本發(fā)明屬于電磁場(chǎng)計(jì)算研究領(lǐng)域，尤其是涉及直流電壓加載下的恒定電場(chǎng)—靜電場(chǎng)耦合計(jì)算問題。

背景技術(shù)：

在直流電壓下，支柱絕緣子等絕緣設(shè)備內(nèi)部會(huì)形成泄露電流，從而建立起穩(wěn)恒傳導(dǎo)電流場(chǎng)。此時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)是按照電導(dǎo)率分布的，與傳統(tǒng)交流電場(chǎng)按照介電常數(shù)分布有所區(qū)別。

傳導(dǎo)電流(Conduction current)是在導(dǎo)電媒質(zhì)中，自由電荷規(guī)則運(yùn)動(dòng)而形成的電流，它與電場(chǎng)的關(guān)系可以表示為Equation Chapter(Next)Section 1

J_c＝σE (1.1)

式中，σ為導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率。

位移電流(Displacement current)是電介質(zhì)中電位移通量隨時(shí)間變化形成的電流，可以表示為

$J_D=\frac{\∂D}{\∂t}=\frac{\∂\left(\mathrm{\ϵ}E\right)}{\∂t}=j\mathrm{\ω}\mathrm{\ϵ}E---\left(1.2\right)$

式中，ω為電壓的角頻率，ε為導(dǎo)電媒質(zhì)的介電常數(shù)。

弛豫時(shí)間(relaxation time)是描述導(dǎo)電媒質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下，達(dá)到穩(wěn)恒電流場(chǎng)所需要的時(shí)間，可表示為

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\σ}}---\left(1.3\right)$

式中，ε為導(dǎo)電媒質(zhì)的介電常數(shù)，σ為導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率。

從式(1.3)可以看出，弛豫時(shí)間是跟導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)相關(guān)的。由于不同材料的介電常數(shù)相對(duì)于電導(dǎo)率來說變化比較小，因此弛豫時(shí)間可以近似看做是與電導(dǎo)率成反比關(guān)系，即當(dāng)導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率越小時(shí)，其達(dá)到靜電平衡時(shí)所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，反之亦然。在通常情況下，良導(dǎo)體的弛豫時(shí)間只有1.5×10^-19s，對(duì)于半導(dǎo)體而言，當(dāng)其電導(dǎo)率為10^-7s/m時(shí)，其弛豫時(shí)間僅為10^-5s數(shù)量級(jí),而絕緣體的弛豫時(shí)間可達(dá)到10⁴s數(shù)量級(jí)。

通過對(duì)比式(1.1)與式(1.2)，可得傳導(dǎo)電流與位移電流之比為

$\frac{J_C}{J_D}=\frac{\mathrm{\σ}}{j\mathrm{\ω}\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{j\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}---\left(1.4\right)$

式中，ε為導(dǎo)電媒質(zhì)的介電常數(shù)，σ為導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率，τ為導(dǎo)電媒質(zhì)的弛豫時(shí)間。

由于換流站戶外場(chǎng)電位以直流分量為主，故此時(shí)的ω很小，同時(shí)，考慮弛豫時(shí)間，緣子電導(dǎo)率為10^-14s/m時(shí)，其弛豫時(shí)間僅為10²s數(shù)量級(jí)，根據(jù)式(1.4)，戶外場(chǎng)電位波形下，絕緣子材料內(nèi)部，有說明此時(shí)傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流，電場(chǎng)是依照材料的電導(dǎo)率分布。在對(duì)閥廳電位波形下的電場(chǎng)分析中，為準(zhǔn)確模擬絕緣子周圍的電場(chǎng)分布情況，應(yīng)將其作為恒定電場(chǎng)來計(jì)算。

同時(shí)考慮到，在換流站戶外電場(chǎng)計(jì)算時(shí)，一般將空氣域當(dāng)作理想絕緣體，故絕緣子周圍的空氣域的電場(chǎng)分布當(dāng)作靜電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。針對(duì)以上分析，認(rèn)為換流站戶外場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)計(jì)算應(yīng)采用恒定電場(chǎng)—靜電場(chǎng)耦合計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種直流電壓下，支柱絕緣子等絕緣設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)的計(jì)算方法。其特點(diǎn)是符合實(shí)際情形，計(jì)算更加準(zhǔn)確。

本發(fā)明提供的一種涉及直流電壓加載下的恒定電場(chǎng)及靜電場(chǎng)耦合計(jì)算方法，其特征在于，包括以下兩個(gè)步驟：

步驟1，恒定電場(chǎng)區(qū)域求解：在恒定電場(chǎng)中建立支柱絕緣子等絕緣設(shè)備整體模型，包括金屬支柱、絕緣支柱、上部法蘭和均壓環(huán)等設(shè)備，其中金屬支柱高0.5m，半徑0.1m，絕緣支柱高1.2m，均壓環(huán)環(huán)徑0.3m，半徑0.04m；將求解域限定在上部法蘭、絕緣支柱、金屬支柱上，按照實(shí)際條件，對(duì)支柱絕緣子等絕緣設(shè)備上下兩側(cè)的金屬部位加載相應(yīng)的電位，即上部法蘭加載1000V電壓，金屬支柱接地；采用ansys有限元軟件，對(duì)絕緣子內(nèi)部及其表面的電位及電場(chǎng)分布進(jìn)行電位、電場(chǎng)求解

步驟2，靜電場(chǎng)區(qū)域求解：在恒定電場(chǎng)中建立支柱絕緣子等絕緣設(shè)備整體模型，包括金屬支柱、絕緣支柱、上部法蘭和均壓環(huán)等設(shè)備，其中金屬支柱高0.5m，半徑0.1m，絕緣支柱高1.2m，均壓環(huán)環(huán)徑0.3m，半徑0.04m；，并選取模型周圍設(shè)定的空氣邊界；將恒定電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，即支柱絕緣子外表面節(jié)點(diǎn)電位作為激勵(lì)，加載到空氣區(qū)域在該表面的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)加載空氣區(qū)域和其他邊界條件，選取整個(gè)空氣邊界及內(nèi)部模型作為求解域，采用ansys有限元軟件進(jìn)行靜電場(chǎng)的場(chǎng)域求解。

附圖說明

圖1是支柱絕緣子軸對(duì)稱模型。

圖2是路徑結(jié)果對(duì)比圖。

圖3a絕緣支柱內(nèi)部電位分布圖(恒定電場(chǎng))。

圖3b絕緣支柱內(nèi)部電位分布圖(不考慮恒定電場(chǎng))。

圖4是恒定電場(chǎng)-靜電場(chǎng)耦合分析流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

為研究絕緣內(nèi)部恒定電場(chǎng)情對(duì)絕緣支柱附近均壓環(huán)表面場(chǎng)強(qiáng)的影響，建立支柱絕緣子的二維軸對(duì)稱模型對(duì)考慮和不考慮絕緣支柱內(nèi)部恒定電場(chǎng)的情況進(jìn)行對(duì)比分析。

模型如圖4所示，其中金屬支柱高0.5m，半徑0.1m，絕緣支柱高1.2m，均壓環(huán)環(huán)徑0.3m，半徑0.04m。上部法蘭和均壓環(huán)上電壓為1000V，金屬支柱接地。

在步奏(1)中，建立支柱絕緣子模型，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)支柱絕緣子與上部法蘭接觸的面加載加載1000v高電壓，與下部金屬接地的面加載相應(yīng)的零電位，對(duì)其內(nèi)部介質(zhì)及其表面的電位及電場(chǎng)分布進(jìn)行恒定電場(chǎng)求解，并將求解結(jié)果保存。

在步奏(2)中，建立支柱絕緣子、其余設(shè)備和周圍空氣模型，將恒定電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，即步奏(1)求得的支柱絕緣子外表面電位作為激勵(lì)，通過插值的方法，加載到空氣區(qū)域在該表面的節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)加載空氣區(qū)域的其他邊界條件，進(jìn)行靜電場(chǎng)的場(chǎng)域求解。

為了研究?jī)煞N情況下均壓環(huán)表面場(chǎng)強(qiáng)的變化，沿均壓環(huán)表面取一條圓周路徑，如圖1所示，對(duì)比兩種方式下在路徑上計(jì)算得到的電場(chǎng)強(qiáng)度。兩種情況下路徑上的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖2中的結(jié)果可以看出，兩種情況下均壓環(huán)表面電場(chǎng)的分布趨勢(shì)基本一致，考慮絕緣支柱內(nèi)部恒定電場(chǎng)時(shí)均壓環(huán)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度要低于不考慮恒定電場(chǎng)時(shí)的情況。兩種情況下均壓環(huán)表面的最大場(chǎng)強(qiáng)分別為7655V/m和8208V/m，相差7.2％。

圖3為兩種情況下絕緣支柱內(nèi)部的電位分布。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，考慮恒定電場(chǎng)情況下，靠近法蘭側(cè)絕緣支柱內(nèi)部的電位隨距離的衰減比不考慮恒定電場(chǎng)時(shí)要慢，相同位置的電位普遍偏高。這就造成了在第一種情況下，均壓環(huán)與其附近絕緣支柱之間的電位差要小于第二種情況，因而第一種情況下均壓環(huán)表面場(chǎng)強(qiáng)要比第二種情況小。

上述實(shí)施例所述是用以具體說明本發(fā)明，文中雖通過特定的術(shù)語進(jìn)行說明，但不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，熟悉此技術(shù)領(lǐng)域的人士可在了解本發(fā)明的精神與原則后對(duì)其進(jìn)行變更或修改而達(dá)到等效目的，而此等效變更和修改，皆應(yīng)涵蓋于權(quán)利要求范圍所界定范疇內(nèi)。