CN114036812B - 一种金属颗粒运动轨迹模拟方法、电子设备及可存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属颗粒运动轨迹模拟方法、电子设备及可存储介质，根据高压直流断路器断口的特征参数计算金属颗粒运动时的受力数据，根据金属颗粒运动时所受的受力数据，建立金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹模型；当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒所受的电场力；当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞时，计算金属颗粒的反弹速度；根据重新计算的金属颗粒所受的电场力以及反弹速度对所述运动轨迹模型进行更新，并根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹。本发明有效提高金属颗粒在高压直流断路器断口内运动模拟的计算效率和准确度。

Description

一种金属颗粒运动轨迹模拟方法、电子设备及可存储介质

技术领域

本发明涉及一种高电压仿真技术领域，更具体地说，它涉及一种金属颗粒运动轨迹模拟方法、电子设备及可存储介质。

背景技术

高压直流输电系统为长距离输电提供了经济、可靠的保证，而高压直流断路器是高压直流输电系统中的关键设备。在实际运行中，由于电弧烧蚀和机械磨损等原因，断路器断口内的金属颗粒污染问题一直难以避免，通常情况下，金属颗粒的形状为球形、尺寸为微米级。在分闸状态时，高压直流断路器断口承受直流电压，沉积在断口绝缘介质表面的金属颗粒会极大地增加绝缘介质沿面绝缘失效的风险。因此，精确分析自由金属颗粒的运动行为对评估其在断口内的沉积规律和对断口沿面绝缘强度具有重要意义。

目前针对自由金属颗粒运动行为的研究中，重点关注气体绝缘开关设备(GIS)或气体绝缘输电线路(GIL)中不同形状、不同大小颗粒的运动行为。在过去的研究中，金属颗粒被简化为点电荷，将颗粒所在位置的电场强度与颗粒净电荷的乘积作为颗粒所受电场力，而没有考虑颗粒运动与电场分布之间的相互影响；另外，将金属颗粒与电极碰撞时的恢复系数设定为常数，而没有考虑颗粒尺寸和碰撞速度对碰撞恢复系数的影响。因此无法准确的判断金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹

因此，研究并掌握金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹，对高压直流断路器的结构优化和运行维护具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属颗粒运动轨迹模拟方法、电子设备及可存储介质，以解决因没有考虑金属颗粒运动与电场分布之间的相互影响与没有考虑金属颗粒尺寸和碰撞速度对碰撞恢复系数的影响所导致的金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹不准确的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，本发明提供一种一种金属颗粒运动轨迹模拟方法、电子设备及可存储介质，包括，

根据高压直流断路器断口的特征参数计算金属颗粒运动时的受力数据，所述受力数据包括金属颗粒所受的电场力、净重力和曳力；

根据金属颗粒运动时所受的所述受力数据，建立金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹模型；

当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒所受的电场力；

当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞时，计算金属颗粒的反弹速度；

根据重新计算的金属颗粒所受的电场力以及反弹速度对所述运动轨迹模型进行更新，并根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹。

与现有技术相比，本发明考虑到金属颗粒运动与电场分布之间的相互影响和金属颗粒尺寸和碰撞速度对碰撞恢复系数的影响，基于两个因素对运动轨迹的影响，因此本发明重新计算金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时金属颗粒所受的电场力以及金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞的反弹速度，将重新计算的电场力、以及在碰撞过程中因碰撞恢复系数所带来的反弹速度对金属颗粒的运动轨迹模型进行更新，在根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹，以提高金属颗粒在高压直流断路器断口内运动模拟的计算效率和准确度。

进一步的，所述金属颗粒所受的净重力的计算式为G_N＝4πa³ρ_Mg/3-4πa³ρ_Gg/3，式中，G_N表示金属颗粒的净重力，a表示金属颗粒的半径，ρ_M表示金属颗粒的密度，ρ_G表示断口绝缘气体的密度，g表示重力加速度；

所述金属颗粒所受的电场力的计算式为F_e＝∫∫_SMdS，式中，F_e表示金属颗粒的电场力，M表示金属颗粒表面的麦克斯韦应力张量，S表示金属颗粒的表面积；

所述金属颗粒所受的曳力的计算式为F_v＝-6πηRev_P，式中，F_v表示金属颗粒的曳力，η表示断口绝缘气体的动力黏度，v_p表示金属颗粒的运动速度，R_e表示雷诺系数，负号表示金属颗粒曳力与金属颗粒运动方向相反。

进一步的，根据金属颗粒运动时所受的所述电场力、净重力和曳力，计算得到金属颗粒运动轨迹模型，运动轨迹模型的计算式为

式中，m表示金属颗粒的质量，t表示金属颗粒的运动时间。

进一步的，当检测到金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒的荷电量。

进一步的，金属颗粒的荷电量计算包括：

计算金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的荷电量，计算式为

式中，Q_p表示金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的荷电量，ε_g表示断口绝缘气体的介电常数，

表示高压直流断路器断口电极的电势；

计算金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁发生碰撞后的荷电量改变量，计算式为

式中，Δq表示金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁发生碰撞后的荷电量改变量，v表示高压直流断路器绝缘壁的泊松比，E_EP表示高压直流断路器绝缘壁的杨氏模量，v_i表示金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁碰撞速度的法向分量。

进一步的，当检测到金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞时，重新计算金属颗粒的反弹速度，其中，高压直流断路器断口的壁面包括高压直流断路器断口的电极或高压直流断路器断口绝缘壁。

进一步的，计算金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的反弹速度，计算式为：

式中，u_p1表示金属颗粒入射速度的切向分量，u_p2表示金属颗粒反弹速度的切向分量，v_p1表示金属颗粒入射速度的法向分量，v_p2表示金属颗粒反弹速度的法向分量；ξΔγ表示由高压直流断路器断口电极粗糙度产生的随机角；k表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效恢复系数，f表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效摩擦系数；

计算金属颗粒与高压直流断路器断口绝缘壁发生碰撞后的反弹速度，计算式为：

式中，u_p1表示金属颗粒入射速度的切向分量，u_p2表示金属颗粒反弹速度的切向分量，v_p1表示金属颗粒入射速度的法向分量，v_p2表示金属颗粒反弹速度的法向分量，k表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效恢复系数，f表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效摩擦系数。

进一步的，计算金属颗粒与高压直流断路器断口壁面碰撞的所述有效恢复系数与有效摩擦系数，其计算式为

式中，σ表示高压直流断路器断口壁面的屈服应力，μ表示高压直流断路器断口壁面与金属颗粒间的摩擦系数，E_Y1表示高压直流断路器断口壁面的杨氏模量，E_Y2表示金属颗粒的杨氏模量，v₁表示高压直流断路器断口壁面的泊松比，v₂表示金属颗粒的泊松比。

第二方面，本发明还提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以第一方面所述的模拟方法的步骤。

第三方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的模拟方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明考虑到金属颗粒运动与电场分布之间的相互影响和金属颗粒尺寸和碰撞速度对碰撞恢复系数的影响，基于两个因素对运动轨迹的影响，因此本发明重新计算金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时金属颗粒所受的电场力以及金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞的反弹速度，将重新计算的电场力、以及在碰撞过程中因碰撞恢复系数所带来的反弹速度对金属颗粒的运动轨迹模型进行更新，在根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹，以提高金属颗粒在高压直流断路器断口内运动模拟的计算效率和准确度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的模拟方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的金属颗粒运动时的受力分析示意图；

图3是本发明一实施例提供的金属颗粒与高压直流断路器断口壁面碰撞的的入射速度与反弹速度关系示意图；

图4是本发明一实施例提供的金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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和简化描述，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种一种金属颗粒运动轨迹模拟方法，方法包括步骤S01至步骤S04，具体如下，

步骤S01，根据高压直流断路器断口的特征参数计算金属颗粒运动时的受力数据，所述受力数据包括金属颗粒所受的电场力、净重力和曳力。

具体的，如图1所示，设置金属颗粒在运动前的基本信息和高压直流断路器断口特征参数，特征参数包括金属颗粒的形状特征、初始位置和初始速度以及高压直流断路器断口几何特征参数、内充气体特征参数和外施电压幅值。本实施例中金属颗粒采用球形金属颗粒为研究对象，更加接近高压直流断路器断口中金属颗粒由电弧烧蚀电极而形成的实际情况，能有效提高模拟实际情况的准确度和切合度。示例性的，金属颗粒设置为球形颗粒，材料为Cu，ρ_M＝8960kg/m³，颗粒半径a＝0.3mm；金属颗粒初始位置静止于断口底部，且与高压电极接触。其次，采用高压直流断路器断口为研究对象。示例性的，参加图2，高压直流断路器断口为圆筒型，绝缘拉杆外半径R₁为7.5mm，绝缘外壁内半径R₂为15mm，断口电极间距D为15mm；断口内充有SF₆气体，气体压强为0.6MPa；断口外施电压幅值为50kV。

步骤S02，根据金属颗粒运动时所受的所述受力数据，建立金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹模型。

具体的，如图1所示，首先，判定指示变量是否等于1，若指示变量为1，则在有限元软件中将金属颗粒的边界条件设定为悬浮电位，若指示变量不为1，则不作修改；然后，参见图2，是本发明实施例提供的金属颗粒的受力分析示意图，受力数据包括金属颗粒所受电场力、净重力和曳力。

步骤S03，当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒所受的电场力；当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞时，计算金属颗粒的反弹速度。

具体的，如图1所示，若金属颗粒在运动过程中不与高压直流断路器断口壁面发生碰撞，则将指示变量设定为0，在金属颗粒运动状态计算程序中存储金属颗粒信息，包括金属颗粒位置、速度、荷电量等信息；

若检测到所述金属颗粒在运动过程中与断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒的电场力，若检测到金属颗粒在运动过程中与断路器断口的壁面发生碰撞时，重新计算金属颗粒的反弹速度。

步骤S04，根据重新计算的金属颗粒所受的电场力以及反弹速度对所述运动轨迹模型进行更新，并根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹。

具体的，若达到编制金属颗粒运动状态计算程序的设定最大计算步数，则绘制并输出金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹并结束程序运行，如图4所示。

若未达到编制金属颗粒运动状态计算程序的计算步数，则返回到步骤S02开始循环计算，直至达到编制金属颗粒运动状态计算程序的设定最大计算步数，绘制并输出金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹并结束程序运行，如图4所示。

与现有技术相比，本发明考虑到金属颗粒运动与电场分布之间的相互影响和金属颗粒尺寸和碰撞速度对碰撞恢复系数的影响，基于两个因素对运动轨迹的影响，因此本发明重新计算金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时金属颗粒所受的电场力以及金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞的反弹速度，将重新计算的电场力、以及在碰撞过程中因碰撞恢复系数所带来的反弹速度对金属颗粒的运动轨迹模型进行更新，在根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹，以提高金属颗粒在高压直流断路器断口内运动模拟的计算效率和准确度。

本申请更进一步的一实施例中，金属颗粒所受的净重力的计算式为G_N＝4πa³ρ_Mg/3-4πa³ρ_Gg/3，式中，G_N表示金属颗粒的净重力，a表示金属颗粒的半径，ρ_M表示金属颗粒的密度，ρ_G表示断口绝缘气体的密度，g表示重力加速度；

金属颗粒所受的电场力的计算式为F_e＝∫∫_SMdS，式中，F_e表示金属颗粒的电场力，M表示金属颗粒表面的麦克斯韦应力张量，S表示金属颗粒的表面积；

金属颗粒所受的曳力的计算式为F_v＝-6πηRev_P，式中，F_v表示金属颗粒的曳力，η表示断口绝缘气体的动力黏度，v_p表示金属颗粒的运动速度，R_e表示雷诺系数，负号表示金属颗粒曳力与金属颗粒运动方向相反。

具体的，根据本实施例中的计算式计算金属颗粒运动是所受的电场力、净重力以及曳力，式中，一些参数设置如下：ρ_G为断口绝缘气体的密度，ρ_G＝38.5kg/m³，g为重力加速度，g＝9.8m/s²，η为断口绝缘气体的动力黏度，η＝1.45×10^-5Pa·s，

本申请更进一步的一实施例中，根据金属颗粒运动时所受的所述电场力、净重力和曳力，计算得到金属颗粒运动轨迹模型，运动轨迹模型的计算式为

式中，m表示金属颗粒的质量，t表示金属颗粒的运动时间。

具体的，获取金属颗粒运动过程中位置、速度、荷电量等信息，基于金属颗粒运动轨迹模型绘制金属颗粒运动过程中的金属颗粒运动轨迹曲线。示例性的，采用四阶龙格库塔算法，在MATLAB中调用有限元软件中计算得到的金属颗粒电场力、净重力以及曳力，编制金属颗粒运动状态计算程序，求解运动方程得到金属颗粒运动轨迹。

本申请更进一步的一实施例中，当检测到金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒的荷电量。

具体的，若检测到金属颗粒在运动过程中与断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒的荷电量；其中，断路器断口的电极为断路器断口高压电极或断路器断口接地极，断路器断口的绝缘壁为断路器断口绝缘拉杆或断路器断口绝缘外壁。

本申请更进一步的一实施例中，金属颗粒的荷电量计算包括：

计算金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的荷电量，计算式为

式中，Q_p表示金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的荷电量，ε_g表示断口绝缘气体的介电常数，

表示高压直流断路器断口电极的电势；

计算金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁发生碰撞后的荷电量改变量，计算式为

式中，Δq表示金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁发生碰撞后的荷电量改变量，v表示高压直流断路器绝缘壁的泊松比，E_EP表示高压直流断路器绝缘壁的杨氏模量，v_i表示金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁碰撞速度的法向分量。

具体的，ε_g＝8.8728×10^-12F/m；

为断路器断口电极的电势，

kV，v为断路器绝缘壁的泊松比，v＝0.19，E_EP为断路器绝缘壁的杨氏模量，E_EP＝2.25×10⁹Pa。根据重新计算的金属颗粒的荷电量，并依据此计算式F_e＝∫∫_SMdS计算金属颗粒所受的电场力，由于金属颗粒的荷电量发生的改变会导致金属颗粒表面的麦克斯韦应力张量M也同步发生改变，因此根据重新计算的金属颗粒的荷电量即可获得新的电场力。

本申请更进一步的一实施例中，当检测到金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞时，重新计算金属颗粒的反弹速度，其中，高压直流断路器断口的壁面包括高压直流断路器断口的电极或高压直流断路器断口绝缘壁。

本申请更进一步的一实施例中，计算金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的反弹速度，计算式为：

式中，u_p1表示金属颗粒入射速度的切向分量，u_p2表示金属颗粒反弹速度的切向分量，v_p1表示金属颗粒入射速度的法向分量，v_p2表示金属颗粒反弹速度的法向分量；ξΔγ表示由高压直流断路器断口电极粗糙度产生的随机角；k表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效恢复系数，f表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效摩擦系数；

计算金属颗粒与高压直流断路器断口绝缘壁发生碰撞后的反弹速度，计算式为：

式中，u_p1表示金属颗粒入射速度的切向分量，u_p2表示金属颗粒反弹速度的切向分量，v_p1表示金属颗粒入射速度的法向分量，v_p2表示金属颗粒反弹速度的法向分量，k表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效恢复系数，f表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效摩擦系数。

具体的，若检测到金属颗粒在运动过程中与断路器断口的壁面发生碰撞时，重新计算金属颗粒的反弹速度；其中，断路器断口的壁面为断路器断口的电极或断路器断口绝缘壁；如图3所示，是本发明一实施例提供的金属颗粒与高压直流断路器断口壁面碰撞的入射速度与反弹速度关系示意图，金属颗粒与断路器断口电极碰撞时，由于电极表面存在一定粗糙度，在反弹过程中存在电极表面粗糙度引起的反弹速度方向的随机变化。

如图3所示，是本发明实施例提供的金属颗粒与高压直流断路器断口壁面碰撞的入射速度与反弹速度关系示意图，所述金属颗粒与所述断路器断口绝缘壁碰撞时，由于所述绝缘壁表面粗糙度可忽略，在反弹过程中不考虑所述绝缘壁粗糙度引起的反弹速度方向的随机变化，其中，ξΔγ为[-10°,10°]的随机数。

本申请更进一步的一实施例中，计算金属颗粒与高压直流断路器断口壁面碰撞的所述有效恢复系数与有效摩擦系数，其计算式为

式中，σ表示高压直流断路器断口壁面的屈服应力，μ表示高压直流断路器断口壁面与金属颗粒间的摩擦系数，E_Y1表示高压直流断路器断口壁面的杨氏模量，E_Y2表示金属颗粒的杨氏模量，v₁表示高压直流断路器断口壁面的泊松比，v₂表示金属颗粒的泊松比。

具体的，σ为断路器断口壁面的屈服应力，σ_|绝缘壁＝5.5×10⁷Pa，σ_|电极＝5×10⁸Pa；μ为断路器断口壁面与金属颗粒间的摩擦系数，μ_|绝缘壁＝0.17，μ_|电极＝0.25；E_Y1为断路器断口壁面的杨氏模量，E_Y1＝2.25×10⁹Pa，E_Y2为金属颗粒的杨氏模量，E_Y2＝1×10¹¹Pa；v₁为断路器断口壁面的泊松比，υ_1|绝缘壁＝0.19，υ_1|电极＝0.32，v₂为金属颗粒的泊松比，υ₂＝0.32。

因此，综合上述技术方案，若检测到金属颗粒在运动过程中与断路器断口的电极发生碰撞时，则在有限元软件中将金属颗粒边界条件设定为电极电势；根据金属颗粒的荷电量，重新计算金属颗粒的电场力，并重新根据金属颗粒的受力数据和金属颗粒的反弹速度，构建金属颗粒运动轨迹模型；将指示变量设定为1，在金属颗粒运动状态计算程序中存储金属颗粒信息，包括金属颗粒位置、速度、荷电量等信息。绘制并输出金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹，参见图4，并结束程序运行。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以第一方面的模拟方法的步骤。

具体的，示例性的，该电子设备可以是电脑或一些其它的电子产品，其中，电脑中的存储器中存储有可被至处理器执行的程序，处理器执行存储器中存储的程序，实现如下步骤：根据高压直流断路器断口的特征参数计算金属颗粒运动时的受力数据，所述受力数据包括金属颗粒所受的电场力、净重力和曳力；根据金属颗粒运动时所受的所述受力数据，建立金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹模型；当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒所受的电场力；当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞时，计算金属颗粒的反弹速度；根据重新计算的金属颗粒所受的电场力以及反弹速度对所述运动轨迹模型进行更新，并根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，，所述计算机程序被处理器执行时实现模拟方法的步骤。

具体的，该计算机可读存储介质可以是闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器等等。关于上述实施例中的计算机可读存储介质，其上存储的计算机程序被执行时的模拟方法的步骤已将在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不做详细阐述

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属颗粒运动轨迹模拟方法，其特征在于，包括，

根据高压直流断路器断口的特征参数计算金属颗粒运动时的受力数据，所述受力数据包括金属颗粒所受的电场力、净重力和曳力；

根据金属颗粒运动时所受的所述受力数据，建立金属颗粒在高压直流断路器断口内的运动轨迹模型；

当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒所受的电场力；

当金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的壁面发生碰撞时，计算金属颗粒的反弹速度；其中高压直流断路器断口的壁面包括高压直流断路器断口的电极或高压直流断路器断口绝缘壁，计算金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的反弹速度，计算式为：

式中，u_p1表示金属颗粒入射速度的切向分量，u_p2表示金属颗粒反弹速度的切向分量，v_p1表示金属颗粒入射速度的法向分量，v_p2表示金属颗粒反弹速度的法向分量；ξΔγ表示由高压直流断路器断口电极粗糙度产生的随机角；k表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效恢复系数，f表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效摩擦系数；

计算金属颗粒与高压直流断路器断口绝缘壁发生碰撞后的反弹速度，计算式为：

式中，u_p1表示金属颗粒入射速度的切向分量，u_p2表示金属颗粒反弹速度的切向分量，v_p1表示金属颗粒入射速度的法向分量，v_p2表示金属颗粒反弹速度的法向分量，k表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效恢复系数，f表示金属颗粒与高压直流断路器壁面碰撞的有效摩擦系数；

根据重新计算的金属颗粒所受的电场力以及反弹速度对所述运动轨迹模型进行更新，并根据更新后的运动轨迹模型绘制金属颗粒的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种金属颗粒运动轨迹模拟方法，其特征在于，所述金属颗粒所受的净重力的计算式为G_N＝4πa³ρ_Mg/3-4πa³ρ_Gg/3，式中，G_N表示金属颗粒的净重力，a表示金属颗粒的半径，ρ_M表示金属颗粒的密度，ρ_G表示断口绝缘气体的密度，g表示重力加速度；

所述金属颗粒所受的电场力的计算式为F_e＝∫∫_SMdS，式中，F_e表示金属颗粒的电场力，M表示金属颗粒表面的麦克斯韦应力张量，S表示金属颗粒的表面积；

所述金属颗粒所受的曳力的计算式为F_v＝-6πηRev_P，式中，F_v表示金属颗粒的曳力，η表示断口绝缘气体的动力黏度，v_p表示金属颗粒的运动速度，R_e表示雷诺系数，负号表示金属颗粒曳力与金属颗粒运动方向相反。

3.根据权利要求2所述的一种金属颗粒运动轨迹模拟方法，其特征在于，根据金属颗粒运动时所受的所述电场力、净重力和曳力，计算得到金属颗粒运动轨迹模型，运动轨迹模型的计算式为

式中，m表示金属颗粒的质量，t表示金属颗粒的运动时间。

4.根据权利要求1所述的一种金属颗粒运动轨迹模拟方法，其特征在于，当检测到金属颗粒在运动过程中与高压直流断路器断口的电极或绝缘壁发生碰撞时，重新计算金属颗粒的荷电量。

5.根据权利要求4所述的一种金属颗粒运动轨迹模拟方法，其特征在于，金属颗粒的荷电量计算包括：

计算金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的荷电量，计算式为

式中，Q_p表示金属颗粒与高压直流断路器断口电极发生碰撞后的荷电量，ε_g表示断口绝缘气体的介电常数，

表示高压直流断路器断口电极的电势，S表示金属颗粒表面积；

计算金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁发生碰撞后的荷电量改变量，计算式为

式中，Δq表示金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁发生碰撞后的荷电量改变量，v表示高压直流断路器绝缘壁的泊松比，E_EP表示高压直流断路器绝缘壁的杨氏模量，v_i表示金属颗粒与高压直流断路器绝缘壁碰撞速度的法向分量，ρ_M表示金属颗粒的密度。

6.根据权利要求1所述的一种金属颗粒运动轨迹模拟方法，其特征在于，计算金属颗粒与高压直流断路器断口壁面碰撞的所述有效恢复系数与有效摩擦系数，其计算式为

式中，σ表示高压直流断路器断口壁面的屈服应力，μ表示高压直流断路器断口壁面与金属颗粒间的摩擦系数，E_Y1表示高压直流断路器断口壁面的杨氏模量，E_Y2表示金属颗粒的杨氏模量，v₁表示高压直流断路器断口壁面的泊松比，v₂表示金属颗粒的泊松比，ρ_M表示金属颗粒的密度。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现权利要求1-6中任一项所述的模拟方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述的模拟方法的步骤。

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