[发明专利]一种绝缘油中流注放电三维动态演化过程的数值模拟方法

权利要求书

1.一种绝缘油中流注放电三维动态演化过程的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立绝缘油中三维放电模型：首先确立绝缘油中放电电极结构，然后利用绘图软件绘制绝缘油中放电电极结构，确定放电电极的形状尺寸、电极曲率半径以及不同介质区域，设定求解域和边界；

2)建立描述绝缘油中放电物理过程的电流体动力学模型：具体地说，包括以下控制方程组：

∂ρp∂t+▿·(ρpμpE→)=GI(|E→|)+ρpρeRpee+ρpρnRpne---(1)]]>

∂ρn∂t-▿·(ρnμnE→)=ρeτa-ρpρnRpne---(2)]]>

∂ρe∂t-▿·(ρeμeE→)=-GI(|E→|)-ρpρeRpee-ρeτa---(3)]]>

∂T∂t+v·▿T=1ρlcv(kT▿2T+E→·J→)---(5)]]>

式中：为拉普拉斯运算符；

ρ_p、ρ_n和ρ_e分别是放电空间的正离子、负离子和电子的密度；

μ_p、μ_n和μ_e分别为放电空间的正离子、负离子和电子的迁移率；

t表示绝缘油中的放电时间；

表示绝缘油中电荷密度产生速率源项；

ε表示介电常数，ε＝ε₀ε_r，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；

e为电子电量；

为电场电位；

为电场强度；

R_pe与R_pn分别表示放电空间的正离子-电子复合率与正-负离子复合率；

τ_a表示绝缘油中电子吸附时间；

T、v、ρ_l、c_v和k_T分别为绝缘油的温度、流动速度、密度、比热和热导系数；

用项来反映在高电场下带电粒子运动所产生的焦耳热，其中为电流密度，

其中，电荷密度产生速率源项的计算公式如下：

GI(|E→|)=e2n0a|E→|hexp(-π2m*aIP(E→)2eh2|E→|)---(6)]]>

式中：h表示普朗克常量；

a为绝缘油的分子间距；

m*表示绝缘油中的有效电子质量；

n₀表示可被电离的分子基团数密度；

表示液体电介质的电离能函数，Δ₀和γ为电离能函数参数，其中，Δ₀表示绝缘油分子本征电离能，γ表示电离能估计修正系数；

3)确定步骤2)中控制方程组的物理量参数，包括放电空间的正离子-电子复合率R_pe、正-负离子复合率R_pn、正离子迁移率μ_p、负离子迁移率μ_n、电子迁移率μ_e以及绝缘油中电子吸附时间τ_a；

4)设定步骤1)中所确定的求解域中的物理扰动点，设置的物理扰动点包括绝缘油介电常数变化、绝缘油密度不均匀以及局部电离能变化；

5)确定步骤1)中所述的绝缘油放电区域仿真边界条件：对电极与绝缘油接触边界、远场边界以及连续边界进行标定；

其中，对电极与绝缘油接触边界、远场边界以及连续边界进行标定，具体如下：

a)对于泊松方程(4)，高压电极设定为高电压激励，电压形式为脉冲、直流或交流，地电极的电位设定为零，对于计算区域的各个面边界取零电荷边界条件n·D＝0；

b)对于三个流体方程(1)、(2)及(3)，高压电极与地电极均取对流扩散条件计算区域的各个面边界取零电荷边界条件n·N＝0，其中N＝ρμE；

c)对于热传导方程(5)，计算区域的各个面边界均取热绝缘边界

6)对步骤1)和4)中所述的求解域和边界进行网格剖分：不同求解域和边界设定网格参数，包括最大单元尺寸、单元增长率和网格划分方法；

7)结合步骤5)对步骤1)中的方程组进行数值求解：利用有限元仿真软件对油中放电模型进行求解，估计计算时间、设定时间步长和误差容忍度；

8)对步骤7)得到的计算结果进行处理，得到流注放电电场强度、粒子浓度分布特征和流注分叉行为的动态演化动态。