0035][0036]其中，ε
r
(s)为气体的介电常数，为空间电位，l为导电通道的特征长度，Γ为气体的临界击穿能，f(s)为插值函数，s为空间序参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定仿真用几何模型、外施电路和环境气体中的碰撞反应；S2、基于步骤S1得到的几何模型确定击穿场，并结合外施电路求解空间电场分布，基于环境气体中的碰撞反应计算环境气体中的电子能量分布函数；S3、根据步骤S2得到的击穿场计算序参量梯度能，根据步骤S2得到的空间电场分布确定空间静电能，根据步骤S2得到的电子能量分布函数确定环境气体击穿能；S4、基于步骤S3得到的序参量的梯度能、空间静电能和环境气体击穿能计算放电体系中的总能量函数；S5、将步骤S4得到的放电体系总能量函数等效转变为序参量驱动方程；S6、依据步骤S5得到的序参量驱动方程计算空间中的序参量分布，即得到击穿场分布。2.根据权利要求1所述的基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法，其特征在于，步骤S2具体为：根据设计的几何模型和给定的边界条件预估击穿场的初始值；根据设计的几何模型和给定的边界条件，通过泊松方程求解空间中的电场分布；根据环境气体的碰撞反应计算环境气体中电子能量分布函数。3.根据权利要求2所述的基于相场法的长距离气隙击穿特性仿真方法，其特征在于，基于环境气体的碰撞反应计算环境气体中电子能量分布函数具体为：S201、根据环境气体中的组分，在数据库中查找弹性碰撞及弹性碰撞截面；根据环境气体中的组分确定其相应的Boltzmann方程；根据环境气体中的组分，在数据库中查找非弹性碰撞及非弹性碰撞截面；S202、对步骤S201得到的Boltzmann方程进行一阶近似，获得对流项W、扩散项D和源项S的表达式；S203、将弹性碰撞截面带入步骤S202得到的对流项W的表达式，将非弹性碰撞截面带入源项S的表达式，并联立对流项W、扩散项D和源项S，求解获得电子能量分布函数；S204、根据步骤S203得到的电子能量分布函数计算各电离碰撞反应系数和各吸附碰撞反应系数；S205、将各电离碰撞反应系数函数求和，获得总电离反应系数函数；将各吸附碰撞反应系数函数求和，获得总吸附反应系数函数；作图求出总电离反应系数函数和总吸附反应系数函数的交叉点，交叉点对应的约化电场强度即为临界击穿约化场强；S206、将临界击穿约化场强、环境气体的气压带入静电能公式，计算出环境气体的临界击穿能...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国钢，崔建，孙帅，成林，杨鼎革，
申请(专利权)人：国网陕西省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：