CN111766484B - 长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统及其计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长空气球‑板间隙放电先导发展路径计算系统，包括相互电连接的冲击电压发生器和分压器、与分压器电连接的球形实验电极和接地的镀锌电极板、高电位瞬态电流测量装置、电场传感器、光电倍增管、高速摄像机、示波器、与高电位瞬态电流测量装置、电场传感器、光电倍增管、高速摄像机和示波器通讯连接的模拟终端。本发明能够改进现有技术的不足，简化了测量流程，计算大尺寸球‑板间隙先导发展路径。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备故障诊断技术领域，尤其是一种长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统及其计算方法。
背景技术
阀厅是直流输电工程换流站的核心部分，担负着交直流相互转换的重要任务，其内部设备依靠各种结构型式的金具相互连接。屏蔽球是阀厅内应用最为广泛的一种金具形式，其与周围墙面或地面形成的球-板间隙，相较以往棒-板和棒-棒等间隙类型，呈现电极表面起晕面积更大、放电起始位置更加随机的显著特点，从而影响流注起始及放电发展特性。因此研究长空气球-板间隙放电发展观测系统及计算方法，对于换流站阀厅屏蔽球设计优化及空气间隙绝缘距离选择具有重要的学术意义和应用价值。
Les Renardières Group开展了大量的试验研究，获得了长间隙放电通道的光学形态、瞬态光功率、空间瞬态场强等特征参数，对长间隙放电发展过程有较深入的认识，将该过程划分为初始流注，暗期，先导和末跃四个阶段，为开展长间隙物理机制研究以及仿真模型搭建提供了数据基础。Les Renardières Group根据正极性冲击电压下流注起始的特定条件提出了计算流注起始的临界体积模型，清华大学团队则从有效自由电子形成过程出发，引入概率密度函数描述流注起始时延，考虑电压变化率对流注起始场强的影响，获得了适用于棒-板间隙的流注起始判据。而试验观测和理论研究表明，临界体积内自由电子出现的概率还跟电场空间分布有关，即初始电晕的起始时延受电极曲率半径及间隙距离的影响。
根据长间隙放电路径发展具有自相似性的特点，在放电通道发展模型中引入了分形理论。1984年，Niemeyer等人基于分形理论建立了气体击穿的分形网格模型即分形电介质击穿(NPW)模型，提出放电的发展与间隙的电场分布有关且服从概率分布。1986年，Wiesmann和Zeller在PNW模型基础上，考虑了不同电介质放电过程中放电通道内部存在电压降以及临界起始场强等影响因素，引入电树发展过程中的放电阈值电压和电树通道内部压降电场参数，建立WZ模型。1999年，Noskov等人提出了不均匀绝缘体系中放电路径发展的NKL模型，考虑到注入空间电荷以及杂质等对放电结构的影响，在PNW模型基础上引入泊松方程计算电场强度分布。但是，上述模型的测量计算流程复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统及其计算方法，能够解决现有技术的不足，简化了测量流程，计算大尺寸球-板间隙先导发展路径。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统，包括，
相互电连接的冲击电压发生器和分压器，用于生成电压信号触发源；
与分压器电连接的球形实验电极和接地的镀锌电极板，用于形成实验放电电场；
高电位瞬态电流测量装置，用于测量放电过程中的高电位电流，以确定初始流注发展过程中注入电荷量；
电场传感器，用于测量放电过程中的空间瞬态电场，以确定初始流注发展过程中初始流注起始场强、初始流注场强跃升幅值和畸变电场恢复时间；
光电倍增管，用于测量放电过程中瞬时光功率，以确定初始流注发展过程中初始流注起止时间；
高速摄像机，用于观测放电通道运动轨迹和放电发展速度；
示波器，用于采集空间场强、瞬时光功率和电极电压信号；
模拟终端，与高电位瞬态电流测量装置、电场传感器、光电倍增管、高速摄像机和示波器通讯连接，用于建立流注-先导发展模型。
作为优选，光电倍增管采用全绝缘尾纤作为感应窗口。
一种上述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，包括以下步骤：
A、冲击电压发生器经过分压器输出电压信号，当幅值超过触发电平后，示波器同步采集空间场强、瞬时光功率和电极电压信号，并同时触发高速摄像机，光电倍增管测量放电过程中瞬时光功率，电场传感器测量空间瞬态电场，获得放电通道空间电荷增量，高电位瞬态电流测量装置测量放电过程中的高电位电流，确定初始流注发展过程中注入电荷量；计算得出适用于大直径球-板间隙的流注起始判据；
B、建立多流注起始与电压上升率和起始电压的概率模型；
C、基于分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点；
D、利用电位畸变法计算球电极流注空间电荷增量确定流注发展边界；
E、计算流注-先导转化时间；
F、基于路径曲折系数建立流注-先导发展模型。
作为优选，步骤A中，适用于大直径球-板间隙的流注起始判据的计算过程包括以下步骤：
冲击电压作用下的大直径球-板间隙流注起始场强表示为，
Ei＝E0+ΔE
式中，Ei为冲击电压作用下流注起始场强；E0为直流电压作用下流注起始所需最小场强；ΔE为与直流电压作用相比的起始场强增量，即统计时延内的场强增量；
根据观测系统得到的初始流注特征参数值，拟合得到初始流注起始场强与电极曲率、间隙距离以及电压上升率的关系，进而求得大直径球-板间隙的流注起始判据。
作为优选，步骤B中，建立多流注起始与电压上升率和起始电压的概率模型为包括以下步骤，
大直径球电极由于放电区域大，流注起始位置分散性更大，临界体积内产生的新有效电子会在背景电场的作用下在球电极表面运动，形成新的流注，因此在初始流注起始时出现多个流注分支的概率增加，根据下式计算后续流注形成时延概率，
式中，Ui为起始电压，h为受电场分布和环境条件影响的系数。
作为优选，步骤C中，基于分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点的步骤为，
关于流注发展概率确定流注新发展点采用WZ模型，基于泊松方程计算所得空间各点电位分布，得到流注发展概率与局部电场之间的关系为，
式中，E(i，j)表示为流注待发展点处的电场强度，Z＝∑|E(i，j)|η表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；
注待发展点的电位分布是拉普拉斯场和泊松场的叠加，建模仿真时将电荷增量作用效应施加至待发展点，根据分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点，从而模拟空间电荷对流注发展的影响；
流注每一步发展时间步长Δt为，
式中，θ表示时间转移系数，与气体介质放电特性及具体的放电发展过程有关；
根据流注待发展点的发展概率确定待发展点位置。
作为优选，步骤D中，利用电位畸变法计算流注通道空间电荷包括以下步骤，
根据下式计算流注通道的空间电荷量，
其中Z表示流注的长度，KQ为空间电荷电位畸变系数，反映了包括流注长度与分支数目等流注几何特性。
作为优选，步骤E中，计算流注-先导转化时间的步骤包括，
根据流注-先导转化中气体平动动能平衡方程式，
流注通道内气体分子振动动能式，
得到流注-先导转化中气体分子振动动能平衡方程式，
式中，k为波尔茨曼常数；nh为气体分子密度；r0为流注分支根部初始半径；E为流注分支根部通道平均场强；I为流注分支根部流过的电流强度；Th为气体的平动动能温度；Tv为气体的振动动能温度；τvt为振动动能转化为平动动能的时间常数；fe、fr和ft分别为电子激发能、转动动能和平动动能的分配系数；εv为氮气分子振动基态激发所需能量；
联立上述三个公式，计算得到流注-先导转化时间与初始流注注入电荷量之间的关系。
作为优选，步骤F中，基于路径曲折系数建立流注-先导发展模型步骤为，
F1、计算先导通道增长单位长度所需电荷量，
F2、计算先导发展速度，
式中，a＝189.40；b＝35.91；c＝5.59×105；d＝0.66；
F3、计算得到流注-先导稳定发展过程中流注空间电荷量，
考虑先导和流注的伸长，分别伸长至zt(t+dt)，zs(t+dt)，则间隙电位为U2(t+dt，z)，间隙背景电位为Ucc(t+dt，z)，计算得到流注-先导稳定发展过程中流注空间电荷量，
F4、计算先导发展长度，
根据先导增加单位长度所需要电荷量以及增加电荷量和求出先导微元段实际增加长度，
先导微元段在轴线上的长度Δlz(t+dt)为，
其中，μ为路径曲折系数
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：
1、本发明提出适用于大曲率半径球电极的长间隙放电流注起始判据，为阀厅金具设计提供理论参考依据。该判据充分考虑了间隙距离、曲率半径和电压上升率对初始自由电子出现概率的影响，结合试验数据，建立符合球-板长间隙放电规律的流注起始场强判据；
2、建立符合流注实际放电形态的空间电荷模型，为长空气间隙放电模型的完善奠定基础。通过高电位电流测量系统确定初始流注注入电荷量，使得模型与实际更为相符；
3、确立完整的放电发展路径计算方法，为研究外绝缘试验提供了理论依据，降低了试验工作量，有利于提高直流输电系统的稳定性和安全性。
附图说明
图1是本发明模拟系统的原理图。
图2是本发明的总体流程图。
图3是本发明流注起始判据流程图。
具体实施方式
参照图1-3，本发明的一个具体实施方式包括，
相互电连接的冲击电压发生器1和分压器2，用于生成电压信号触发源；
与分压器2电连接的球形实验电极3和接地的镀锌电极板4，用于形成实验放电电场；
高电位瞬态电流测量装置5，用于测量放电过程中的高电位电流，以确定初始流注发展过程中注入电荷量；
电场传感器6，用于测量放电过程中的空间瞬态电场，以确定初始流注发展过程中初始流注起始场强、初始流注场强跃升幅值和畸变电场恢复时间；
光电倍增管7，用于测量放电过程中瞬时光功率，以确定初始流注发展过程中初始流注起止时间；
高速摄像机8，用于观测放电通道运动轨迹和放电发展速度；
示波器9，用于采集空间场强、瞬时光功率和电极电压信号；
模拟终端10，与高电位瞬态电流测量装置5、电场传感器6、光电倍增管7、高速摄像机8和示波器9通讯连接，用于建立流注-先导发展模型。
所述光电倍增管7采用全绝缘尾纤作为感应窗口。
一种上述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，包括以下步骤：
A、冲击电压发生器1经过分压器2输出电压信号，当幅值超过触发电平后，示波器9同步采集空间场强、瞬时光功率和电极电压信号，并同时触发高速摄像机8，光电倍增管7测量放电过程中瞬时光功率，电场传感器6测量空间瞬态电场，获得放电通道空间电荷增量，高电位瞬态电流测量装置5测量放电过程中的高电位电流，确定初始流注发展过程中注入电荷量；计算得出适用于大直径球-板间隙的流注起始判据；
B、建立多流注起始与电压上升率和起始电压的概率模型；
C、基于分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点；
D、利用电位畸变法计算球电极流注空间电荷增量确定流注发展边界；
E、计算流注-先导转化时间；
F、基于路径曲折系数建立流注-先导发展模型。
步骤A中，适用于大直径球-板间隙的流注起始判据的计算过程包括以下步骤：
冲击电压作用下的大直径球-板间隙流注起始场强表示为，
Ei＝E0+ΔE
式中，Ei为冲击电压作用下流注起始场强；E0为直流电压作用下流注起始所需最小场强；ΔE为与直流电压作用相比的起始场强增量，即统计时延内的场强增量；
根据观测系统得到的初始流注特征参数值，拟合得到初始流注起始场强与电极曲率、间隙距离以及电压上升率的关系，进而求得大直径球-板间隙的流注起始判据。
步骤B中，建立多流注起始与电压上升率和起始电压的概率模型为包括以下步骤，
大直径球电极由于放电区域大，流注起始位置分散性更大，临界体积内产生的新有效电子会在背景电场的作用下在球电极表面运动，形成新的流注，因此在初始流注起始时出现多个流注分支的概率增加，根据下式计算后续流注形成时延概率，
式中，Ui为起始电压，h为受电场分布和环境条件影响的系数。
步骤C中，基于分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点的步骤为，
关于流注发展概率确定流注新发展点采用WZ模型，基于泊松方程计算所得空间各点电位分布，得到流注发展概率与局部电场之间的关系为，
式中，E(i，j)表示为流注待发展点处的电场强度，Z＝∑|E(i，j)|η表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；
注待发展点的电位分布是拉普拉斯场和泊松场的叠加，建模仿真时将电荷增量作用效应施加至待发展点，根据分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点，从而模拟空间电荷对流注发展的影响；
流注每一步发展时间步长Δt为，
式中，θ表示时间转移系数，与气体介质放电特性及具体的放电发展过程有关；
根据流注待发展点的发展概率确定待发展点位置。
步骤D中，利用电位畸变法计算流注通道空间电荷包括以下步骤，
根据下式计算流注通道的空间电荷量，
其中Z表示流注的长度，KQ为空间电荷电位畸变系数，反映了包括流注长度与分支数目等流注几何特性。
步骤E中，计算流注-先导转化时间的步骤包括，
根据流注-先导转化中气体平动动能平衡方程式，
流注通道内气体分子振动动能式，
得到流注-先导转化中气体分子振动动能平衡方程式，
式中，k为波尔茨曼常数；nh为气体分子密度；r0为流注分支根部初始半径；E为流注分支根部通道平均场强；I为流注分支根部流过的电流强度；Th为气体的平动动能温度；Tv为气体的振动动能温度；τvt为振动动能转化为平动动能的时间常数；fe、fr和ft分别为电子激发能、转动动能和平动动能的分配系数；εv为氮气分子振动基态激发所需能量；
联立上述三个公式，计算得到流注-先导转化时间与初始流注注入电荷量之间的关系。
步骤F中，基于路径曲折系数建立流注-先导发展模型步骤为，
F1、计算先导通道增长单位长度所需电荷量，
F2、计算先导发展速度，
式中，a＝189.40；b＝35.91；c＝5.59×105；d＝0.66；
F3、计算得到流注-先导稳定发展过程中流注空间电荷量，
考虑先导和流注的伸长，分别伸长至zl(t+dt)，zs(t+dt)，则间隙电位为U2(t+dt，z)，间隙背景电位为Ucc(t+dt，z)，计算得到流注-先导稳定发展过程中流注空间电荷量，
F4、计算先导发展长度，
根据先导增加单位长度所需要电荷量以及增加电荷量和求出先导微元段实际增加长度，
先导微元段在轴线上的长度Δlz(t+dt)为，
其中，μ为路径曲折系数
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统，其特征在于：包括，
相互电连接的冲击电压发生器(1)和分压器(2)，用于生成电压信号触发源；
与分压器(2)电连接的球形实验电极(3)和接地的镀锌电极板(4)，用于形成实验放电电场；
高电位瞬态电流测量装置(5)，用于测量放电过程中的高电位电流，以确定初始流注发展过程中注入电荷量；
电场传感器(6)，用于测量放电过程中的空间瞬态电场，以确定初始流注发展过程中初始流注起始场强、初始流注场强跃升幅值和畸变电场恢复时间；
光电倍增管(7)，用于测量放电过程中瞬时光功率，以确定初始流注发展过程中初始流注起止时间；
高速摄像机(8)，用于观测放电通道运动轨迹和放电发展速度；
示波器(9)，用于采集空间场强、瞬时光功率和电极电压信号；
模拟终端(10)，与高电位瞬态电流测量装置(5)、电场传感器(6)、光电倍增管(7)、高速摄像机(8)和示波器(9)通讯连接，用于建立流注-先导发展模型。
2.根据权利要求1所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统，其特征在于：所述光电倍增管(7)采用全绝缘尾纤作为感应窗口。
3.一种权利要求1或2所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，其特征在于包括以下步骤：
A、冲击电压发生器(1)经过分压器(2)输出电压信号，当幅值超过触发电平后，示波器(9)同步采集空间场强、瞬时光功率和电极电压信号，并同时触发高速摄像机(8)，光电倍增管(7)测量放电过程中瞬时光功率，电场传感器(6)测量空间瞬态电场，获得放电通道空间电荷增量，高电位瞬态电流测量装置(5)测量放电过程中的高电位电流，确定初始流注发展过程中注入电荷量；计算得出适用于大直径球-板间隙的流注起始判据；
B、建立多流注起始与电压上升率和起始电压的概率模型；
C、基于分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点；
D、利用电位畸变法计算球电极流注空间电荷增量确定流注发展边界；
E、计算流注-先导转化时间；
F、基于路径曲折系数建立流注-先导发展模型。
4.根据权利要求3所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，其特征在于：步骤A中，适用于大直径球-板间隙的流注起始判据的计算过程包括以下步骤：
冲击电压作用下的大直径球-板间隙流注起始场强表示为，
Ei＝E0+ΔE
式中，Ei为冲击电压作用下流注起始场强；E0为直流电压作用下流注起始所需最小场强；ΔE为与直流电压作用相比的起始场强增量，即统计时延内的场强增量；
根据观测系统得到的初始流注特征参数值，拟合得到初始流注起始场强与电极曲率、间隙距离以及电压上升率的关系，进而求得大直径球-板间隙的流注起始判据。
5.根据权利要求4所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，其特征在于：步骤B中，建立多流注起始与电压上升率和起始电压的概率模型为包括以下步骤，
大直径球电极由于放电区域大，流注起始位置分散性更大，临界体积内产生的新有效电子会在背景电场的作用下在球电极表面运动，形成新的流注，因此在初始流注起始时出现多个流注分支的概率增加，根据下式计算后续流注形成时延概率，
式中，Ui为起始电压，h为受电场分布和环境条件影响的系数。
6.根据权利要求5所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，其特征在于：步骤C中，基于分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点的步骤为，
关于流注发展概率确定流注新发展点采用WZ模型，基于泊松方程计算所得空间各点电位分布，得到流注发展概率与局部电场之间的关系为，
式中，E(i，j)表示为流注待发展点处的电场强度，Z＝∑|E(i，j)|η表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；
流注待发展点的电位分布是拉普拉斯场和泊松场的叠加，建模仿真时将电荷增量作用效应施加至待发展点，根据分形维数模型计算流注发展概率以确定新发展点，从而模拟空间电荷对流注发展的影响；
流注每一步发展时间步长Δt为，
式中，θ表示时间转移系数，与气体介质放电特性及具体的放电发展过程有关；
根据流注待发展点的发展概率确定待发展点位置。
7.根据权利要求6所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，其特征在于：步骤D中，利用电位畸变法计算流注通道空间电荷包括以下步骤，
根据下式计算流注通道的空间电荷量，
其中Z表示流注的长度，KQ为空间电荷电位畸变系数，反映了包括流注长度与分支数目等流注几何特性。
8.根据权利要求7所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，其特征在于：步骤E中，计算流注-先导转化时间的步骤包括，
根据流注-先导转化中气体平动动能平衡方程式，
流注通道内气体分子振动动能式，
得到流注-先导转化中气体分子振动动能平衡方程式，
式中，k为波尔茨曼常数；nh为气体分子密度；r0为流注分支根部初始半径；E为流注分支根部通道平均场强；I为流注分支根部流过的电流强度；Th为气体的平动动能温度；Tv为气体的振动动能温度；τvt为振动动能转化为平动动能的时间常数；fe、fr和ft分别为电子激发能、转动动能和平动动能的分配系数；εv为氮气分子振动基态激发所需能量；
联立上述三个公式，计算得到流注-先导转化时间与初始流注注入电荷量之间的关系。
9.根据权利要求8所述的长空气球-板间隙放电先导发展路径计算系统的计算方法，其特征在于：步骤F中，基于路径曲折系数建立流注-先导发展模型步骤为，
F1、计算先导通道增长单位长度所需电荷量，
F2、计算先导发展速度，
式中，a＝189.40；b＝35.91；c＝5.59×105；d＝0.66；
F3、计算得到流注-先导稳定发展过程中流注空间电荷量，
考虑先导和流注的伸长，分别伸长至zl(t+dt)，zs(t+dt)，则间隙电位为U2(t+dt，z)，间隙背景电位为Ucc(t+dt，z)，计算得到流注-先导稳定发展过程中流注空间电荷量，
F4、计算先导发展长度，
根据先导增加单位长度所需要电荷量以及增加电荷量和求出先导微元段实际增加长度，
先导微元段在轴线上的长度Δlz(t+dt)为，
其中，μ为路径曲折系数
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