[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

说明书

【技术领域】

本发明属于高电场下液体电介质放电领域，具体涉及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，该方法适用于绝缘油中流注放电过程中分叉行为、带点粒子增殖、消散动态与电荷分布特性数值模拟。

【背景技术】

绝缘油作为优良的工程液体电介质广泛应用于大型电力设备与脉冲功率装置中，而高电场下的电气绝缘与放电问题是限制这类设备整体性能与可靠性的瓶颈之一。液体电介质中的击穿通常被认为是一种流注放电形式，意指所有形式的导电通道形成，如弥散状、树枝状放电。流注放电极易发展成为沿面闪络或直接击穿事件，直接破坏绝缘性能造成电力设备和装置故障，影响系统安全可靠运行。长期以来，关于绝缘油中放电国内外开展了大量实验研究，主要集中在直流、工频和雷电冲击等激励下，发现实验结果受外施电压波形、极性、电极结构、间隙距离等因素的影响很大，对液体电介质放电机理特别是介质的本征特性认识并不一致。

实验研究液体电介质放电特性的方法包括测量脉冲电流值得到视在放电量、放电次数等信息，以及放电过程辐射出的电磁波、光、声等宏观量的观测，而在直接描述绝缘油中放电的起始、发展、消散特别是带电粒子的倍增、运动等过程的测量上存在很大难度，需要借助数值仿真来进一步研究放电过程。而对于绝缘油中放电过程的模拟，西安交通大学等单位已开展了二维仿真，且取得部分的结果，特别是获得了变压器油中模拟计算的关键参数，如相对分子间距、变压器油电离概率函数。但二维仿真不能描述由外界物理随机扰动，如电介质局部密度改变、局部介电常数变化等因素造成的液体电介质放电分叉行为、树枝结构，迫切需要开展绝缘油中全三维放电仿真的研究，这不仅有利于全面揭示液体电介质放电微观动态演化特性和放电通道分叉行为机理，同时对液体电介质中的放电危害性评价提供有力的数据支撑，具有重要的理论价值和现实意义。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种绝缘油中流注放电全三维动态演化过程的数值模拟方法，该方法不但可以直接估计绝缘油放电时电场、荷电粒子浓度的分布，而且能够模拟放电点附近的扰动、电介质局部密度和介电常数的改变等随机因素造成的放电通道分叉、分裂行为，定量描述放电通道树枝状结构以及正、负放电的区别，定量评估放电通道形成过程中空间电荷效应的影响，对液体电介质中的放电危害性评估研究中提供重要的数据支撑和理论依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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，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，包括以下方程组：

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，