本發(fā)明涉及局部放電仿真領域，特別涉及一種新型單氣隙絕緣介質局部放電仿真建模方法。

背景技術：

絕緣體中只有局部區(qū)域發(fā)生放電，而沒有貫穿施加電壓導體的現(xiàn)象稱為局部放電。統(tǒng)計表明，局部放電是導致開關柜絕緣老化的主要原因，85％的絕緣故障是由局部放電引起的，局部放電檢測已成為電力設備絕緣狀態(tài)檢測的主要手段。在了解實驗特性和物理過程的基礎上，對局部放電進行有效地仿真將有助于了解其產(chǎn)生機理和放電特性，以用于局部放電的檢測。

關于局部放電仿真，長期以來國外學者大都采用三電容仿真模型，該模型把絕緣介質和絕緣缺陷用集總電容來代替，放電起始和停止條件依靠實驗經(jīng)驗測算，并把放電暫態(tài)過程當成電容充放電過程來模擬，這樣忽略了絕緣介質以及氣隙溫度和壓強等對放電過程的影響，因而仿真效果與實際放電相去甚遠。后來一些學者在此模型基礎上做了一些改進，但其著眼點也只是在氣隙電容模型的結構以及使能開關的控制策略上，仍不能得出令人滿意的仿真結果。學者Cecilia Forssén和Hans Edin等人利用有限元分析方法并結合放電實驗結果建立仿真模型，并利用該模型研究局部放電特性與外加電壓、絕緣介質材料和尺寸、氣隙尺寸和位置等參數(shù)之間的關系。該方法不再把絕緣介質和氣隙直接轉變?yōu)榧傠娙?，但也存在著忽略絕緣介質對放電過程的影響，以及放電起始和停止策略的控制仍是基于實驗經(jīng)驗測算的問題。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種新型單氣隙絕緣介質局部放電仿真建模方法，能夠更加有效地模擬局部放電。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種單氣隙絕緣介質局部放電仿真建模方法，包括以下步驟：

(1)，根據(jù)局部放電實驗特性和物理過程選擇絕緣介質模型；

(2)，基于放電電荷在氣隙中的衰減規(guī)律計算出不同極性情形下的放電延遲時間，確定放電起始和停止條件；

(3)，引入感應電荷附加電容；

(4)，引入氣隙溫度和壓強對放電特性的影響；

(5)，根據(jù)步驟(1)，(2)，(3)，(4)建立含有感應電荷附加電容的單氣隙絕緣介質局部放電仿真模型。

進一步的，步驟(1)所述的絕緣介質模型采用橢球形單氣隙絕緣介質模型。

進一步的，步驟(2)所述的確定放電延遲時間，具體方法如下：

當氣隙兩端電壓極性改變時，對應的放電延遲時間τ_ewd為：

${\mathrm{\τ}}_{ewd}=\frac{e\mathrm{\α}}{SG(\mathrm{\α}-\mathrm{\η})}\exp \[\frac{\mathrm{\Φ}-\sqrt{eE/\left(4{\mathrm{\π\ϵ}}_0\right)}}{kT}\]---\left(1\right)$

式中：e為一個電子所帶電量，α為氣體碰撞電離系數(shù)，η為電子附著系數(shù)，E為氣隙內(nèi)電場強度，ε₀為真空介電常數(shù)，Φ為等效逸出功，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為氣隙溫度，S為氣隙壁等效面積；G為表征氣隙材料結構特性且與溫度有關的函數(shù)，其表達式為：

G＝C_theT² (2)

式中：C_the為常數(shù)，其值為1.2×10⁶Am^-2K^-2；

當氣隙兩端電壓極性不變時，對應的平均放電延遲時間τ_rad為：

${\mathrm{\τ}}_{rad}={\[V_{voi}{C}_{rad}{\mathrm{\Φ}}_{rad}\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{p}\right)p(1-{\mathrm{\θ}}^{-\mathrm{\β}})\]}^{-1}---\left(3\right)$

式中：V_voi為暴露在電場及輻射中的等效氣體體積，C_rad為輻射電離系數(shù)，Φ_rad為輻射量子通量密度，ρ為氣體密度，p為氣隙內(nèi)部壓強，ρ/p為輻射電離過程中的氣體密度與壓強之比；θ為過電壓率，θ定義為氣隙外加電壓與放電起始電壓的比值。

進一步的，步驟(2)所述的確定放電起始和停止條件，具體方法如下：

放電的起始條件：橢球形氣隙局部放電起始電壓為

${U_0}^{inc}=\frac{{(E/p)}_{cri}p\{1+{(K_{cri}/C)}^{1/\mathrm{\β}}/\[{(E/p)}_{cri}{\left(pl\right)}^{1/\mathrm{\β}}\]\}}{\▿u_0}\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_{rel}+1}{3{\mathrm{\ϵ}}_{rel}}---\left(4\right)$

式中：(E/p)_cri為當氣體碰撞電離系數(shù)α與電子附著系數(shù)η相等時氣隙內(nèi)電場強度E與氣體壓強p的比值，l為平行電場方向上氣隙長度，ε_rel為絕緣介質相對介電常數(shù)，K_cri為在電子崩產(chǎn)生的空間電荷形成的電場作用下，電子崩頭中能使電子崩自持傳播的電子數(shù)，C、β為常數(shù)；為拉普拉斯方程在邊界條件為高壓電極處u₀＝1,低壓電極處u₀＝0的解，其中u₀為外加電壓在氣隙處產(chǎn)生的電壓與外加電壓的比值；u為外加電壓在氣隙處產(chǎn)生的電壓與氣隙電壓的比值。

局部放電停止的條件應是大量電子向正極性氣隙壁快速移動過程結束的條件。

進一步的，步驟(3)所述的引入感應電荷附加電容，具體方法如下：

在放電過程結束后，系統(tǒng)電容C_sys為：

$C_{sys}=C_{die}+\frac{q_{ind}}{U_0}---\left(5\right)$

其中，C_die為未發(fā)生放電時系統(tǒng)的電容值，即絕緣介質和氣隙總電容值；U₀為氣隙兩端電壓；q_ind為放電過程中產(chǎn)生的感應電荷量，其表達式為：

$q_{ind}=-\frac{4}{3}{\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{ab}}^2{\mathrm{\ϵ}}_{rel}K(a/b)\mathrm{\Δ}E\▿u_0---\left(6\right)$

式中，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_rel為絕緣介質相對介電常數(shù)，ΔE為放電前后氣隙電場強度的變化量；K(a/b)為橢球形單氣隙等效軸長比值的函數(shù)，表征氣隙的形狀，a為氣隙長軸半徑，b為氣隙短軸半徑；

由式(5)可知，放電過程中感應電荷的出現(xiàn)會引起系統(tǒng)電容的變化，得到系統(tǒng)電容變化量

進一步的，步驟(4)所述的引入氣隙溫度和壓強對放電特性的影響，具體方法如下：

假定放電過程中氣體體積不變，根據(jù)氣體狀態(tài)方程：

$\frac{p_0}{T_0}=\frac{p_1}{T_1}---\left(7\right)$

式中：p₀、T₀和p₁、T₁為放電前和放電后氣隙氣體的壓強和溫度；

令p₀、T₀為標準大氣條件，則放電后的氣體壓強為：

$p_1=\frac{p_0}{T_0}{T}_1---\left(8\right)$

放電溫度T_PD與放電量之間的關系為：

T_PD＝4.283q+17.02 (9)

其中，放電電荷量q為：

q＝πε₀b²{1+ε_rel[K(a/b)-1]}ΔE (10)

放電間隙溫度T'隨時間的變化關系為：

T'＝0.682exp[-(208.07t+0.1256)²]+0.651exp[-(90.66t-0.825)²] (11)

式中，t為每次放電停止的時間；

因此氣隙內(nèi)氣體溫度T₁為：

T₁＝T_PDT' (12)

將式(12)代入式(8)即可得氣隙內(nèi)氣體壓強，再將求解出的氣體壓強代入式(3)、(4)，即可得氣隙壓強變化時的相應放電特性。

有益效果：本發(fā)明針對已有仿真存在的問題，引入固體絕緣介質對放電過程的影響，根據(jù)放電電荷在氣隙中的衰減規(guī)律計算出不同極性情形下的放電延遲時間，并確定放電電起始和停止條件，此外引入氣隙溫度和壓強對放電特性的影響提出的一種新型單氣隙絕緣介質局部放電仿真建模方法，充分考慮了局部放電的物理過程，仿真結果與實驗結果完全吻合，能有效地仿真局部放電。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的單氣隙絕緣介質局部放電仿真模型；

圖2是本發(fā)明采用的橢球形氣隙絕緣介質模型；

圖3是本發(fā)明中局部放電仿真流程圖；

圖4是本發(fā)明中局部放電仿真放電過程中氣隙兩端電壓變化情況；

圖5是本發(fā)明中局部放電仿真放電過程中氣隙兩端電流變化情況；

圖6是已有局部放電仿真模型氣隙電壓與放電電流波形。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

本發(fā)明針對已有仿真存在的問題，考慮固體絕緣介質對放電過程的影響，根據(jù)放電電荷在氣隙中的衰減規(guī)律計算出不同極性情形下的放電延遲時間，并確定放電起始和停止條件，此外引入氣隙溫度和壓強對放電特性的影響提出了一種新型單氣隙絕緣介質局部放電仿真建模方法。

本發(fā)明的單氣隙絕緣介質局部放電仿真模型如圖1所示，其中，AC為外加電源，Z_S為系統(tǒng)阻抗，R_a、C_a分別為絕緣介質無氣隙部分的電阻、電容，R_bl、C_b1和R_b2、C_b2分別為氣隙上下壁與絕緣材料表面之間絕緣介質的電阻、電容，R_c、C_c別為氣隙的電阻、電容，R_PD為放電過程中氣隙擊穿電阻，C_ind為放電感應電荷產(chǎn)生的附加電容，S為理想使能開關。

一種單氣隙絕緣介質局部放電仿真建模方法，包括以下步驟：

(1)，根據(jù)局部放電實驗特性和物理過程選擇絕緣介質模型為橢球形單氣隙絕緣介質模型，如圖2所示。

(2)，基于放電電荷在氣隙中的衰減規(guī)律計算出不同極性情形下的放電延遲時間，并確定放電起始和停止條件；具體為：

當氣隙兩端電壓極性改變時，對應的放電延遲時間τ_ewd為：

${\mathrm{\τ}}_{ewd}=\frac{e\mathrm{\α}}{SG(\mathrm{\α}-\mathrm{\η})}\exp \[\frac{\mathrm{\Φ}-\sqrt{eE/\left(4{\mathrm{\π\ϵ}}_0\right)}}{kT}\]---\left(1\right)$

式中：e為一個電子所帶電量，α為氣體碰撞電離系數(shù)，η為電子附著系數(shù)，E為氣隙內(nèi)電場強度，ε₀為真空介電常數(shù)，Φ為等效逸出功，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為氣隙溫度，S為氣隙壁等效面積；G為表征氣隙材料結構特性且與溫度有關的函數(shù)，其表達式為：

G＝C_theT² (2)

式中：C_the為常數(shù)，其值為1.2×10⁶Am^-2K^-2。

當氣隙兩端電壓極性不變時，對應的平均放電延遲時間τ_rad為：

${\mathrm{\τ}}_{rad}={\[V_{voi}{C}_{rad}{\mathrm{\Φ}}_{rad}\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{p}\right)p(1-{\mathrm{\θ}}^{-\mathrm{\β}})\]}^{-1}---\left(3\right)$

式中：V_voi為暴露在電場及輻射中的等效氣體體積，C_rad為輻射電離系數(shù)，Φ_rad為輻射量子通量密度，ρ為氣體密度，p為氣隙內(nèi)部壓強，ρ/p為輻射電離過程中的氣體密度與壓強之比；θ為過電壓率，θ定義為氣隙外加電壓與放電起始電壓的比值。

放電的起始條件：橢球形氣隙局部放電起始電壓為

${U_0}^{inc}=\frac{{(E/p)}_{cri}p\{1+{(K_{cri}/C)}^{1/\mathrm{\β}}/\[{(E/p)}_{cri}{\left(pl\right)}^{1/\mathrm{\β}}\]\}}{\▿u_0}\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_{rel}+1}{3{\mathrm{\ϵ}}_{rel}}---\left(4\right)$

式中：(E/p)_cri為當氣體碰撞電離系數(shù)α與電子附著系數(shù)η相等時氣隙內(nèi)電場強度E與氣體壓強p的比值，l為平行電場方向上氣隙長度，ε_rel為絕緣介質相對介電常數(shù)，K_cri為在電子崩產(chǎn)生的空間電荷形成的電場作用下，電子崩頭中能使電子崩自持傳播的電子數(shù)，C＝3×10^-4P_am^0.5V^-1.5、β＝1.5，ε_rel為絕緣介質相對介電常數(shù)；為拉普拉斯方程在邊界條件為高壓電極處u₀＝1,低壓電極處u₀＝0的解，其中u₀為外加電壓在氣隙處產(chǎn)生的電壓與外加電壓的比值；u為外加電壓在氣隙處產(chǎn)生的電壓與氣隙電壓的比值。

放電停止時，氣隙兩端電壓會出現(xiàn)暫時性的穩(wěn)定，局部放電停止的條件應是大量電子向正極性氣隙壁快速移動過程結束的條件，也是式(4)中放電形成條件。

(3)，引入感應電荷附加電容；具體為：

在放電過程結束后，系統(tǒng)電容C_sys為：

$C_{sys}=C_{die}+\frac{q_{ind}}{U_0}---\left(5\right)$

其中，C_die為未發(fā)生放電時系統(tǒng)的電容值，即絕緣介質和氣隙總電容值；U₀為氣隙兩端電壓；q_ind為放電過程中產(chǎn)生的感應電荷量，其表達式為：

$q_{ind}=-\frac{4}{3}{\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{ab}}^2{\mathrm{\ϵ}}_{rel}K(a/b)\mathrm{\Δ}E\▿u_0---\left(6\right)$

式中，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_rel為絕緣介質相對介電常數(shù)，ΔE為放電前后氣隙電場強度的變化量；K(a/b)為橢球形單氣隙等效軸長比值的函數(shù)，表征氣隙的形狀，a為氣隙長軸半徑，b為氣隙短軸半徑；式(5)等號右側第一部分C_die為系統(tǒng)電容恒定部分，等號右側第二部分為系統(tǒng)電容變化部分。由式(5)可知，放電過程中感應電荷的出現(xiàn)會引起系統(tǒng)電容的變化，得到系統(tǒng)電容變化量

(4)，引入氣隙溫度和壓強對放電特性的影響；具體為：

假定放電過程中氣體體積不變，根據(jù)氣體狀態(tài)方程：

$\frac{p_0}{T_0}=\frac{p_1}{T_1}---\left(7\right)$

式中：p₀、T₀和p₁、T₁為放電前和放電后氣隙氣體的壓強和溫度；

令p₀、T₀為標準大氣條件，則放電后的氣體壓強為：

$p_1=\frac{p_0}{T_0}{T}_1---\left(8\right)$

放電溫度T_PD與放電量之間的關系為：

T_PD＝4.283q+17.02 (9)

其中，放電電荷量q為：

q＝πε₀b²{1+e_rel[K(a/b)-1]}ΔE (10)

放電間隙溫度T'隨時間的變化關系為：

T'＝0.682exp[-(208.07t+0.1256)²]+0.651exp[-(90.66t-0.825)²] (11)

式中，t為每次放電停止的時間；

因此氣隙內(nèi)氣體溫度T₁為：

T₁＝T_PDT' (12)

將式(12)代入式(8)即可得氣隙內(nèi)氣體壓強，再將求解出的氣體壓強代入式(3)、(4)，即可得氣隙壓強變化時的相應放電特性。

(5)，根據(jù)步驟(1)，(2)，(3)，(4)建立含有感應電荷附加電容的單氣隙絕緣介質局部放電仿真模型。

本實施例的仿真參數(shù)為：選用絕緣介質為立方體，其尺寸為5mm×10mm×5mm，橢球形氣隙位于絕緣介質中心，軸長分別為a＝1mm、b＝0.5mm，絕緣介質相對介電常數(shù)取ε_rel＝4.1，氣隙相對介電常數(shù)ε₀＝1，電壓AC幅值為14kV，頻率為50Hz，R_a＝4.56×10¹⁷Ωm，C_a＝0.3486pF，R_bl＝4.56×10¹⁸Ω，R_b2＝4.56×10¹⁸Ω，C_b1＝0.0363pF，C_b2＝0.0363pF，R_c＝1,91×10¹⁶Ω，C_c＝0.014pF，R_PD＝5×10⁵Ω。

根據(jù)局部放電過程，可得如圖3所示的局部放電仿真流程，具體仿真流程如下：

(1)輸入仿真所需各類數(shù)據(jù)，包括外加電源電壓、絕緣介質尺寸、絕緣介質電容和電阻等參數(shù)；

(2)初始化氣隙溫度和壓強、放電起始和不同極性情形下放電延遲時間；

(3)運行仿真過程，當氣隙兩端電壓U₀超過放電起始電壓U₀^inc，同時檢測到U₀與上次放電時氣隙兩端電壓異號時，選擇由氣隙壁激發(fā)電子引起放電延遲時間τ_ewd作為放電延遲時間，當U₀與上次放電時氣隙兩端電壓同號時，選擇由氣隙空間電子引起放電延遲時間τ_rad作為放電延遲時間；

(4)當延遲時間滿足時，計算放電感應電荷q_ind和可變附加電容C_ind，同時閉合使能開關S，接通氣隙擊穿電阻R_PD和可變附加電容C_ind支路，局部放電開始進行；

(5)當氣隙兩端電壓U₀低于放電停止電壓時，斷開使能開始S，斷開氣隙擊穿電阻R_PD和可變附加電容C_ind支路，局部放電隨即停止；

(6)利用放電停止后的相關數(shù)據(jù)，更新相應數(shù)據(jù)，開始下一次放電過程。

(7)分析仿真結果。

圖4為局部放電氣隙兩端電壓變化情況，其中U₀為氣隙兩端電壓，U₁為外加電源在氣隙處的電壓，U_q0為放電過程產(chǎn)生的電荷在氣隙處形成的電壓，U₀^inc為放電起始電壓。

通過電壓檢測及邏輯比較單元，當U₀超過U₀^inc時，放電并不是立即發(fā)生，而是存在一定的時間延遲，且當U₀極性改變后，放點延遲時間和電壓降落明顯大于極性改變前。說明U₀極性改變前后引起放電的初始電子來源不同，即分別來自氣隙壁激發(fā)電子和氣隙空間電子，因而放電延遲時間不同。U_q0體現(xiàn)了積累在氣隙壁上放電電荷的變化情況，在U₀極性改變時U_q0迅速衰減成異號電壓，且在U₀極性不變時，由于放電電荷近乎階梯形增加，因而U_q0也以相同的情形變化。

圖5為局部放電電流變化情況，其中U₁為外加電源在氣隙處的電壓，I_PD為放電電流。

氣隙兩端電壓極性改變時，積累在氣隙壁上的大量電荷迅速衰減，被激發(fā)回氣隙空間中成為放電初始電子，電流脈沖幅值較大；氣隙兩端電壓極性不變時，放電初始電子來源于氣隙空間，多次放電造成電荷在氣隙壁上的積累，這些電荷會對放電過程產(chǎn)生影響，因而放電電流脈沖幅值一般較小。放電電荷量q為放電電流脈沖I_PD對時間的積分，因放電時間一般為數(shù)十或數(shù)百ns級，變化情況與I_PD基本相同。

與圖6已有局部放電仿真模型氣隙電壓與放電電流波形相比，本發(fā)明提出的單氣隙絕緣介質局部放電仿真模型，由于充分考慮了局部放電的物理過程，仿真結果與實驗結果完全吻合，提高了模型的有效性，有助于實現(xiàn)局部放電的檢測和診斷。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。