CN112115633A - 一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法 - Google Patents

一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法，包括如下步骤：步骤一、通过comsol建模软件建立了有限元分析模型；步骤二、模型中插入初始参数；步骤三、将模型与MATLAB编程软件进行关联，在程序中随着时间滚动模拟运行以此得到相应数据,以模拟在不同条件下测量的PD模式和PD脉冲。通过这种仿真方法，不但能更加透彻的理论性明白老化过程当中物理过程，并且提供一种仿真方法来分析实际生产和运行维护当中绝缘材料内部局部放电所发生的原理，进而来判断老化程度，以此来对缺陷危急程度进行分类，对不同程度缺陷情况做出相应的应对措施，来减少不必要的损失和提高生产及运行效率和可靠性。

Description

一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真 方法
技术领域
本发明属于电力工业技术领域，涉及电力系统中的局部放电研究，特别涉及一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法。
背景技术
由于制造过程中引入的缺陷，绝缘材料中会出现微缺陷，如微型腔，突起和污染物。此外，在设备的工厂测试期间，这些缺陷可能无法检测到，但在电力压力下运行时，这些缺陷的影响可能会变得明显。空隙的较低介电常数导致空隙中的电场高于聚合物绝缘，这可能导致局部放电(PD)发生。导致空隙里的PD的两个条件是当施加的电压高于初始电压并且也存在自由电子时。高能量的自由电荷会轰击空隙表面。由于空隙表面的化学老化和热老化，空隙表面的电导率将增加，这将对空隙内的电场产生影响。因此，在退化过程中，由于表面电导率发生变化，可以发现不同的PD图案。因此，开发了一种物理PD老化模型来模拟老化过程中观察到的PD模式，以此发现老化过程当中各种物理参数的变化，以便于更深入了解实验过程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、通过comsol建模软件建立了有限元分析模型；
步骤二、模型中插入初始参数；
步骤三、将模型与MATLAB编程软件进行关联，在程序中随着时间滚动模拟运行以此得到相应数据,以模拟在不同条件下测量的PD模式和PD脉冲。
进一步的：步骤一建立的模型由直径1mm的半球形空隙、厚度为0.05mm的空隙表面和厚度为2mm且直径为50mm的均匀绝缘材料区域组成，均匀绝缘材料区域的上端设置正电极、下端设置地极；在空隙中心的顶部和底部，增加两个微小的空隙表面老化区域，老化区域的老化范围球直径为0.005mm；空隙中心的水平线表示用于积分电流密度以计算放电事件期间空隙中的电流的横截面积；不同的50赫兹电压交流正弦电压施加在上部电极，地极接地。
进一步的：步骤二中插入的初始参数包括：
使用有限元分析软件解决模型中的电场和温度分布；电场分布通过使用场模型来求解，其中控制方程见式(1)：
Figure BDA0002690137240000021
其中V是电势，σ是电导率，ε是介电常数；
空腔中的温度分布使用公式(2)来判断确定，表达式(2)为：
Figure BDA0002690137240000022
其中ρ是质量密度，Cp是比热容，k是热导率，Q是热源密度；
等式(1)和(2)通过Q项耦合，其中Q通过在PD事件期间将电流密度J乘以空隙的电场E来确定；当空隙两端的电压Ucav超过初始电压Uinc时，在初始自由电子可用的情况下，则PD出现在空隙中；总电子发生率，Net由下式计算：
Net＝Nes+Nev (3)
其中Nes，Nev是由于表面发射和体积电离引起的电子产生速率，Nes通过表示式(4)计算：
Figure BDA0002690137240000023
其中Nes0是在初始电场Einc0中每单位时间在空隙产生的自由电子数，Ecav(tPD)是时间tPD处先前PD发生的空隙中的场，τdec是有效电荷衰减时间常数，Tamb是环境温度:；Ecav/Einc0和Tmat/Tamb代表简化的场和温度依赖性。；为了模拟的目的，Tamb被设定为293K，作为在不同材料温度下模拟的参考，Tmat和这个温度已经被用于在这项工作中进行PD活动的测量；Nes0的值被细分为Nes0L和Nes0H，Nes0L用于当Ecav的极性在先前的PD事件之后改变时，而Nes0H在连续放电之间没有极性改变；Nes0被定义为：
Figure BDA0002690137240000024
其中EPD1和EPD2是电场在先前和当前PD事件的空隙现场；为了考虑PD事件的统计方面，使用下式来计算PD发生的概率
P＝1-exp(-Netdt) (6)
其中dt是时间间隔；每当Ucav超过Uinc时，计算P并与随机数R进行比较，该随机数R在0至1的范围内；若P大于R，则会发生放电；通过沿着腔壁传导的表面电荷衰减速率取决于腔表面上的场，Eons和腔表面上的温度Tons。因σs强烈依赖于腔体环境和材料：当Eons和Tons较大时，表面电荷的动能较高；沿着腔壁的电荷移动更快，导致通过电荷移动增加电荷衰减率；在最简单的情况下，可以用公式(7)来表示每个时间段的表面电导率σs，
σs＝σs0exp[α|Eons|+βTons] (7)
其中α是应力系数，β是空腔表面电导率的热系数，σs0是初始表面电导率。
本发明具有的优点和积极效果：
通过这种仿真方法，不但能更加透彻的理论性明白老化过程当中物理过程，并且提供一种仿真方法来分析实际生产和运行维护当中绝缘材料内部局部放电所发生的原理，进而来判断老化程度，以此来对缺陷危急程度进行分类，对不同程度缺陷情况做出相应的应对措施，来减少不必要的损失和提高生产及运行效率和可靠性。
附图说明
图1是本发明建立的2D轴对称模型几何体的结构图；
图2是本发明三种形态模型的PD模式2D测量曲线图及对应的3D模拟图，图中，分别表示：2a、兔耳朵形状测量图，2b龟状形状测量图，2c、未知形状测量图，2d、兔耳朵形状模拟图，2e、龟状形状模拟图，2f、未知形状模拟图；
图3是本发明三种形态模型的PD脉冲2D测量曲线图及对应的2D脉冲模拟图，图中，分别表示：3a、兔耳朵形状测量图，3b龟状形状测量图，3c、未知形状测量图，3d、兔耳朵形状模拟图，3e、龟状形状模拟图，3f、未知形状模拟图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法，请参见图1-3，其发明点：包括如下步骤：
步骤一、通过comsol建模软件建立了有限元分析模型；
建立的模型由直径1mm的半球形空隙1、厚度为0.05mm的空隙表面2和厚度为2mm且直径为50mm的均匀绝缘材料区域3组成，均匀绝缘材料区域的上端设置正电极4、下端设置地极5；在空隙中心的顶部和底部，增加两个微小的空隙表面老化区域6，老化区域的老化范围球直径为0.005mm；空隙中心的水平线表示用于积分电流密度以计算放电事件期间空隙中的电流的横截面积；不同的50赫兹电压交流正弦电压施加在上部电极，地极接地。
步骤二、模型中插入初始参数；
插入的初始参数包括：
使用有限元分析软件解决模型中的电场和温度分布；电场分布通过使用场模型来求解，其中控制方程见式(1)：
Figure BDA0002690137240000041
其中V是电势，σ是电导率，ε是介电常数；
空腔中的温度分布使用公式(2)来判断确定，表达式(2)为：
Figure BDA0002690137240000042
其中ρ是质量密度，Cp是比热容，k是热导率，Q是热源密度；
等式(1)和(2)通过Q项耦合，其中Q通过在PD事件期间将电流密度J乘以空隙的电场E来确定；当空隙两端的电压Ucav超过初始电压Uinc时，在初始自由电子可用的情况下，则PD出现在空隙中；总电子发生率，Net由下式计算：
Net＝Nes+Nev (3)
其中Nes，Nev是由于表面发射和体积电离引起的电子产生速率，Nes通过表示式(4)计算：
Figure BDA0002690137240000043
其中Nes0是在初始电场Einc0中每单位时间在空隙产生的自由电子数，Ecav(tPD)是时间tPD处先前PD发生的空隙中的场，τdec是有效电荷衰减时间常数，Tamb是环境温度:；Ecav/Einc0和Tmat/Tamb代表简化的场和温度依赖性；为了模拟的目的，Tamb被设定为293K，作为在不同材料温度下模拟的参考，Tmat和这个温度已经被用于在这项工作中进行PD活动的测量；Nes0的值被细分为Nes0L和Nes0H，Nes0L用于当Ecav的极性在先前的PD事件之后改变时，而Nes0H在连续放电之间没有极性改变；Nes0被定义为：
Figure BDA0002690137240000044
其中EPD1和EPD2是电场在先前和当前PD事件的空隙现场；为了考虑PD事件的统计方面，使用下式来计算PD发生的概率
P＝1-exp(-Netdt) (6)
其中dt是时间间隔；每当Ucav超过Uinc时，计算P并与随机数R进行比较，该随机数R在0至1的范围内；若P大于R，则会发生放电；通过沿着腔壁传导的表面电荷衰减速率取决于腔表面上的场，Eons和腔表面上的温度Tons；因σs强烈依赖于腔体环境和材料：当Eons和Tons较大时，表面电荷的动能较高；沿着腔壁的电荷移动更快，导致通过电荷移动增加电荷衰减率。在最简单的情况下，可以用公式(7)来表示每个时间段的表面电导率σs，
σs＝σs0exp[α|Eons|+βTons] (7)
其中α是应力系数，β是空腔表面电导率的热系数，σs0是初始表面电导率。
模型中的各参数定义见表一：
表一：模拟中使用的参数的定义
Figure BDA0002690137240000051
步骤三、将模型与MATLAB编程软件进行关联，在程序中随着时间滚动模拟运行以此得到相应数据；以模拟在不同条件下测量的PD模式和PD脉冲。
图2显示出了来自测量结果的相位解析局部放电分析(PRPDA)2D曲线图及来自模拟的φ-qn(角度-电荷量)3D模拟图，所述曲线来自厚度为2.0mm的绝缘材料中的直径为约1mm的球形腔体的局部放电(PD)的测量结果，对于材料施加50Hz的不同程度的交流电压水平。
图2是来自测量结果的PD脉冲2D曲线图及来自模拟的PD脉冲2D模拟图。
从图2和图3可以看出，模拟局部放电(PD)模式图和局部放电(PD)脉冲图与三类局部放电(PD)的测量结果相比都是一致的。“兔耳朵”局部放电模型比其他“兔子”耳朵图案短的原因是由于空隙表面上的降解，电子产生率较高。另外，从图2c和图3c可以看出，由于电子产生速率过高，导致更多量级的局部放电(PD)事件。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变换和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、通过comsol建模软件建立了有限元分析模型；
步骤二、模型中插入初始参数；
步骤三、将模型与MATLAB编程软件进行关联，在程序中随着时间滚动模拟运行以此得到相应数据,以模拟在不同条件下测量的PD模式和PD脉冲。
2.根据权利要求1所述的应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法，其特征在于：步骤一建立的模型由直径1mm的半球形空隙、厚度为0.05mm的空隙表面和厚度为2mm且直径为50mm的均匀绝缘材料区域组成，均匀绝缘材料区域的上端设置正电极、下端设置地极；在空隙中心的顶部和底部，增加两个微小的空隙表面老化区域，老化区域的老化范围球直径为0.005mm；空隙中心的水平线表示用于积分电流密度以计算放电事件期间空隙中的电流的横截面积；不同的50赫兹电压交流正弦电压施加在上部电极，地极接地。
3.根据权利要求1所述的应用交流电场下硅橡胶空隙老化过程的局部放电仿真方法，其特征在于：步骤中插入的初始参数包括：
使用有限元分析软件解决模型中的电场和温度分布；电场分布通过使用场模型来求解，其中控制方程见式(1)：
Figure FDA0002690137230000011
其中V是电势，σ是电导率，ε是介电常数；
空腔中的温度分布使用公式(2)来判断确定，表达式(2)为：
Figure FDA0002690137230000012
其中ρ是质量密度，Cp是比热容，k是热导率，Q是热源密度；
等式(1)和(2)通过Q项耦合，其中Q通过在PD事件期间将电流密度J乘以空隙的电场E来确定；当空隙两端的电压Ucav超过初始电压Uinc时，在初始自由电子可用的情况下，则PD出现在空隙中；总电子发生率，Net由下式计算：
Net＝Nes+Nev (3)
其中Nes，Nev是由于表面发射和体积电离引起的电子产生速率，Nes通过表示式(4)计算：
Figure FDA0002690137230000021
其中Nes0是在初始电场Einc0中每单位时间在空隙产生的自由电子数，Ecav(tPD)是时间tPD处先前PD发生的空隙中的场，τdec是有效电荷衰减时间常数，Tamb是环境温度:；Ecav/Einc0和Tmat/Tamb代表简化的场和温度依赖性；为了模拟的目的，Tamb被设定为293K，作为在不同材料温度下模拟的参考，Tmat和这个温度已经被用于在这项工作中进行PD活动的测量；Nes0的值被细分为Nes0L和Nes0H，Nes0L用于当Ecav的极性在先前的PD事件之后改变时，而Nes0H在连续放电之间没有极性改变；Nes0被定义为：
Figure FDA0002690137230000022
其中EPD1和EPD2是电场在先前和当前PD事件的空隙现场；为了考虑PD事件的统计方面，使用下式来计算PD发生的概率
P＝1-exp(-Netdt) (6)
其中dt是时间间隔；每当Ucav超过Uinc时，计算P并与随机数R进行比较，该随机数R在0至1的范围内；若P大于R，则会发生放电；通过沿着腔壁传导的表面电荷衰减速率取决于腔表面上的场，Eons和腔表面上的温度Tons；因σs强烈依赖于腔体环境和材料：当Eons和Tons较大时，表面电荷的动能较高；沿着腔壁的电荷移动更快，导致通过电荷移动增加电荷衰减率；在最简单的情况下，可以用公式(7)来表示每个时间段的表面电导率σs，
σs＝σs0exp[α|Eons|+βTons] (7)
其中α是应力系数，β是空腔表面电导率的热系数，σs0是初始表面电导率。
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