本發(fā)明一種山火條件下輸電線路間隙空間合成電場計算方法，涉及山火條件下輸電線路間隙的放電機理和擊穿特性研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

輸電線路走廊日益緊張，輸電通道不可避免的經(jīng)過植被茂盛的高森林火險地區(qū)，山火可能導(dǎo)致輸電線路相地和相間絕緣強度下降而發(fā)生跳閘事故。據(jù)統(tǒng)計，近年來我國電網(wǎng)因山火跳閘事故達數(shù)百起，僅2014年春季，國家電網(wǎng)220kv以上線路受山火影響有47條次緊急停運、17條次降壓運行、213條次退出重合閘，嚴重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。國家電網(wǎng)公司在2014年制定的重要輸電通道風(fēng)險評估工作方案中，山火作為首要考慮的技術(shù)要素。目前國內(nèi)外對山火條件下間隙的放電機理和擊穿特性研究尚不完善，對于輸電線路因山火跳閘的風(fēng)險評估、預(yù)警及防護缺乏理論指導(dǎo)。

火焰中的顆粒物和灰燼受火焰中離子影響而荷電，并在氣流、電場力等作用下進入輸電線路下方間隙并形成顆粒鏈，使空間電場畸變并發(fā)生局部放電，進一步造成整個間隙擊穿。火焰上方的荷電顆粒和空氣可看作氣固兩相體。有試驗表明荷電顆粒鏈畸變電場并產(chǎn)生觸發(fā)放電是導(dǎo)致整個間隙擊穿的關(guān)鍵，分析空間合成電場畸變特性對于研究輸電線路間隙在火焰條件下的擊穿機理有重要作用。因此，提出一種火焰條件下輸電線路間隙空間合成電場計算方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種山火條件下輸電線路間隙空間合成電場計算方法，可為間隙的放電機理和擊穿特性研究提供依據(jù)。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種山火條件下輸電線路間隙空間合成電場計算方法，包括以下步驟：

步驟1)：根據(jù)典型植被燃燒試驗，觀測火焰高度、溫度、形態(tài)和火焰電導(dǎo)率，并根據(jù)上述燃燒特征選擇穩(wěn)定燃燒區(qū)域，將輸電線路下方間隙劃分火焰體等效區(qū)域和氣固兩相體區(qū)域，如圖2所示。

步驟2)：采用差分運動顆粒粒徑儀測量粒徑＜1mm的顆粒，獲得顆粒粒徑與體積分布的統(tǒng)計規(guī)律；采用游標(biāo)卡尺測量粒徑≥1mm的顆粒，并結(jié)合燃燒試驗的視頻觀測得到顆粒數(shù)與顆粒粒徑的統(tǒng)計規(guī)律；

步驟3)：間隙中顆粒帶電量計算方法如公式1，式中qk為顆粒的帶電量，ε0為真空介電常數(shù)，εr為顆粒物的相對介電常數(shù)，dk為顆粒直徑，e為顆粒所在處的電場值；

步驟4)：氣固兩相體中的溫度分布和流體運動計算方法如下，根據(jù)顆粒對空氣流體的作用，氣體密度ρq、運動粘度μ需乘以修正系數(shù)α，利用公式2計算，式中k為顆粒序號，vk為第k個顆粒的體積，δv為單位體積，n為單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)。建立包括火焰體區(qū)域、氣固兩相體區(qū)域、地電極和導(dǎo)線電極的三維模型，氣固兩相體區(qū)域用修正了流體密度、運動粘度參數(shù)的流體區(qū)域模擬，火焰體區(qū)域為熱源，根據(jù)植被燃燒熱生成率設(shè)置發(fā)熱功率，利用有限體積法求解瞬態(tài)溫度分布和流體流速；

步驟5)：顆粒受力和運動計算方法如下，火焰間隙中的顆粒主要受電場力、流體曳力和重力作用，顆粒運動可按公式3計算，式中vk是顆粒速度矢量，mk是顆粒質(zhì)量，fy是流體曳力，fe是顆粒所受電場力，fg是顆粒重力，ρk是顆粒密度，cc是cunningham修正系數(shù)，vq是氣體速度，g是重力加速度，cc根據(jù)公式4計算得到，式中λ為分子自由程，e為自然對數(shù)的底數(shù)；

步驟6)：合成電場計算方法如下，建立包括火焰體區(qū)域、氣固兩相體區(qū)域、地電極和導(dǎo)線電極的三維模型，在導(dǎo)線電極上施加電壓值，氣固兩相體區(qū)域中設(shè)置顆粒物及其荷電量，顆粒物的荷電量由公式1計算得到，火焰體根據(jù)測量結(jié)果設(shè)置電導(dǎo)率σ，地電極和邊界都設(shè)置為0電位，利用有限元法求解空間合成電場值；

步驟7)：設(shè)置初始的顆粒分布，通過步驟3～步驟6步中的計算方法進行溫度-流體-顆粒運動-電場的多場耦合計算，通過多次迭代計算，當(dāng)兩次電場計算的誤差小于設(shè)置的目標(biāo)誤差值η％時，結(jié)束迭代計算，得到最終的空間合成電場。

本發(fā)明一種山火條件下輸電線路間隙空間合成電場計算方法，根據(jù)典型植被火焰燃燒試驗觀測火焰高度、形態(tài)、溫度、火焰電導(dǎo)率、顆粒數(shù)據(jù)與粒徑等參數(shù)，將火焰間隙劃分為火焰體區(qū)域與氣固兩相體區(qū)域。提出顆粒荷電量計算方法，溫度和流體場計算方法，顆粒受力及運動特性的計算方法，以及空間合成電場的計算方法。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，進行溫度-流體-顆粒運動-電場多場耦合迭代計算，得到最終的空間合成電場，可為間隙的放電機理和擊穿特性研究提供依據(jù)。

本發(fā)明一種山火條件下輸電線路間隙空間合成電場計算方法，優(yōu)點在于：

1)、提出了一種溫度-流體-顆粒運動-電場多場耦合的火焰下輸電線路空間合成電場計算方法，可方便獲取并分析火焰條件下間隙電場的畸變情況，有利于火焰條件下間隙擊穿理論的研究。

2)、大部分研究都只進行了定性分析，本專利提出了氣固兩相體中顆粒物觀測統(tǒng)計方法和顆粒物荷電的計算方法，可實現(xiàn)初步的定量分析。

3)、利用修正系數(shù)修正流體密度、運動粘度參數(shù)的方法，簡化了氣固兩相體運動的計算方法，使計算更加方便快速。

附圖說明

圖1為本發(fā)明計算流程圖。

圖2為本發(fā)明火焰間隙區(qū)域劃分示意圖。

圖3為本發(fā)明測量的較小炭黑顆粒粒徑與體積分布規(guī)律圖。

圖4為本發(fā)明仿真得到的火焰條件下間隙流體流速矢量圖。

圖5為本發(fā)明仿真得到的火焰間隙空間合成電場圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種山火條件下輸電線路間隙空間合成電場計算方法，包括以下步驟：

步驟1)：根據(jù)典型植被燃燒試驗，觀測火焰高度、溫度、形態(tài)和火焰電導(dǎo)率，并根據(jù)上述燃燒特征選擇穩(wěn)定燃燒區(qū)域，將輸電線路下方間隙劃分火焰體等效區(qū)域和氣固兩相體區(qū)域，如圖2所示。

步驟2)：采用差分運動顆粒粒徑儀測量粒徑＜1mm的顆粒，獲得顆粒粒徑與體積分布的統(tǒng)計規(guī)律，例如粒徑43μm的顆粒體積濃度約為30μm³/cm³；采用游標(biāo)卡尺測量粒徑≥1mm的顆粒，并結(jié)合燃燒試驗的視頻觀測得到顆粒數(shù)與顆粒粒徑的統(tǒng)計規(guī)律，例如長度約為5～7mm的大尺寸灰燼在100cm間隙中約有30～40個；

步驟3)：間隙中顆粒帶電量計算方法如公式1，式中qk為顆粒的帶電量，ε0為真空介電常數(shù)，εr為顆粒物的相對介電常數(shù)，dk為顆粒直徑，e為顆粒所在處的電場值；

步驟4)：氣固兩相體中的溫度分布和流體運動計算方法如下，根據(jù)顆粒對空氣流體的作用，氣體密度ρq、運動粘度μ需乘以修正系數(shù)α，利用公式2計算，式中k為顆粒序號，vk為第k個顆粒的體積，δv為單位體積，n為單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)。建立包括火焰體區(qū)域、氣固兩相體區(qū)域、地電極和導(dǎo)線電極的三維模型，氣固兩相體區(qū)域用修正了流體密度、運動粘度參數(shù)的流體區(qū)域模擬，火焰體區(qū)域為熱源，根據(jù)植被燃燒熱生成率設(shè)置發(fā)熱功率，利用有限體積法求解瞬態(tài)溫度分布和流體流速；

步驟5)：顆粒受力和運動計算方法如下，火焰間隙中的顆粒主要受電場力、流體曳力和重力作用，顆粒運動可按公式3計算，式中vk是顆粒速度矢量，mk是顆粒質(zhì)量，fy是流體曳力，fe是顆粒所受電場力，fg是顆粒重力，ρk是顆粒密度，cc是cunningham修正系數(shù)，vq是氣體速度，g是重力加速度，cc根據(jù)公式4計算得到，式中λ為分子自由程，e為自然對數(shù)的底數(shù)；

步驟6)：合成電場計算方法如下，建立包括火焰體區(qū)域、氣固兩相體區(qū)域、地電極和導(dǎo)線電極的三維模型，在導(dǎo)線電極上施加電壓值，氣固兩相體區(qū)域中設(shè)置顆粒物及其荷電量，顆粒物的荷電量由公式1計算得到，火焰體根據(jù)測量結(jié)果設(shè)置電導(dǎo)率σ，地電極和邊界都設(shè)置為0電位，利用有限元法求解空間合成電場值；

步驟7)：設(shè)置初始的顆粒分布，通過步驟3～步驟6步中的計算方法進行溫度-流體-顆粒運動-電場的多場耦合計算，通過多次迭代計算，當(dāng)兩次計算的誤差小于設(shè)置的目標(biāo)誤差值η％時，結(jié)束迭代計算，得到最終的空間合成電場。

實施例:

以模擬導(dǎo)線電極的杉樹木垛火焰試驗為例：

本實例在模擬導(dǎo)線電極上加壓40kv，采用21×21×10cm³的正方形杉樹木垛燃燒模擬山火，間隙高度為100cm，進行火焰間隙空間合成電場計算。

1)、當(dāng)杉樹木垛穩(wěn)定燃燒時，觀測到火焰最大高度為60cm，穩(wěn)定燃燒高度為55cm，利用熱電偶測得火焰最高溫度為747℃，火焰的穩(wěn)定燃燒區(qū)域的等效直徑為16cm，電導(dǎo)率為5.9×10⁹s/cm，燃燒熱生成率為1.21g/s。此處簡化選擇直徑16cm，高度為55cm的圓柱體作為火焰體區(qū)域，其它區(qū)域為顆粒與空氣的氣固兩相體區(qū)域。

2)、采用差分運動顆粒粒徑儀測量粒徑＜1mm的炭黑顆粒，測量結(jié)果如圖3，圖中所示粒徑范圍從0.01μm到超過43μm，可看到曲線雙峰值約為0.3μm和43μm，粒徑0.3μm的顆粒體積濃度約為17μm³/cm³，粒徑43μm的顆粒體積濃度約為30μm³/cm³；用游標(biāo)卡尺測量粒徑≥1mm的灰燼和木屑，直徑一般為1～2mm，長度一般為1～7mm，通過錄像的視頻觀測得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)，例如長度約為5～7mm的大尺寸灰燼在100cm間隙中約有30～40個。

3)、根據(jù)公式1，計算火焰中顆粒的帶電量qk，式中ε0為真空介電常數(shù)，εr為顆粒物的相對介電常數(shù)，dk為顆粒直徑，e為顆粒所在處的電場值；通過編程即可實現(xiàn)在不同位置、不同大小顆粒都可計算其所帶的電荷，例如顆粒直徑為1mm的木屑，相對介電常數(shù)為2.8，所處位置電場強度為1kv/cm，則其帶電量為4.86×10^-12c。

4)、根據(jù)氣固兩相體中顆粒的大小和分布的統(tǒng)計規(guī)律，計算顆粒所占體積的百分數(shù)，根據(jù)公式2計算修正系數(shù)α，將氣體密度ρq、運動粘度μ都乘以α進行修正；建立火焰間隙的三維模型，設(shè)置修正后的流體密度、運動粘度參數(shù)，結(jié)合測得的植被燃燒熱生成率為23.22kj/s，利用有限體積法求解瞬態(tài)溫度分布和流體運動，可得到氣固兩相體區(qū)域不同位置的溫度值和流體流速，得到流體流速矢量圖如圖4，可以看到導(dǎo)線電極對于流體也有一定的阻礙作用，導(dǎo)線電極上方流體流速最大約為2.8m/s。

5)將流體流速、顆粒分布、顆粒荷電量和質(zhì)量等參數(shù)帶入公式3，計算火焰間隙中顆粒的受力，火焰間隙中的顆粒主要受電場力、流體曳力和重力作用，顆粒運動可按公式3計算，式中vk是顆粒速度矢量，mk是顆粒質(zhì)量，fy是流體曳力，fe是顆粒所受電場力，fg是顆粒重力，ρk是顆粒密度，cc是cunningham修正系數(shù)，vq是氣體速度，g是重力加速度。cc根據(jù)公式4計算得到，式中λ為分子自由程，e為自然對數(shù)的底數(shù)。根據(jù)公式3仿真計算火焰間隙中顆粒受力及運動。例如一直徑為1mm的顆粒，質(zhì)量為3×10^-4g，所受重力大小約為3×10^-6n；所處位置電場強度為1kv/cm，帶電量為4.86×10^-12c，則所受電場力大小為4.86×10^-7n；顆粒自身速度為1.5m/s，流體速度為2.5m/s，則受流體曳力大小為6.31×10^-7n，將這三個力矢量合成即可得到顆粒所受合力。

6)合成電場計算方法如下，建立包括火焰體區(qū)域、氣固兩相體區(qū)域、地電極和導(dǎo)線電極的三維模型，導(dǎo)線電極上施加電壓40kv，氣固兩相體區(qū)域中設(shè)置顆粒物及其荷電量，顆粒物的荷電量由公式1計算得到，火焰體根據(jù)測量結(jié)果設(shè)置電導(dǎo)率為5.9×10⁹s/cm，地電極和邊界都設(shè)置為0電位，利用有限元法求解空間合成電場值。

7)設(shè)目標(biāo)誤差值為1％，設(shè)置初始的顆粒分布，通過步驟3～6中的計算方法進行溫度-流體-顆粒運動-電場的多場耦合計算，迭代得到新的顆粒分布和電場值，再次進行步驟3～6進行迭代計算，通過多次迭代后，當(dāng)兩次計算的誤差小于1％時，結(jié)束迭代計算，將計算結(jié)果作為最終的空間電場分布。例如選取火焰間隙區(qū)域中一個直線段的電場強度值計算結(jié)果如圖5所示，可看到荷電顆粒使空間電場嚴重畸變。