基于瞬態(tài)上流元的油紙絕緣內(nèi)部空間電荷輸運仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于離子流場問題研究領(lǐng)域，尤其是設及一種基于上流元法的油紙絕緣內(nèi) 部空間電荷的優(yōu)化計算。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)階段對于換流變壓器油紙絕緣內(nèi)部空間電荷特性的研究，主要是依據(jù)試驗的方 法，尚未有人W油紙絕緣材料為模型對其內(nèi)部空間電荷動態(tài)分布進行仿真。對于空間電荷 在介質(zhì)內(nèi)部的運動，現(xiàn)有技術(shù)為：
[000引1、采用電聲脈沖法（PEA法）對直流電壓作用下油紙絕緣材料內(nèi)部空間電荷進行 測量；
[0004] 2、利用雙極性空間電荷動態(tài)仿真模型，研究交聯(lián)聚己締狂LP巧材料中空間電荷 的運動特性；
[0005] 3、采用肖特基（Schottky)電極注入電荷代替固定電荷密度邊界條件，再利用雙 極性空間電荷動態(tài)仿真模型，研究交聯(lián)聚己締狂LP巧材料中空間電荷的運動特性；
[0006] 油紙絕緣介質(zhì)主要應用在電力變壓器內(nèi)部，通常W多層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，油紙介質(zhì)層間 的電荷積聚、析出的物理機理并不明確；電力變壓器內(nèi)部絕緣材料不同位置溫度不同，基于 溫度梯度下的PEA法空間電荷測量試驗已有不少成果，但由于溫度對電極表面載流子析出 W及對載流子遷移率的影響只存在定性分析，并無定量描述，導致溫度梯度下油紙絕緣材 料內(nèi)部空間電荷仿真分析很難實現(xiàn)。針對上述問題，本發(fā)明針對油紙絕緣介質(zhì)內(nèi)部空間電 荷的運動仿真展開研究。結(jié)合現(xiàn)有對油紙絕緣介質(zhì)內(nèi)部空間電荷的產(chǎn)生、運動W及消散的 機理方面的研究，采用瞬態(tài)上流元方法，參考針對LDPE材料的空間電荷輸運模型，對換流 變壓器的油紙絕緣系統(tǒng)的空間電荷運動情況進行研究，為研究空間電荷對油紙絕緣介質(zhì)擊 穿機理影響的W及換流變壓器內(nèi)絕緣設計奠定理論基礎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；利用瞬態(tài)上流元法對變流變壓器 的油紙絕緣系統(tǒng)的空間電荷運動情況進行仿真研究。
[000引本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得W解決的：
[0009] 一種基于瞬態(tài)上流元的油紙絕緣內(nèi)部空間電荷輸運仿真方法，其特征是，包括W 下步驟：
[0010] 步驟1、基于油紙絕緣模型，進行參數(shù)化幾何建模，對模型進行剖分，提取出各個網(wǎng) 格和節(jié)點信息。正極板施加零電位，負極板施加-lOkV。
[0011] 邊界條件定義如下：
[0012] V(x= 0,t) = 0 [001 引V(x=d，t)=V0
【主權(quán)項】
1. 一種基于瞬態(tài)上流元的油紙絕緣內(nèi)部空間電荷輸運仿真方法，其特征是，包括以下 步驟： 步驟1、基于油紙絕緣模型，進行參數(shù)化幾何建模，對模型進行剖分，提取出各個網(wǎng)格和 節(jié)點信息；正極板施加零電位，負極板施加 -IOkV ; 仂思簽件宙7加 T.
式中，p μ為自由運動電子、空穴的電荷濃度；Pt為受陷電子、空穴的電荷濃度，并且 定義：
P = P hu+P ht_P eu_P et 式十三 其中式一為泊松方程，ε為介電常數(shù)，F(xiàn)/m;P為空間電荷密度，c/m3，ip為電位，V;式 九、式十為瞬態(tài)上流元法電荷更新公式，其中，tn, tn+Ι分別為相鄰的兩個時間步，At為相 鄰兩時間步長，P i為節(jié)點i處的電荷密度，▽ P Δ為三角形單元內(nèi)電荷密度關(guān)于坐標的 偏導數(shù)，為矢量；式十一、式十二為肖特基發(fā)射效應，(t)和Jh(t)分別為在陰極和陽極的 電子和空穴的通量，T是開氏溫度，K，A為ichardson常數(shù)，計算中取120AAcm2 ·Κ2)，Qei 和《hi分別為電子和空穴的注入勢皇，k分別是普朗克常數(shù)，Ec(t)和Ea(t)分別為陰極和 陽極表面的電場強度；式十四為靜電荷密度計算公式，e μ，et，h μ，ht分別代表自由電子、 入陷電子、自由空穴和入陷空穴； 步驟2、根據(jù)初始條件與邊界條件，基于式一的泊松方程，得到初始空間電場分布情 況； 步驟3、包括獲取電極表面電荷密度以及下一時刻空間電荷密度的獲取，具體包括： 步驟3. 1、將陰極和陽極表面電場強度帶入肖特基發(fā)射效應即式十一和式十二，得到電 極表面電荷密度，并作為邊界條件； 步驟3. 2、根據(jù)圖三中的油紙絕緣內(nèi)部參數(shù)，以及空間電荷密度，基于式九、式十利用瞬 態(tài)上流元法，并結(jié)合式十四進行計算，得到下一時刻空間電荷密度； 步驟4、將步驟3. 2計算出的空間電荷密度帶入泊松方程，即式一計算出該時刻空間電 場強度； 步驟5、判斷是否達到穩(wěn)定；判據(jù)為： Etw-Et^1) !/Etirf= δ E<1% 式二^-一 Pt(n)-Pt(n-l)l/l Pt(n-l)l = 5 p<1% 式二十二 其中Et(n)當前空間電場強度，E t(Iri)為上一秒空間電場強度；P t(n)為當前空間電荷密 度，P 為上一秒空間電荷密度； 步驟6、若未達到穩(wěn)定，則將電極表面與空間電場強度帶入步驟3,進行迭代計算，直到 達到穩(wěn)定，本次計算結(jié)束，得出計算結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明屬于離子流場問題研究領(lǐng)域，尤其是涉及基于瞬態(tài)上流元的油紙絕緣內(nèi)部空間電荷輸運仿真方法。對于油紙絕緣內(nèi)部空間電荷的優(yōu)化計算，本發(fā)明首先基于有限元仿真軟件ANSYS，對油紙絕緣機構(gòu)模型進行建模，提取出網(wǎng)格與節(jié)點信息，然后根據(jù)邊界條件和初始條件帶入泊松方程，求解出空間電場分布，利用肖特基發(fā)射效應計算出電極表面電荷分布，并作為邊界條件，利用瞬態(tài)上流元法進行迭代計算，根據(jù)收斂判據(jù)，最終求解出油紙絕緣內(nèi)部空間電荷分布。本方法可以不經(jīng)過試驗，對換流變壓器的油紙絕緣系統(tǒng)的空間電荷運動情況進行研究，為研究空間電荷對油紙絕緣介質(zhì)擊穿機理影響的以及換流變壓器內(nèi)絕緣設計奠定理論基礎。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104866683
【申請?zhí)枴緾N201510298617
【發(fā)明人】楊知非, 金碩, 廖一帆, 羅兵, 杜志葉, 黃國棟, 阮江軍, 周濤濤, 李凌燕
【申請人】武漢大學, 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年6月3日