CN104880650A - 一种空气间隙击穿电压预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气间隙击穿电压预测方法，选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素及水平范围；选用能够考察上述因素各个水平的正交表，按照各试验号对应的试验条件依次进行击穿电压试验；加载击穿电压试验值对典型电极结构空气间隙进行静电场计算，从计算结果中提取电场分布参数；采用支持向量机建立击穿电压预测模型，将电场分布参数作为模型的输入，以间隙在加载电压下是否击穿作为模型的输出，采用典型电极结构空气间隙击穿电压试验数据对支持向量机模型进行训练，从而预测得到其他电极结构的空气间隙击穿电压。本发明预测过程简单、准确性高，有助于减少空气间隙放电特性研究所需的试验量，降低试验成本。

Description

一种空气间隙击穿电压预测方法

技术领域

本发明涉及电气外绝缘领域，尤其是涉及一种空气间隙击穿电压预测方法。

背景技术

空气间隙的放电特性是高压交、直流输变电工程的重点关注问题。目前，输变电工程的外绝缘设计主要依赖放电特性试验进行验证，得出的击穿电压与间隙距离的单一关系局限于特定的间隙结构，而对于复杂的间隙结构，难以通过电极尺寸、间隙距离等简单的几何参数对其进行完全的表征，一旦间隙结构发生改变就需要重复试验验证，而空气间隙的放电特性试验多存在周期长、代价高的问题。因此，有必要采用数值仿真手段获取空气间隙的击穿电压，从而降低外绝缘设计所需试验次数。

目前，空气间隙的击穿电压预测主要是基于经典放电理论，依次建立初始电晕起始、流注先导转化、连续先导发展和末跃等各个放电阶段的数学模型或判据，从而实现对放电全过程的仿真分析。然而，由于空气间隙放电物理过程的内在复杂性、测试手段的局限性，以及数值求解算法的不确定性，目前研究中仍存在许多尚未解决的问题，导致物理模型的预测结果与试验测量结果仍存在一定的偏差。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于，提出一种空气间隙击穿电压预测方法，以提高空气间隙击穿电压预测的准确性与便利性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种空气间隙击穿电压预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素，针对各影响因素，选择水平范围，生成因素水平执行表；其中，典型电极结构包括球、棒、板3种电极结构；所述击穿电压影响因素包括间隙类型、电极端部形状、间隙距离；间隙类型的3个水平指球-球、棒-板、棒-棒3种电极结构；电极端部形状的3个水平对于球-球间隙指3种球直径；

步骤2：选用能够考察上述因素各个水平的正交表，按照各试验号对应的试验条件依次进行击穿电压试验，记录试验时的大气环境条件及击穿电压试验值，对试验结果进行大气条件校正；

步骤3：对步骤2中得到的正交表中的典型电极结构空气间隙进行静电场计算，对高压电极施加上述击穿电压试验值，对低压电极和外包空气边界施加零电位，从静电场分布计算结果中提取表征空气间隙储能特征的电场分布参数；

步骤4：采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预测模型，将步骤3中得到的电场分布参数作为预测模型的输入参量，以间隙在加载电压下是否击穿作为预测模型的输出参量，采用上述正交表中的典型电极结构空气间隙击穿电压试验数据对支持向量机模型进行训练，其中，预测模型的输出参量为空气间隙在加载电压下是否击穿，若击穿，则输出1；反之，则输出-1；支持向量机为支持向量分类机；采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预测模型后，通过网格搜索法对支持向量机模型进行参数寻优，所述的参数包括惩罚系数和核函数参数；

步骤5：对待预测电极结构空气间隙施加给定电压，进行静电场计算并提取电场分布参数，将电场分布参数输入至上述经过训练后的支持向量机模型，通过预测得到其击穿电压；具体是：对待预测电极结构空气间隙施加电压初值U₀，若预测模型输出-1，则升高加载电压至U₀+dU，直至预测模型输出1，则此时的加载电压即为待预测电极结构空气间隙的击穿电压；反之，若预测模型输出1，则降低加载电压至U₀-dU，直至预测模型输出-1，从输出1至-1所对应的临界加载电压即为待预测电极结构空气间隙的击穿电压。

在上述的一种空气间隙击穿电压预测方法，所述的步骤3和步骤5中，电场分布参数包括电场强度、电场能量、能量密度、电场梯度、表面积、比例参数；所述的电场强度包括电场强度最大值及平均值，所述的电场梯度包括电场梯度最大值、最小值和平均值，所述的表面积指高压电极表面超过x％最大电场强度的区域面积；所述的比例参数包括电场畸变率，以及空气间隙不同空间位置的电场强度超过x％最大电场强度的区域所占的体积比例和相应的电场能量所占的比例。

本发明借助正交试验设计的思想，对空气间隙击穿电压与电场分布参数的多维非线性关系进行训练，预测过程简单、准确性高，避免了分散性大、物理过程复杂、可测可控性差的放电过程研究，有助于减少空气间隙放电特性研究所需的试验量，降低试验成本。

附图说明

附图1是本发明的方法流程示意图。

附图2是本发明实施例中一组棒-球空气间隙工频击穿电压预测值与试验值对比图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

图1所示为本发明实施例的空气间隙击穿电压预测方法流程示意图，本发明包括如下步骤：

步骤1：选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素，针对各影响因素，选择水平范围，生成因素水平执行表。

本实施例中，选取球-球、棒-板、棒-棒3种典型电极结构空气间隙，其击穿电压影响因素包括间隙类型、电极端部形状、间隙距离。间隙类型的3个水平指球-球、棒-板、棒-棒3种电极结构；电极端部形状的3个水平对于球-球间隙指3种球直径，本实施例中，选取6.25cm、10cm和15cm，对于棒-板间隙和棒-棒间隙，指3种棒电极端部形状，本实施例中，选取圆锥角45°的锥形棒、直径20mm的半球头棒和直径30mm的半球头棒；间隙距离的3个水平指3种不同大小的间距，本实施例中，球-球间隙的间距水平为1cm、2cm、3cm，棒-板间隙的间距水平为1cm、2.5cm、4cm，棒-棒间隙的间距水平为1cm、3cm、5cm。表1为因素水平执行表，对于球隙，D₁、D₂、D₃分别代表6.25、10、15cm三种直径；对于棒-板和棒-棒间隙，D₁、D₂、D₃分别代表45°圆锥棒、Φ20mm半球棒、Φ30mm半球棒三种棒端形状。间距的3个水平d₁、d₂、d₃分别代表三种不同的间距。

表1为因素水平表

步骤2：选用能够考察上述因素各个水平的正交表，按照各试验号对应的试验条件依次进行击穿电压试验，记录试验时的大气环境条件及击穿电压试验值，对试验结果进行大气条件校正。

本实施例中，选取L₉(3³)正交表，见表2，L₉(3³)正交表除表头外共有3列、9行，其中行表头排间隙类型、电极端部形状、间隙距离3个因素，列表头排试验号1～9；将3个因素占有的各列中对应的水平数“1”、“2”、“3”换成各因素的具体水平，将其填于表格中各试验号对应位置中；按照表2所示正交表对各空气间隙进行工频击穿电压试验，采用国家标准GB/T16927.1-2011将试验结果校正至标准大气条件；在表2中第3列右端插入1列，表头中填写“击穿电压”，该列用于填写各试验号下的试验条件对应的试验结果。

表2为正交设计表

步骤3：对上述正交表中的典型电极结构空气间隙进行静电场计算，对高压电极施加上述击穿电压试验值，对低压电极和外包空气边界施加零电位，从静电场分布计算结果中提取表征空气间隙储能特征的电场分布参数。

本实施例中，采用有限元分析软件ANSYS建立表2中9种空气间隙的二维轴对称模型，对高压电极施加对应的击穿电压，对低压电极和外包空气边界施加零电位，从静电场分布计算结果中提取整个计算区域内不同空间位置的电场强度、电场能量、能量密度、电场梯度、表面积、比例参数等电场分布参数；所述的空间位置包括高压电极表面，高、低压电极之间一定宽度的放电通道，高、低压电极之间的最短路径，以及除最外层外包空气之外的整个计算区域。本实施例中，所提取的电场分布参数共50个，如表3所示，经相关性分析降维后，剩余27个，分别为：1)高压电极表面：E_ms、S_90s、S_r90s、S_75s、S_r50s、S_25s；2)放电通道：E_md、E_ad、W_d、V_r75d、W_r75d、W_r25d、V_r24d、W_r24d；3)最短路径：E′_max、E′_min、E′_ave、E′_r50、L₂₄、L₇、L_r7；4)整个区域：E_mw、E_aw、E_dw、W_w、W_dw、V_r90w。

表3为电场分布参数

步骤4：采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预测模型，将上述电场分布参数作为预测模型的输入参量，以间隙在加载电压下是否击穿作为预测模型的输出参量，采用上述正交表中的典型电极结构空气间隙击穿电压试验数据对支持向量机模型进行训练。

本实施例中，采用LIBSVM工具箱建立空气间隙击穿电压预测模型，对表2所示的9种典型电极结构空气间隙，设其击穿电压为U_b，定义[0.9U_b,U_b)为未击穿区间，定义[U_b,1.1U_b]为击穿区间，未击穿区间和击穿区间对应的输出分别为-1和1,；将9种典型电极空气间隙未击穿区间和击穿区间对应电压下的电场分布参数输入至支持向量机预测模型，以间隙在加载电压下是否击穿作为预测模型的输出参量(1或-1)，采用网格搜索法对预测模型的惩罚系数和核函数参数进行寻优，惩罚系数和核函数参数的取值区间分别设置为[2³，2⁹]和[2^-8，2^-2]，步长均为2^0.1，寻优结果为：惩罚系数为445.7219，核函数参数为0.25，进而对空气间隙击穿电压与电场分布参数的多维非线性关系进行训练。

步骤5：对待预测电极结构空气间隙施加给定电压，进行静电场计算并提取电场分布参数，将电场分布参数输入至上述经过训练后的支持向量机模型，通过预测得到其击穿电压。

本实施例中，选取棒-球空气间隙作为待预测电极结构，棒电极为直径30mm的半球头棒，球电极直径为9.75cm，间隙距离为1～11cm。对每个间距下的棒-球间隙，施加电压初值U₀，对其进行静电场计算并提取上述27个电场分布参数，将其输入至经过训练后的支持向量机预测模型，根据模型输出结果调整加载电压，预测模型输出1至-1所对应的临界加载电压即为棒-球空气间隙的击穿电压预测值。将预测值与试验值对比，并进行误差分析，本实施例中，棒-球空气间隙工频击穿电压预测值与试验值对比如图2所示，18个间距下的预测结果平均绝对百分比误差仅为2.33％。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种空气间隙击穿电压预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素，针对各影响因素，选择水平范围，生成因素水平执行表；其中，典型电极结构包括球、棒、板3种电极结构；所述击穿电压影响因素包括间隙类型、电极端部形状、间隙距离；间隙类型的3个水平指球-球、棒-板、棒-棒3种电极结构；电极端部形状的3个水平对于球-球间隙指3种球直径；

步骤2：选用能够考察上述因素各个水平的正交表，按照各试验号对应的试验条件依次进行击穿电压试验，记录试验时的大气环境条件及击穿电压试验值，对试验结果进行大气条件校正；

步骤3：对步骤2中得到的正交表中的典型电极结构空气间隙进行静电场计算，对高压电极施加上述击穿电压试验值，对低压电极和外包空气边界施加零电位，从静电场分布计算结果中提取表征空气间隙储能特征的电场分布参数；

步骤4：采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预测模型，将步骤3中得到的电场分布参数作为预测模型的输入参量，以间隙在加载电压下是否击穿作为预测模型的输出参量，采用上述正交表中的典型电极结构空气间隙击穿电压试验数据对支持向量机模型进行训练，其中，预测模型的输出参量为空气间隙在加载电压下是否击穿，若击穿，则输出1；反之，则输出-1；支持向量机为支持向量分类机；采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预测模型后，通过网格搜索法对支持向量机模型进行参数寻优，所述的参数包括惩罚系数和核函数参数；

步骤5：对待预测电极结构空气间隙施加给定电压，进行静电场计算并提取电场分布参数，将电场分布参数输入至上述经过训练后的支持向量机模型，通过预测得到其击穿电压；具体是：对待预测电极结构空气间隙施加电压初值U ₀，若预测模型输出-1，则升高加载电压至U ₀+dU，直至预测模型输出1，则此时的加载电压即为待预测电极结构空气间隙的击穿电压；反之，若预测模型输出1，则降低加载电压至U ₀-dU，直至预测模型输出-1，从输出1至-1所对应的临界加载电压即为待预测电极结构空气间隙的击穿电压。

2.根据权利要求1所述的一种空气间隙击穿电压预测方法，其特征在于，所述的步骤3和步骤5中，电场分布参数包括电场强度、电场能量、能量密度、电场梯度、表面积、比例参数；所述的电场强度包括电场强度最大值及平均值，所述的电场梯度包括电场梯度最大值、最小值和平均值，所述的表面积指高压电极表面超过x%最大电场强度的区域面积；所述的比例参数包括电场畸变率，以及空气间隙不同空间位置的电场强度超过x%最大电场强度的区域所占的体积比例和相应的电场能量所占的比例。