CN115906440B - 一种高压直流电缆绝缘层仿真方法、装置、设备及介质 - Google Patents
一种高压直流电缆绝缘层仿真方法、装置、设备及介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高压直流电缆绝缘层仿真方法、装置、设备及介质，涉及高压直流电缆仿真技术领域。该方法包括：根据目标高压直流电缆材料性能参数和绝缘层内部电导率‑电热耦合场模型，仿真得到稳态时的电场分布和温度场分布；根据稳态时的电场分布和温度场分布、高压直流电缆几何模型的绝缘层界面处同极性空间电荷注入过程和抽出过程、高压直流电缆几何模型的绝缘层内部杂质分子解离生成异极性空间电荷的过程以及同极性空间电荷载流子输运特性机制和异极性空间电荷载流子输运特性机制，运行绝缘层内部电荷‑电热耦合场模型，得到最终空间电荷和电热场分布，为高压直流电缆的设计及运行提供理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及高压直流电缆仿真技术领域，特别是涉及一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法、装置、设备及介质。
背景技术
高压直流电缆是高压直流输电系统中的关键基础设备，是构建直流电网的物理基础，其运行状态直接关系到电力系统的安全与稳定。高压直流电缆稳态运行时，绝缘层内部电热场分布对电缆高压直流电缆运行状态起着至关重要的影响。其主要原因是在温度梯度和直流电场梯度下绝缘层内部存在空间电荷积聚，积聚的空间电荷会引起局部电场畸变，加速绝缘老化与破坏过程。研究稳态运行时高压直流电缆的绝缘层内部的空间电荷分布和电热场分布特性具有重大意义。
高压直流电缆绝缘层内部空间电荷主要来源有以下三种：
1)电极注入的同极性空间电荷；2)杂质解离形成的异极性空间电荷；3)介电参数变化导致的空间电荷。而在高温高场强下前两种类型的空间电荷对电场分布影响最大。现有计算高压直流电缆绝缘层内部电场分布的方法主要有两种思路：一种是通过直流电导率计算电场分布，电导率、温度、电场强度三者之间存在相互耦合作用，通过电流场公式计算电场分布；另一种思路是在计算绝缘层内部空间电荷分布后，利用泊松方程计算电场分布。
由于现有研究所建立电缆模型绝缘层厚度较薄，并未充分考虑温度梯度和电场梯度的影响，主要考虑了电极注入的同极性空间电荷的影响。但是随着电力系统的电压等级和输送容量的不断提升，高压直流电缆的绝缘厚度、绝缘层内部电场梯度和温度梯度不断加大，必须同时考虑电极注入的同极性空间电荷和杂质解离形成的异极性空间电荷对电场的畸变作用才能更加精准计算。另外，电导率是影响空间电荷和电场分布的关键参数，现有计算方法并未考虑电导率对空间电荷分布的影响，因此，亟需提供一种适用于研究高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法、装置、设备及介质，为高压直流电缆的设计及运行提供理论指导。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法、装置、设备及介质，能通过仿真得到高压直流电缆在稳态运行时的绝缘层内部的空间电荷分布和电热场分布，为高压直流电缆的设计及运行提供理论指导。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，本发明提供了一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，包括：
根据目标高压直流电缆的几何结构和几何尺寸，确定目标高压直流电缆模型，并设置目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数；所述仿真参数包括同极性电荷和异极性电荷载流子输运参数；所述目标高压直流电缆模型包括高压直流电缆几何模型、绝缘层内部电导率-电热耦合场模型和绝缘层内部电荷-电热耦合场模型；
根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布；所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数
设置第一过程、第二过程和目标机制；所述第一过程为在所述目标高压直流电缆几何模型的绝缘层界面处同极性空间电荷注入过程和抽出过程；所述第二过程为在所述目标高压直流电缆几何模型的绝缘层内部杂质分子解离生成异极性空间电荷的过程；所述目标机制包括同极性空间电荷载流子输运特性机制和异极性空间电荷载流子输运特性机制；
根据所述第一过程、所述第二过程、所述目标机制以及所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布，确定所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型的仿真初始条件、仿真边界条件和仿真时长；所述仿真初始条件中电场初始条件和温度场初始条件为所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布；
根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布；所述目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
根据当前仿真时刻电场分布，更新所述第一过程和所述第二过程，并根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，直到达到设定的仿真时间。
第二方面，本发明提供了一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真装置，包括：
目标高压直流电缆相关信息确定模块，用于根据目标高压直流电缆的几何结构和几何尺寸，确定目标高压直流电缆模型，并设置目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数；所述仿真参数包括同极性电荷和异极性电荷载流子输运参数；所述目标高压直流电缆模型包括高压直流电缆几何模型、绝缘层内部电导率-电热耦合场模型和绝缘层内部电荷-电热耦合场模型；
电导率-电热耦合场模型计算模块，用于根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布；所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
电荷-电热耦合场模型计算模块，用于根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，仿真得到稳态时空间电荷分布、电场分布和温度场分布；所述电荷-电热耦合场模型计算模块包括电荷输运行为设置单元和迭代计算单元；
所述电荷输运行为设置单元，用于根据所述第一过程、所述第二过程、所述目标机制以及所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布，确定所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型的仿真初始条件、仿真边界条件和仿真时长；所述仿真初始条件中电场初始条件和温度场初始条件为所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布；
所述迭代计算单元用于根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布；所述目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；根据当前仿真时刻电场分布，更新所述第一过程和所述第二过程，并根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，直到达到设定的仿真时间。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据第一方面所述的高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法。
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：
本发明能够通过仿真试验得到高压直流电缆在稳态运行时的绝缘层内部的空间电荷分布和电热场分布，为高压直流电缆的设计及运行提供理论指导。
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为本发明高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法的流程示意图；
图2为本发明高压直流电缆绝缘横截面示意图；
图3为本发明绝缘层内部空间电荷传导机理示意图；
图4为本发明高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷和电热场仿真流程图；
图5为本发明+500kV高压直流电缆绝缘稳态温度和电场分布图；
图6为本发明+500kV高压直流电缆绝缘稳态沿径向方向空间电荷和电场分布图；
图7为本发明高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真装置的结构示意图；
图8为本发明电子设备的结构示意图。
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。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，如图1所示，包括：
步骤100：根据目标高压直流电缆的几何结构和几何尺寸，确定目标高压直流电缆模型，并设置目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数；所述仿真参数包括同极性电荷和异极性电荷载流子输运参数；所述目标高压直流电缆模型包括高压直流电缆几何模型、绝缘层内部电导率-电热耦合场模型和绝缘层内部电荷-电热耦合场模型。
步骤200：根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布；所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数。
步骤300：设置第一过程、第二过程和目标机制；所述第一过程为在所述目标高压直流电缆几何模型的绝缘层界面处同极性空间电荷注入过程和抽出过程；所述第二过程为在所述目标高压直流电缆几何模型的绝缘层内部杂质分子解离生成异极性空间电荷的过程；所述目标机制包括同极性空间电荷载流子输运特性机制和异极性空间电荷载流子输运特性机制。
步骤400：根据所述第一过程、所述第二过程、所述目标机制以及所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布，确定所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型的仿真初始条件、仿真边界条件和仿真时长；所述仿真初始条件中电场初始条件和温度场初始条件为所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布。
步骤500：根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布；所述目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型以及对应的仿真参数。
步骤600：根据当前仿真时刻电场分布，更新所述第一过程和所述第二过程，并根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，直到达到设定的仿真时间。
在步骤200中，所述根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布，具体包括：
S1：根据所述目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数，确定绝缘层内部电导率-电热耦合场模型的仿真参数。
S2：根据绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布。
在步骤500中，所述根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，仿真得到当前仿真时刻电场分布，具体包括：
根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型和当前仿真时刻空间电荷分布，利用泊松方程，仿真得到当前仿真时刻电场分布。
在步骤600中，所述根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，具体包括：
S1：根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，求解连续性方程和传导方程，得到下一仿真时刻载流子浓度。
S2：根据下一仿真时刻载流子浓度，确定下一仿真时刻空间电荷分布。
进一步地，本发明实施例所述的方法还包括：
判断所述当前仿真时间是否到达设定的仿真时间；若是，则将当前仿真时刻空间电荷分布确定为目标高压直流电缆的空间电荷分布，将当前仿真时刻电场分布确定为目标高压直流电缆的电场分布，将目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的温度场分布确定为目标高压直流电缆的温度场分布；若否，则将所述仿真初始条件中的电场分布更新为当前仿真时刻电场分布，将当前仿真时刻空间电荷分布更新为下一仿真时刻空间电荷分布，返回根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布的步骤。其中，整体仿真流程图如图4所示。
作为一种优选的实施方式，本发明实施例所述的目标高压直流电缆绝缘横截面如图2所示，具体地，目标高压直流电缆的实体结构包括电缆导体、内屏蔽层、绝缘层和外屏蔽层；因此，沿着径向方向分别设置电缆导体、内屏蔽层、绝缘层和外屏蔽层，以构成集合模型。值得说明的是，在高压直流电缆中，绝缘层内的径向空间电荷分布是相同的，独立于轴向位置和角向位置。其中，图3为本发明绝缘层内部空间电荷传导机理示意图。
优选地，所述高压直流电缆的电压等级包含±1kV至±800kV。
作为一种优选的实施方式，本发明实施例所述的目标高压直流电缆材料性能参数中的绝缘层体积电导率与温度、外施电场强度的关系为：
其中，σ表示绝缘层体积电导率，A1表示与高压直流电缆材料相关的系数，表示活化能，B表示反映绝缘层体积电导率对电场依赖程度的电场系数，|E|表示外施电场强度模值，k表示Boltzmann常数，T表示温度，e表示基本电荷，温度T(r)由傅里叶传热方程得出，表达式为：其中，ρm表示高压直流电缆材料密度，cp表示比热容，t表示时间，表示微分算子，λ表示热导率，Qc表示热源密度。
此处热源主要考虑线芯发热产生的焦耳热，表达式为：其中，S表示电缆导体截面面积，I表示负载电流，ρd表示导体电阻率。
作为一种优选的实施方式，本发明实施例所述的电流密度的设置过程为：
J＝σE；其中，J为电流密度；E为电场强度；ε为绝缘层介电常数。
作为一种优选的实施方式，本发明实施例所述的绝缘层内部空间电荷传导机理，其中，第一过程的设置过程为：
基于肖特基注入电流密度表达式，对在所述高压直流电缆几何模型的绝缘层界面处同极性空间电荷注入过程进行设置。
优选地，所述肖特基注入电流密度表达式具体为：
其中，jh(r0，t)和je(rd，t)分别是空穴的注入电流密度和电子的注入电流密度，单位为A/m2，r表示半径，r0和rd分别是绝缘层与内屏蔽层界面和绝缘层与外屏蔽层界面，t是时间，单位为s，E(r0，t)和E(rd，t)是局部电场，分别为绝缘层与内屏蔽层界面的电场强度、以及绝缘层与外屏蔽层界面的电场强度，单位为V/m，A是Richardson常数，T是温度，单位为K；e是基本电荷；k是Boltzmann常数；whi和wei是空穴的注入势垒和电子的注入势垒，单位为eV，ε为高压直流电缆绝缘层介电常数；r0表示绝缘层内侧半径，rd表示绝缘层外侧半径；T(r0，t)和T(rd，t)分别为绝缘层与内屏蔽层界面的温度、以及绝缘层与外屏蔽层界面的温度。
根据公式在所述高压直流电缆几何模型的绝缘层界面处同极性空间电荷抽出过程进行设置。其中，Ch和Ce分别是空穴的抽出系数和电子的抽出系数；jh(rd，t)和je(r0，t)为自由空穴的抽出电流密度和自由电子的抽出电流密度，单位为A/m2；nhu(rd，t)为绝缘层外侧自由空穴密度，单位为C/m3；neu(r0，t)为绝缘层内侧自由电子密度，单位为C/m3；μh和μe分别为自由空穴和自由电子迁移率，单位为m2/(V·s)。
作为一种优选的实施方式，本发明实施例所述的第二过程的设置过程为：
根据对杂质分子的解离率进行设置。
其中，Dd为杂质分子的解离率，v为尝试逃逸频率，wd表示当杂质分子解离为正离子和负离子时的解离势垒高度，k是Boltzmann常数，T是温度，单位为K，ε为高压直流电缆绝缘层介电常数，E为电场强度；e是基本电荷。
作为一种优选的实施方式，本发明实施例所述的异极性空间电荷载流子输运特性机制的设置过程为：
异极性空间电荷在所述绝缘层内部迁移率的表示方程为：
其中，μa表示异极性空间电荷在所述绝缘层内部迁移；下标a表示电荷种类，即a代表n，p时，分别表示负离子和正离子。δa为负离子和正离子的平均跳跃距离，v为尝试逃逸频率，ΔUta为负离子和正离子的迁移势垒，E(r,t)表示t时刻沿半径r方向的电场强度，k是Boltzmann常数，T是温度，单位为K，ΔUna为电场作用下负离子和正离子迁移势垒的变化，可由下式得出：
ΔUna＝0.5·δa·q·E(r,t)；
式中，q表示离子单位电荷量，在实例中，q＝2e。
在同极性空间电荷载流子输运特性机制中，所述同极性空间电荷载流子的电流密度的表示方程，即电荷输运过程可通过传导方程、泊松方程和电流连续性方程描述：
其中，下标a表示电荷类型，即a代表hu和ht时表示自由空穴和受陷空穴，a代表eu和et时表示自由电子和受陷电子，a代表nu和nt时表示自由负离子和受陷负离子，a代表pu和pt时表示自由正离子和受陷正离子。ja(r,t)表示t时刻沿半径r方向的不同位置处电荷类型为a时的电流密度，μa表示空间电荷在绝缘层内部迁移率，na(r,t)表示t时刻沿半径r方向的不同位置处电荷类型为a时的电荷密度，E(r,t)表示t时刻沿半径r方向的电场强度，ρ1(r,t)表示t时刻沿半径r方向注入的同极性空间电荷密度，ρ1＝nht+nhu-net-neu，ρ2(r,t)表示t时刻沿半径r方向的杂质解离产生的异极性空间电荷密度，ρ2＝npt+npu-nnt-nnu，nht表示受陷空穴的电荷密度，nhu表示自由空穴的电荷密度，net表示受陷电子的电荷密度，eu表示自由电子的电荷密度，sa(r,t)表示源项，代表t时刻沿半径r方向的电荷密度的局部变化，源项分别描述了八种空间电荷在介质中的输运行为，源项表示为：
seμ＝-Shteu·nhtneμ-Shueu·nhμneμ-Be·neμ(1-net/noet)+De·net
spt＝-Sptnu·nptnnμ-Sptnt·nptnnt+Bp·npμ(1-npt/nopt)-Dp·npt
spμ＝-Spunt·npμnnt-Spunu·npμnnμ-Bp·npμ(1-npt/nopt)+Dp·npt+De·N0
snt＝-Spunt·npμnnt-Sptnt·nptnnt+Bn·nnμ(1-nnt/nont)-Dn·nnt
snμ＝-Sptnu·nptnnμ-Spunu·npμnnμ-Bn·nnμ(1-nnt/nont)+Dn·nnt+Dd·N0
sht＝-Shteu·nhtneμ-Shtet·nhtnet+Bh·nhμ(1-nht/noht)-Dh·nht
shμ＝-Shuet·nhμnet-Shueu·nhμneμ-Bh·nhμ(1-nht/noht)+Dh·nht
set＝-Shuet·nhμnet-Shtet·nhtnet+Be·neμ(1-net/noet)-De·net
其中，N0为杂质分子浓度，Ba是受陷系数，noat是陷阱密度，Da是与陷阱深度有关的脱陷系数，具体表达式为：
其中，ΔUdtra为电荷深陷阱的深度；
Shteu是受陷空穴和自由电子复合系数，具体表达式为：
式中，ueu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时的自由电子的迁移率；
Shuet是自由空穴和受陷电子复合系数，表达式为：
式中，uhu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时的自由空穴的迁移率；
Shtet是受陷空穴和受陷电子复合系数，具体值为：
Shtet＝0；
Shueu是自由空穴和自由电子复合系数，具体表达式为：
Sptnu是受陷正离子和自由负离子复合系数，具体表达式为：
式中，unu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时自由负离子的迁移率；
Spunt是自由正离子和受陷负离子复合系数，具体表达式为：
式中，upu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时自由正离子的迁移率；
Sptnt是受陷正离子和受陷负离子复合系数，具体值为：
Sptnt＝0；
Spunu是自由正离子和自由负离子复合系数，具体表达式为：
杂质分子浓度N0随着解离和复合动态变化，其变化量为：
ΔN0＝Sptnu·nptnnμ+Spunu·npμnnμ+Spunt·npμnnt+Sptnt·nptnnt-Dd·N0
式中，npt表示受陷正离子的电荷密度，nnμ表示自由负离子的电荷密度，npμ表示自由正离子的电荷密度，nnt表示受陷负离子的电荷密度。
作为一种优选的实施方式，本实施例的仿真边界条件包括电势和温度。
在直流电缆的线芯处设置高电压，绝缘层外部的边界处设置接地，绝缘层内部的边界处设置高温，绝缘层外部的边界处设置低温。
作为一种优选的实施方式，本发明实施例采用有限元法对目标高压直流电缆几何模型进行网格划分，并基于网格划分后的高压直流电缆几何模型，对高压直流电缆绝缘层内部的空间电荷分布和电热场分布进行仿真，得到目标高压直流电缆绝缘层内部的空间电荷分布结果和电、热场分布结果。
具体地，设定高压直流电缆温度梯度；根据电缆绝缘材料，如交联聚乙烯及聚丙烯等绝缘，设定绝缘材料介电常数、密度、热导率、热容等一系列材料性能参数；绝缘层的厚度将被剖分为不均一大小的网格，其中电极附近处的网格偏小，以优化仿真结果；通过向后差分公式法进行计算，初始时间步长设置为0.1s，满足CFL关系(收敛条件)，也就是说电荷载流子在单位时间步长之内的位移量小于最小网格长度，保证仿真数据的有效性；在稳态运行工况下，考虑高压直流电缆绝缘材料本身电介质特性、电荷在电极与电介质界面注入机制、杂质分子解离机制和电荷在电介质内部输运机制，计算空间电荷、电场和温度场随时间变化分布。
为更清楚地表述本发明实施例的仿真方法，以一具体例子进行介绍：
对电压和温度梯度恒定时的高压直流交联聚乙烯模型电缆内的空间电荷分布及电热场分布进行模拟仿真，高压直流交联聚乙烯模型电缆的导体线芯半径31.25mm，内屏蔽层厚度2mm，绝缘厚度26mm，导体线芯上施加电压500kV，分别设置高压直流电缆绝缘内侧温度90℃、70℃、55℃和45℃，外侧均为45℃，从而形成不同温度梯度，几何参数和传热模型所用参数如下表。
表1不同温度梯度，几何参数和传热模型所用参数表
绝缘层体积电导率与温度、外施电场强度的关系为：
当温度梯度和电场梯度在绝缘层内部逐渐形成时，电导率随空间变化，绝缘层内部产生感应的空间电荷。当电压施加在导体线芯上，空穴和电子载流子分别从两个电极界面处开始注入，杂质分子开始解离，电荷向相反极性电极方向运动，形成传导电流。初始时刻除杂质分子外，其他类型电荷在绝缘层内部浓度为0mol/m3，电荷载流子入陷率、脱陷率、复合率及迁移率等电荷输运模型的相关参数见下表。
表2电荷载流子入陷率、脱陷率、复合率及迁移率等电荷输运模型的相关参数表
表3参数范围表
随着加压时间的继续，空间电荷在绝缘电介质内开始积累，电极注入的同极性空间电荷和杂质解离形成的异极性空间电荷共同作用下，电场分布不均匀度增加，最高电场强度靠近外屏蔽层，沿绝缘径向空间电荷、电场强度和温度分布如图5和图6所示。由此可通过计算空间电荷特性分布得到电缆绝缘内电场强度，为高压直流电缆系统的设计及运行提供指导和帮助。
其中，图5中的(a)和(b)为温度梯度为绝缘层外侧90℃绝缘层内侧45℃时的温度场分布和电场分布；图5中的(c)和(d)为温度梯度为绝缘层外侧70℃绝缘层内侧45℃时的温度场分布和电场分布；图5中的(e)和(f)为温度梯度为绝缘层外侧55℃绝缘层内侧45℃时的温度场分布和电场分布；
图5中的(g)和(h)为温度梯度为绝缘层外侧45℃绝缘层内侧45℃时的温度场分布和电场分布。
图6中的(a)和(b)为温度梯度为绝缘层外侧90℃绝缘层内侧45℃时的径向空间电荷分布和径向电场分布；图6中的(c)和(d)为温度梯度为绝缘层外侧70℃绝缘层内侧45℃时的径向空间电荷分布和径向电场分布；图6中的(e)和(f)为温度梯度为绝缘层外侧55℃绝缘层内侧45℃时的径向空间电荷分布和径向电场分布；图6中的(g)和(h)为温度梯度为绝缘层外侧45℃绝缘层内侧45℃时的径向空间电荷分布和径向电场分布。
实施例二
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种高压直流电缆的仿真装置。
如图7所示，该高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真装置包括：
目标高压直流电缆相关信息确定模块1，用于根据目标高压直流电缆的几何结构和几何尺寸，确定目标高压直流电缆模型，并设置目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数；所述仿真参数包括同极性电荷和异极性电荷载流子输运参数；所述目标高压直流电缆模型包括高压直流电缆几何模型、绝缘层内部电导率-电热耦合场模型和绝缘层内部电荷-电热耦合场模型；
电导率-电热耦合场模型计算模块2，用于根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布；所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
电荷-电热耦合场模型计算模块3，用于根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，仿真得到稳态时空间电荷分布、电场分布和温度场分布；
所述电荷-电热耦合场模型计算模块包括电荷输运行为设置单元和迭代计算单元；所述电荷输运行为设置单元，用于根据所述第一过程、所述第二过程、所述目标机制以及所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布，确定所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型的仿真初始条件、仿真边界条件和仿真时长；所述仿真初始条件中电场初始条件和温度场初始条件为所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布；
所述迭代计算单元，用于：
根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布；所述目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
根据当前仿真时刻电场分布，更新所述第一过程和所述第二过程，并根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，直到达到设定的仿真时间。
实施例三
如图8所示，本发明实施例提供一种电子设备包括存储器22及处理器21，该存储器22用于存储计算机程序，该处理器21运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法。
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法。
可选地，所述处理器21是所述高压直流电缆的绝缘层内部的空间电荷分布和电热场分布的仿真设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个直流电缆电场分布的仿真设备的各个部分。所述存储器22可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器21通过运行或执行存储在所述存储器22内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器22内的数据，实现所述高压直流电缆的绝缘层内部的空间电荷分布和电热场分布的仿真设备的各种功能。
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 (10)
1.一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，其特征在于，包括：
根据目标高压直流电缆的几何结构和几何尺寸，确定目标高压直流电缆模型，并设置目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数；所述仿真参数包括同极性电荷和异极性电荷载流子输运参数；所述目标高压直流电缆模型包括高压直流电缆几何模型、绝缘层内部电导率-电热耦合场模型和绝缘层内部电荷-电热耦合场模型；
根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布；所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
设置第一过程、第二过程和目标机制；所述第一过程为在所述目标高压直流电缆几何模型的绝缘层界面处同极性空间电荷注入过程和抽出过程；所述第二过程为在所述目标高压直流电缆几何模型的绝缘层内部杂质分子解离生成异极性空间电荷的过程；所述目标机制包括同极性空间电荷载流子输运特性机制和异极性空间电荷载流子输运特性机制；
根据所述第一过程、所述第二过程、所述目标机制以及所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布，确定所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型的仿真初始条件、仿真边界条件和仿真时长；所述仿真初始条件中电场初始条件和温度场初始条件为所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布；
根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布；所述目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
根据当前仿真时刻电场分布，更新所述第一过程和所述第二过程，并根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，直到达到设定的仿真时间。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，其特征在于，所述根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布，具体包括：
根据所述目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数，确定绝缘层内部电导率-电热耦合场模型的仿真参数；
根据绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布。
3.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，其特征在于，在执行根据当前仿真时刻电场分布，更新所述第一过程和所述第二过程，并根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布步骤之后，还包括：
判断所述当前仿真时间是否到达设定的仿真时间；
若是，则将当前仿真时刻空间电荷分布确定为目标高压直流电缆的空间电荷分布，将当前仿真时刻电场分布确定为目标高压直流电缆的电场分布，将目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的温度场分布确定为目标高压直流电缆的温度场分布；
若否，则将所述仿真初始条件中的电场分布更新为当前仿真时刻电场分布，将当前仿真时刻空间电荷分布更新为下一仿真时刻空间电荷分布，返回根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布的步骤。
4.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，其特征在于，所述根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，仿真得到当前仿真时刻电场分布，具体包括：
根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型和当前仿真时刻空间电荷分布，利用泊松方程，仿真得到当前仿真时刻电场分布。
5.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，其特征在于，所述根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，具体包括：
根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，求解连续性方程和传导方程，得到下一仿真时刻载流子浓度；
根据下一仿真时刻载流子浓度，确定下一仿真时刻空间电荷分布。
6.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，其特征在于，在异极性空间电荷载流子输运特性机制中，异极性空间电荷在所述绝缘层内部迁移率的表示方程为：
其中，μa表示异极性空间电荷在所述绝缘层内部迁移；a表示电荷种类，所述电荷种类包括负离子和正离子；δa为负离子和正离子的平均跳跃距离；v为尝试逃逸频率；ΔUta为负离子和正离子的迁移势垒，k是Boltzmann常数；T是温度，单位为K；ΔUna为电场作用下负离子和正离子迁移势垒的变化；E(r,t)表示t时刻，沿半径r方向的电场强度。
7.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真方法，其特征在于，在同极性空间电荷载流子输运特性机制中，所述同极性空间电荷载流子的电流密度的表示方程为：
其中，a表示电荷类型，ja(r,t)表示t时刻沿半径r方向的不同位置处电荷类型为a时的电流密度，μa表示异极性空间电荷在绝缘层内部迁移率，na(r,t)表示t时刻沿半径r方向的不同位置处电荷类型为a时的电荷密度，E(r,t)表示t时刻沿半径r方向的电场强度，ρ1(r,t)表示t时刻沿半径r方向注入的同极性空间电荷密度，ρ2(r,t)表示t时刻沿半径r方向的杂质解离产生的异极性空间电荷密度，sa(r,t)表示源项，代表t时刻沿半径r方向的电荷密度的局部变化；
源项表示为：
seμ＝-Shteu·nhtneμ-Shueu·nhμneμ-Be·neμ(1-net/noet)+De·net
spt＝-Sptnu·nptnnμ-Sptnt·nptnnt+Bp·npμ(1-npt/nopt)-Dp·npt
spμ＝-Spunt·npμnnt-Spunu·npμnnμ-Bp·npμ(1-npt/nopt)+Dp·npt+De·N0
snt＝-Spunt·npμnnt-Sptnt·nptnnt+Bn·nnμ(1-nnt/nont)-Dn·nnt
snμ＝-Sptnu·nptnnμ-Spunu·npμnnμ-Bn·nnμ(1-nnt/nont)+Dn·nnt+Dd·N0
sht＝-Shteu·nhtneμ-Shtet·nhtnet+Bh·nhμ(1-nht/noht)-Dh·nht
shμ＝-Shuet·nhμnet-Shueu·nhμneμ-Bh·nhμ(1-nht/noht)+Dh·nht
set＝-Shuet·nhμnet-Shtet·nhtnet+Be·neμ(1-net/noet)-De·net
其中，N0为杂质分子浓度，Ba是受陷系数，noat是陷阱密度，Da是与陷阱深度有关的脱陷系数，具体表达式为：
其中，ΔUdtra分别为电荷深陷阱的深度；
Shteu是受陷空穴和自由电子复合系数，具体表达式为：
式中，ueu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时的自由电子的迁移率；
Shuet是自由空穴和受陷电子复合系数，具体表达式为：
式中，uhu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时的自由空穴的迁移率；
Shtet是受陷空穴和受陷电子复合系数，具体值为：
Shtet＝0
Shueu是自由空穴和自由电子复合系数，具体表达式为：
Sptnu是受陷正离子和自由负离子复合系数，具体表达式为：
式中，unu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时自由负离子的迁移率；
Spunt是自由正离子和受陷负离子复合系数，具体表达式为：
式中，upu(r,t)表示t时刻沿半径r方向时自由正离子的迁移率；
Sptnt是受陷正离子和受陷负离子复合系数，具体值为：
Sptnt＝0
Spunu是自由正离子和自由负离子复合系数，具体表达式为：
杂质分子浓度N0随着解离和复合动态变化，其变化量为：
ΔN0＝Sptnu·nptnnμ+Spunu·npμnnμ+Spunt·npμnnt+Sptnt·nptnnt-Dd·N0
式中，npt表示受陷正离子的电荷密度，nnμ表示自由负离子的电荷密度，npμ表示自由正离子的电荷密度，nnt表示受陷负离子的电荷密度。
8.一种高压直流电缆绝缘层内部稳态空间电荷分布和电热场分布的仿真装置，其特征在于，包括：
目标高压直流电缆相关信息确定模块，用于根据目标高压直流电缆的几何结构和几何尺寸，确定目标高压直流电缆模型，并设置目标高压直流电缆材料性能参数和仿真参数；所述仿真参数包括同极性电荷和异极性电荷载流子输运参数；所述目标高压直流电缆模型包括高压直流电缆几何模型、绝缘层内部电导率-电热耦合场模型和绝缘层内部电荷-电热耦合场模型；
电导率-电热耦合场模型计算模块，用于根据目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型，仿真得到不考虑空间电荷且稳态时的电场分布和温度场分布；所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电导率-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
电荷-电热耦合场模型计算模块，用于根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，仿真得到稳态时空间电荷分布、电场分布和温度场分布；
所述电荷-电热耦合场模型计算模块包括电荷输运行为设置单元和迭代计算单元；
所述电荷输运行为设置单元，用于根据第一过程、第二过程、目标机制以及所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布，确定所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型的仿真初始条件、仿真边界条件和仿真时长；所述仿真初始条件中电场初始条件和温度场初始条件为所述目标绝缘层内部电导率-电热耦合场模型确定的电场分布和温度场分布；
所述迭代计算单元，用于：
根据目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型，由当前仿真时刻空间电荷分布仿真得到当前仿真时刻电场分布；所述目标绝缘层内部电荷-电热耦合场模型包括所述目标高压直流电缆模型中的绝缘层内部电荷-电热耦合场模型以及对应的仿真参数；
根据当前仿真时刻电场分布，更新所述第一过程和所述第二过程，并根据更新后的第一过程、更新后的第二过程和目标机制，确定下一仿真时刻空间电荷分布，直到达到设定的仿真时间。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据权利要求1至7中任一项所述的高压直流电缆绝缘稳态空间电荷和电热场分布的仿真方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的高压直流电缆绝缘稳态空间电荷和电热场分布的仿真方法。
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Legal Events
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