[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

摘要

本发明公开了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，该方法首先建立绝缘油中放电模型和描述绝缘油中放电物理过程的电流体动力学模型，然后确定控制方程中的物理量参数、设定物理扰动点、确定边界条件以及对求解域和边界进行网格剖分，利用有限元软件对控制方程进行数值求解和后处理，得到流注放电中电场强度、粒子浓度分布特征和放电通道分叉行为的时空演化动态。本发明能够直接估计绝缘油放电时电场强度、荷电粒子浓度分布，定量评估放电通道形成过程中空间电荷效应的影响，而且能模拟由随机扰动造成的放电分叉行为，为液体电介质中放电危害性评估的研究提供重要数据支撑和理论依据。

主权项

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；ρp、ρn和ρe分别是放电空间的正离子、负离子和电子的密度；μp、μn和μe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＝ε0εr，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数；e为电子电量；为电场电位；为电场强度；Rpe与Rpn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；τa表示绝缘油中电子吸附时间；T、v、ρl、cv和kT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Rpe、正‑负离子复合率Rpn、正离子迁移率μp、负离子迁移率μn、电子迁移率μe以及绝缘油中电子吸附时间τa；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。