CN113671375A - 一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，包括步骤：S1)搭建正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台，采集放电过程高电位电流i(t)和空间电场强度E(t)数据；S2)对高电位电流i(t)中的放电电流if(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQf(t)；S3)统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)；S4)利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律。本发明提供的方法，可为揭示空间电荷对流注放电发展的引导机制奠定基础。

Description

一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法
技术领域
本发明涉及电荷分布计算技术领域，特别是涉及一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法。
背景技术
均压屏蔽球是换流站阀厅中的一种重要金具，半径一般为0.25m～1m，其和周围接地体组成的空气间隙放电特性与长空气大尺寸球-板间隙相似。相较以往棒-板、棒-棒等空气间隙类型，大尺寸电极呈现电晕表面面积更大、空间电荷更密集、放电起始位置更随机的显著特点。放电过程空间电荷动态分布是分析流注特征的一个关键物理参量，因此有必要研究大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布规律。
Arevalo L和Becerra M学者假设棒-板间隙流注区域为顶角60°的锥体，利用模拟电荷法确定了流注区的空间电荷分布；Gallimberti团队建立了基于能量平衡思想的长流注发展等效电子崩模型，计算了棒-板间隙流注空间电荷量；华中科技大学谷山强学者分析了棒-板间隙初始电晕起始与流注发展的基本物理过程，基于模拟电荷法与电位畸变法推导了流注空间电荷增量计算方法；陈维江学者采用高电位电流测量系统对棒-板间隙放电开展研究，测量了注入棒电极的电流，并积分获得了初始流注注入自由电荷量。棒-板和棒-棒间隙流注区域放电过程中，棒电极放电区域相对集中，可认为流注通道电荷分布在棒电极端部，但大直径球电极的放电区域更大、流注起始位置分散性更为明显，因此仅采用目前常用的高电位电流测量系统无法定位初始流注阶段空间电荷的动态分布。放电通道中空间电荷的产生也会导致通道空间电场跃升，如谢耀恒学者利用电场传感器测量得到了棒-板间隙通道的泊松场跃升现象。因此，联合使用高电位电流测量系统和空间电场强度测量系统，可获得正极性大尺寸电极长间隙放电初始流注阶段空间电荷增量及其导致的空间电场跃升，进一步利用模拟电荷法反演得到空间电荷的动态分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，可为揭示空间电荷对流注放电发展的引导机制奠定基础。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，包括以下步骤：
S1)搭建正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台，采集放电过程高电位电流i(t)和空间电场强度E(t)数据；
S2)对所述高电位电流i(t)中的放电电流if(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQf(t)；
S3)统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)；
S4)利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律。
可选的，步骤S1)中所述正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台包括大尺寸-板电极、高电位电流测量系统和空间电场强度测量系统，其中：
所述大尺寸-板电极包括大尺寸电极和板电极，所述大尺寸电极与所述板电极之间形成长空气间隙，所述大尺寸电极为高电位且所述板电极为低电位，用于放电击穿长空气间隙；
所述高电位电流测量系统包括依次连接的采样电阻、NI数据采集卡、电-光-电转换装置、同轴光纤以及计算机端，在间隙放电过程中，所述采样电阻将流经间隙的高电位电流信号转化为电压信号，由所述NI数据采集卡对所述电压信号进行采集，通过所述电-光-电转换装置，由所述同轴光纤将信号传输至所述计算机端，所述计算机端利用计算机软件读取和分析所述高电位电流测量系统传输过来的高电位电流数据；
所述空间电场强度测量系统包括光电集成电场传感器、保偏光纤，所述光电集成电场传感器通过所述保偏光纤与示波器电性连接，所述光电集成电场传感器以Mach-Zehnder干涉仪为基本结构，根据铌酸锂LiNbO3晶体的光电效应进行大尺寸电极长间隙放电的空间电场强度测量，并通过所述保偏光纤将光信号传送至所述示波器，所述示波器用于收集和储存空间电场强度数据。
可选的，所述高电位电流测量系统串联在放电间隙高压侧，光电集成电场传感器放置高度位于放电间隙内部。
可选的，步骤S2)所述对所述高电位电流i(t)中的放电电流if(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQf(t)，具体包括：
计算所述高电位电流i(t)中的容性位移电流id(t)：
Figure BDA0003229671710000031
其中，Cg表示放电电极间的几何电容，u(t)表示外施电压，t表示不同时刻；
计算放电电流if(t)为：
if(t)＝i(t)-id(t)；
在初始流注阶段对放电电流if(t)在不同时刻单位时间Δt内进行积分获得各时刻注入自由电荷增量ΔQf(t)：
Figure BDA0003229671710000032
可选的，步骤S3)所述统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)，具体包括：
在初始流注阶段空间电场强度跃升由空间滞留的正电荷和外施电压的增加产生，计算各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)：
ΔEs(t)＝ΔE(t)-ΔEe(t)；
其中，ΔE(t)表示各时刻空间电场强度跃升增量，ΔEe(t)表示各时刻外施电压产生的电场强度跃升；
初始流注阶段，强烈碰撞电离产生大量正电荷和自由电子，正电荷相对自由电子质量较大，向负极板移动缓慢，而自由电子质量较轻，在电场力的作用下快速通过流注丝汇聚于流注丝根部即流注茎后迅速注入正电极端，空间滞留的正电荷，导致空间电场强度迅速跃升，根据电荷守恒原理，各时刻空间电荷增量ΔQs(t)与注入自由电荷增量ΔQf(t)相等，则获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)：
ΔQs(t)＝ΔQf(t)，
Figure BDA0003229671710000041
其中，ε表示介电常数，取值为8.85×10-12F/m，R表示初始流注头部到光电集成电场传感器的距离。
可选的，步骤S4)所述利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律，具体包括：
根据计算得到的所述各时刻空间电荷增量ΔQs(t)，在放电间隙内部配置模拟电荷的数量和位置，使用模拟电荷法等效计算空间电场强度模拟增量ΔEs'(t)与试验获得的所述各时刻空间电场强度增量ΔEs(t)进行匹配，实时调整模拟电荷的位置以及数量，从而获得空间电荷动态分布规律。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，为进一步研究空间电荷对流注放电发展的引导机制奠定了基础，对换流站各系统可靠性运行具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法的流程图；
图2为本发明实施例正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台的结构示意图；
附图标记说明：1、大尺寸-板电极；1-1、大尺寸电极；1-2、板电极；2、高电位电流测量系统；3、光电集成电场传感器；4、计算机端；5示波器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，可为揭示空间电荷对流注放电发展的引导机制奠定基础。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，包括以下步骤：
S1)搭建正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台，采集放电过程高电位电流i(t)和空间电场强度E(t)数据；
S2)对所述高电位电流i(t)中的放电电流if(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQf(t)；
S3)统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)；
S4)利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律。
如图2所示，步骤S1)中所述正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台包括大尺寸-板电极1、高电位电流测量系统2和空间电场强度测量系统，其中：
所述大尺寸-板电极1包括大尺寸电极1-1和板电极1-2，所述大尺寸电极1-1与所述板电极1-2之间形成长空气间隙，所述大尺寸电极1-1为高电位且所述板电极1-2为低电位，用于放电击穿长空气间隙；
所述高电位电流测量系统2包括依次连接的采样电阻、NI数据采集卡、电-光-电转换装置、同轴光纤以及计算机端4，在间隙放电过程中，所述采样电阻将流经间隙的高电位电流信号转化为电压信号，由所述NI数据采集卡对所述电压信号进行采集，通过所述电-光-电转换装置，由所述同轴光纤将信号传输至所述计算机端4，所述计算机端4利用计算机软件读取和分析所述高电位电流测量系统传输过来的高电位电流数据；
所述空间电场强度测量系统包括光电集成电场传感器3、保偏光纤，所述光电集成电场传感器3通过所述保偏光纤与示波器5电性连接，所述光电集成电场传感器3以Mach-Zehnder干涉仪为基本结构，根据铌酸锂LiNbO3晶体的光电效应进行大尺寸电极长间隙放电的空间电场强度测量，并通过所述保偏光纤将光信号传送至所述示波器5，所述示波器5用于收集和储存空间电场强度数据。
所述高电位电流测量系统2串联在放电间隙高压侧，光电集成电场传感器3放置高度位于放电间隙内部。
步骤S2)所述对所述高电位电流i(t)中的放电电流if(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQf(t)，具体包括：
放电电极间存在少量的几何电容Cg，当施加的电压发生变化时，将对几何电容Cg进行充电，从而产生容性位移电流id(t)，因此高电位电流测量系统采集到的高电位电流i(t)包括放电过程注入正电极端的自由电子产生的放电电流if(t)和容性位移电流id(t)，计算所述高电位电流i(t)中的容性位移电流id(t)：
Figure BDA0003229671710000061
其中，Cg表示放电电极间的几何电容，u(t)表示外施电压，t表示不同时刻；
计算放电电流if(t)为：
if(t)＝i(t)-id(t)；
在初始流注阶段对放电电流if(t)在不同时刻单位时间Δt内进行积分获得各时刻注入自由电荷增量ΔQf(t)：
Figure BDA0003229671710000062
步骤S3)所述统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)，具体包括：
在初始流注阶段空间电场强度跃升由空间滞留的正电荷和外施电压的增加产生，因此计算各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)时需除去各时刻外施电压产生的电场强度跃升ΔEe(t)：
ΔEs(t)＝ΔE(t)-ΔEe(t)；
其中，ΔE(t)表示各时刻空间电场强度跃升增量，ΔEe(t)表示各时刻外施电压产生的电场强度跃升；
初始流注阶段，强烈碰撞电离产生大量正电荷和自由电子，正电荷相对自由电子质量较大，向负极板移动缓慢，而自由电子质量较轻，在电场力的作用下快速通过流注丝汇聚于流注丝根部即流注茎后迅速注入正电极端，空间滞留的正电荷，导致空间电场强度迅速跃升，根据电荷守恒原理，各时刻空间电荷增量ΔQs(t)与注入自由电荷增量ΔQf(t)相等，则获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)：
ΔQs(t)＝ΔQf(t)，
Figure BDA0003229671710000071
其中，ε表示介电常数，取值为8.85×10-12F/m，R表示初始流注头部到光电集成电场传感器的距离。
步骤S4)所述利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律，具体包括：
根据计算得到的所述各时刻空间电荷增量ΔQs(t)，在放电间隙内部配置模拟电荷的数量和位置，使用模拟电荷法等效计算空间电场强度模拟增量ΔEs'(t)与试验获得的所述各时刻空间电场强度增量ΔEs(t)进行匹配，实时调整模拟电荷的位置以及数量，从而获得空间电荷动态分布规律。
本发明提供的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，为进一步研究空间电荷对流注放电发展的引导机制奠定了基础，对换流站各系统可靠性运行具有重要意义。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)搭建正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台，采集放电过程高电位电流i(t)和空间电场强度E(t)数据；
S2)对所述高电位电流i(t)中的放电电流if(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQf(t)；
S3)统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)；
S4)利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律。
2.根据权利要求1所述的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，步骤S1)中所述正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台包括大尺寸-板电极(1)、高电位电流测量系统(2)和空间电场强度测量系统，其中：
所述大尺寸-板电极(1)包括大尺寸电极(1-1)和板电极(1-2)，所述大尺寸电极(1-1)与所述板电极(1-2)之间形成长空气间隙，所述大尺寸电极(1-1)为高电位且所述板电极(1-2)为低电位，用于放电击穿长空气间隙；
所述高电位电流测量系统(2)包括依次连接的采样电阻、NI数据采集卡、电-光-电转换装置、同轴光纤以及计算机端(4)，在间隙放电过程中，所述采样电阻将流经间隙的高电位电流信号转化为电压信号，由所述NI数据采集卡对所述电压信号进行采集，通过所述电-光-电转换装置，由所述同轴光纤将信号传输至所述计算机端(4)，所述计算机端(4)利用计算机软件读取和分析所述高电位电流测量系统传输过来的高电位电流数据；
所述空间电场强度测量系统包括光电集成电场传感器(3)、保偏光纤，所述光电集成电场传感器(3)通过所述保偏光纤与示波器(5)电性连接，所述光电集成电场传感器(3)以Mach-Zehnder干涉仪为基本结构，根据铌酸锂LiNbO3晶体的光电效应进行大尺寸电极长间隙放电的空间电场强度测量，并通过所述保偏光纤将光信号传送至所述示波器(5)，所述示波器(5)用于收集和储存空间电场强度数据。
3.根据权利要求2所述的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，所述高电位电流测量系统(2)串联在放电间隙高压侧，光电集成电场传感器(3)放置高度位于放电间隙内部。
4.根据权利要求1所述的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，步骤S2)所述对所述高电位电流i(t)中的放电电流if(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQf(t)，具体包括：
计算所述高电位电流i(t)中的容性位移电流id(t)：
Figure FDA0003229671700000021
其中，Cg表示放电电极间的几何电容，u(t)表示外施电压，t表示不同时刻；
计算放电电流if(t)为：
if(t)＝i(t)-id(t)；
在初始流注阶段对放电电流if(t)在不同时刻单位时间Δt内进行积分获得各时刻注入自由电荷增量ΔQf(t)：
Figure FDA0003229671700000022
5.根据权利要求4所述的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，步骤S3)所述统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)，具体包括：
在初始流注阶段空间电场强度跃升由空间滞留的正电荷和外施电压的增加产生，计算各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)：
ΔEs(t)＝ΔE(t)-ΔEe(t)；
其中，ΔE(t)表示各时刻空间电场强度跃升增量，ΔEe(t)表示各时刻外施电压产生的电场强度跃升；
初始流注阶段，强烈碰撞电离产生大量正电荷和自由电子，正电荷相对自由电子质量较大，向负极板移动缓慢，而自由电子质量较轻，在电场力的作用下快速通过流注丝汇聚于流注丝根部即流注茎后迅速注入正电极端，空间滞留的正电荷，导致空间电场强度迅速跃升，根据电荷守恒原理，各时刻空间电荷增量ΔQs(t)与注入自由电荷增量ΔQf(t)相等，则获得各时刻空间电荷增量ΔQs(t)导致的电场强度跃升增量ΔEs(t)：
ΔQs(t)＝ΔQf(t)，
Figure FDA0003229671700000031
其中，ε表示介电常数，取值为8.85×10-12F/m，R表示初始流注头部到光电集成电场传感器的距离。
6.根据权利要求5所述的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，步骤S4)所述利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律，具体包括：
根据计算得到的所述各时刻空间电荷增量ΔQs(t)，在放电间隙内部配置模拟电荷的数量和位置，使用模拟电荷法等效计算空间电场强度模拟增量ΔEs'(t)与试验获得的所述各时刻空间电场强度增量ΔEs(t)进行匹配，实时调整模拟电荷的位置以及数量，从而获得空间电荷动态分布规律。
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