[发明专利]一种基于有限元电场仿真的金具起晕电压确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于有限元电场仿真的金具起晕电压确定方法，属超高压工程技术领域。

背景技术

超/特高压输变电工程需要使用大量连接和均压金具。其金具一般处于复杂的电磁环境中，电压高且设备众多，电场分布情况复杂，对于金具的起晕电压特性有较大影响。当前，常见的金具起晕电压确定方法一般通过试验和理论计算确定，试验法对试验设备与人员的要求较高，且一般与现场运行时金具所处的电磁环境不一样；理论计算法通常通过模拟电荷法进行电场计算后结合气体放电理论进行起晕电压计算，但是这种方法只能对简单规则电极进行起晕电压计算。迫切需要一种能考虑金具运行的实际电磁环境的理论计算方法解决金具起晕电压，指导电力金具的结构设计。

发明内容

本发明的目的是，为了寻求一种能考虑金具运行的实际电磁环境的理论计算方法，解决起晕电压的确定问题，本发明提出一种基于有限元电场仿真的金具起晕电压确定方法。

本发明实现的技术方案如下：一种基于有限元电场仿真的金具起晕电压确定方法，所述方法建立金具实际工况下的有限元电场仿真计算模型，计算其在额定电压U₀下的电场分布；建立电晕放电计算物理模型，将最高场强的法线方向的场强值通过软件导入起晕电压计算程序，得到该金具的起晕电压。

金具有限元电场计算：根据CAD图纸建立金具及周围环境内的设备模型，确定好合理的计算边界后进行布尔运算及网格划分，由于重点关注金具的起晕电压，因此对金具及其周围的空气区域内的网格应采取较密的网格划分，以保证计算的精度。计算完成后，根据利用软件自带的后处理功能将金具表面场强最高处的法线上的电场数值导出到一个xls文档即可。

本发明起晕电压的计算方法：

计算电晕起始电压时，首先要得到通过有限元方法计算空间静电场分布，然后建立电晕放电计算物理模型。

(1)计算空间静电场分布

采用有限元计算方法获得电压为U₀时空间电场分布E₀，计算准确性高，可用于各类复杂电极，且可将空间各部位电场导出，供后续计算使用。

(2)建立电晕放电计算物理模型

电晕放电是一电离过程，电极附近空间电场增大到一定程度时，使得电子碰撞电离系数α大于附着系数η的区域叫做电离区域。当初始电子崩从零发展至z处时，电子崩中包含的电子数Ne(z)为：

由于初始电子崩产生的光子向各个方向均匀辐射，只有一部分朝向阴极表面，因此到达阴极表面的光子数目为：

式中g(z)e^-μzz为到达阴极表面的光子占z处产生光子总数的比例。

当电子崩从阴极表面发展到电离区域边界z_i处时，α＝η，电子崩停止倍增，在电离区域边界之外产生的光子数量很小，绝大部分被空气分子吸收，可忽略不计。因此，在计算到达阴极表面的光电子数目时，只考虑电离区域内产生的光子。若到达阴极表面的光子在表面产生一个光电子，便可以形成新的二次电子崩，能产生自持电晕，如下式所示：

式中N_eph为阴极表面光电子的数目；γ_ph为表面光电子发射系数，比例系数k由于被视为常数，因此包含在γ_ph中。

起晕电压计算步骤如下：

(1)导入该路径上的场强值E₀，并将该场强值乘以电压缩放系数d＝Uc/U₀，得到了U_C电压下的场强值E_C；

(2)根据空气放电理论计算该路径的电离系数α和附着系数η，计算式阴极表面光电子数目N_eph。

(3)以ΔU为步长，升高电压，进行步骤(1)、(2)的计算，当计算N_eph值符合终止条件时，停止计算，得到起晕电压U_i。

所述计算N_eph值符合终止条件，是N_eph的计算值小于1。