获取空气间隙流注放电发展路径的方法及装置与流程

1.本技术涉及电气设备技术领域，具体而言，涉及一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法及装置。


背景技术：

2.近年来，全国电力资源优化配置的措施日渐成效。远距离、超/特高压、大容量输电走廊经过我国西部高海拔地区成为趋势。然而随着海拔的升高，空气密度逐渐降低，相同距离空气间隙的绝缘强度会呈不同程度地降低。空气间隙的放电特性是决定外绝缘水平的主要因素之一，高海拔地区输变电工程外绝缘设计通常采用长空气间隙，其中，合理选择线路外绝缘是建设超/特高压输变电工程面临的关键问题之一，具有重大经济意义和环境效益。然而在以往的研究中，主要通过试验方法或者长空气间隙外绝缘特性，间隙长度的选择还完全依赖于具体真型试验数据，导致空气间隙的外绝缘特性受电极结构、间隙长度、电压波形、环境条件等因素影响，存在很大的分散性，缺乏理论模型和理论仿真分析方法的支撑，极大的增加了试验量和试验成本。
3.分析海拔高度、温度、湿度对空气间隙放电特征参数的影响，获得大气环境对空气间隙放电模型中的系数如碰撞电离系数α、附着系数β等参数的影响规律，修正光电离模型对高海拔地区空气间隙起晕电压的预测，建立高海拔地区流注起始和发展模型，探究流注发展路径发展规律，最终为特高压直流输电线路和阀厅金具的绝缘净距选择提供依据。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法及装置，以至少解决通过试验方法或者长空气间隙外绝缘特性，间隙长度的选择还完全依赖于具体真型试验数据，导致空气间隙的外绝缘特性受电极结构、间隙长度、电压波形、环境条件等因素影响，存在很大的分散性，缺乏理论模型和理论仿真分析方法的支撑，极大的增加了试验量和试验成本的技术问题。
5.根据本技术实施例的一个方面，提供了一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法，包括：利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极。
6.可选地，确定流注的发展场强，并确定流注起始后的空间电位分布包括：
7.确定流注起始后的发展场强为：ec＝489δ
1.05
[1+0.016δ-0.59
(h-11)]，其中，δ表示相对空气密度，h表示绝对湿度；
[0008]
确定流注起始后的空间电位分布为：其中，表示为流注通道
内k+1步发展点电位；表示流注通道内k步发展点电位；d表示为k点发展到 k+1点流注发展长度。
[0009]
可选地，利用计算待发展点流注形成时延，其中，ti表示单步流注发展时长，ξ为0～1的均匀分布随机数，r(e)为单步流注生长概率函数，其中，τ指流注生成时间常数；ei指待发展点局部场强；e0指碰撞电离区域临界场强。
[0010]
可选地，基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向，包括：
[0011]
基于流注起始后的空间电位分布，得到流注发展概率为：
[0012][0013]
其中，e
(i,j)
表示为流注待发展点处的电场强度；z＝∑|e
(i,j)
|
η
表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；利用发展概率确定新的发展点流注的路径发展方向。
[0014]
可选地，利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始，包括：根据流注放电的动态发展，实时计算空间电位分布；依据空间电位分布计算空间电场分布；基于修正流注起始计算模型利用空间电场分布获取初始电子崩正离子数目n1以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始，若未满足流注起始判据，则循环执行上述步骤直至满足流注起始条件。
[0015]
可选地，修正流注起始计算模型利用空间电场分布获取初始电子崩正离子数目n1以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始，包括：利用公式计算初始电子崩正离子数目n1，其中，α(x)表示碰撞电离系数，β(x)表示附着系数，xi表示碰撞电离系数与附着系数相等处距电极头部的距离；
[0016]
其中，碰撞电离系数基于如下公式获取：
[0017][0018]
附着系数基于如下公式获取：
[0019]
[0020]
其中，δ表示为空气相对密度，t表示为试验或仿真时的温度；a表示为试验或仿真时海拔高度；k为常数；e表示放电空间电场强度，基于空间电场分布获得；
[0021]
利用公式计算二次电子崩正离子数目n2；其中，x表示空间某一点距离电极的轴向距离；f1表示一次碰撞电离的过程中产生的光子数；f2表示为空气分子吸收光子之后产生光电离的概率；μ表示光子吸收系数；g(x)表示部分光子消失于电极的几何因素，r表示电极头部半径，θ表示电离区域内光子传播方向与轴线的夹角；若二次电子崩正离子数目n2不小于初始电子崩正离子数目n1，则确定流注起始。
[0022]
根据本技术实施例的另一方面，还提供了一种获取空气间隙流注放电发展路径的装置，包括：流注起始判断单元，用于利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；场强电位确定单元，用于若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；选取单元，用于根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；路径发展方向确定单元，用于基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；放电停止确定单元，用于基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则控制从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极。
[0023]
可选地，路径发展方向确定单元包括：发展概率确定单元，用于基于流注起始后的空间电位分布，得到流注发展概率为：
[0024][0025]
其中，e
(i,j)
表示为流注待发展点处的电场强度；z＝∑|e
(i,j)
|
η
表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；发展方向确定单元，用于利用发展概率确定新的发展点流注的路径发展方向。
[0026]
可选地，流注起始判断单元包括：电位分布计算单元，用于根据流注放电的动态发展，实时计算空间电位分布；电场分布计算单元，用于依据空间电位分布计算空间电场分布；离子数计算单元，用于基于修正流注起始计算模型利用空间电场分布获取初始电子崩正离子数目n1以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始，若未满足流注起始判据，则循环执行上述步骤直至满足流注起始条件。
[0027]
可选地，离子数计算单元包括：
[0028]
第一计算单元，用于利用公式计算初始电子崩正离子数目n1，其中，α(x)表示碰撞电离系数，β(x)表示附着系数，xi表示碰撞电离系数与附着系数相等处距电极头部的距离；
[0029]
其中，碰撞电离系数基于如下公式获取：
[0030][0031]
附着系数基于如下公式获取：
[0032][0033]
其中，δ表示为空气相对密度，t表示为试验或仿真时的温度；a表示为试验或仿真时海拔高度；k为常数；e表示放电空间电场强度，基于空间电场分布获得；
[0034]
第二计算单元，用于利用公式计算二次电子崩正离子数目n2；其中，x表示空间某一点距离电极的轴向距离；f1表示一次碰撞电离的过程中产生的光子数；f2表示为空气分子吸收光子之后产生光电离的概率；μ表示光子吸收系数；g(x)表示部分光子消失于电极的几何因素，r表示电极头部半径，θ表示电离区域内光子传播方向与轴线的夹角；判断单元，用于若二次电子崩正离子数目n2不小于初始电子崩正离子数目n1，则确定流注起始。
[0035]
根据本技术实施例的再一方面，还提供了一种非易失性存储介质，非易失性存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制非易失性存储介质所在设备执行以上的获取空气间隙流注放电发展路径的方法。
[0036]
根据本技术实施例的再一方面，还提供了一种处理器，处理器用于运行存储在存储器中的程序，其中，程序运行时执行以上的获取空气间隙流注放电发展路径的方法。
[0037]
在本技术实施例中，采用利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极的方式，通过修正的流注起始计算模型确定流注起始点，并建立综合考虑大气环境因素的空气间隙流注放电发展路径计算
方法，从而实现了探究流注放电路径发展规律，有助于提升间隙绝缘性能，优化电气设备外绝缘设计的技术效果，进而解决了通过试验方法或者长空气间隙外绝缘特性，间隙长度的选择还完全依赖于具体真型试验数据，导致空气间隙的外绝缘特性受电极结构、间隙长度、电压波形、环境条件等因素影响，存在很大的分散性，缺乏理论模型和理论仿真分析方法的支撑，极大的增加了试验量和试验成本技术问题。
附图说明
[0038]
此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0039]
图1为本技术实施例公开的一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法的流程图；
[0040]
图2为本技术实施例公开的另一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法的流程图；
[0041]
图3为本技术实施例公开的一种获取空气间隙流注放电发展路径的装置的结构示意图；
[0042]
图4为本技术实施例公开的另一种获取空气间隙流注放电发展路径的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
[0044]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0045]
根据本技术实施例，提供了一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0046]
本技术公开了一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法，其流程图如图1所示，包括：
[0047]
s101：利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；
[0048]
s102：若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；
[0049]
流注起始后，考虑到空间电位分布受流注稳态传播电场的影响，需考虑稳态传播电场与海拔、温度、湿度等因素的关联关系，得到流注稳态传播电场ec与相对空气密度δ以及绝对湿度h之间的关系为：
[0050]
ec＝489δ
1.05
[1+0.016δ-0.59
(h-11)]
[0051]
在选定流注的发展方向之后，放电通道内的电位分布以ecd下降，即：
[0052][0053]
式中：表示为流注通道内k+1步发展点电位；表示流注通道内k步发展点电位；d表示为k点发展到k+1点流注发展长度，也即k点到k+1点的放电通道长度。
[0054]
s103：根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；
[0055]
具体的，利用计算待发展点流注形成时延；其中，ti表示单步流注发展时长，ξ为0～1的均匀分布随机数r(e)为单步流注生长概率函数，可表示为：
[0056][0057]
其中，τ指流注生成时间常数；ei指待发展点局部场强；e0指碰撞电离区域临界场强。
[0058]
s104：基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；
[0059]
基于wz分形维数模型确定流注发展方向，解决所选择的流注下一步发展点周围存在多个待发展点问题。
[0060]
具体的，基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型计算新的发展点流注发展概率以确定新的发展点流注的路径发展方向，包括：
[0061]
a、基于利用泊松方程计算所得的流注起始后的空间各点电位分布，得到流注发展概率与局部电场之间的关系为：
[0062][0063]
其中，e
(i,j)
表示为流注待发展点处的电场强度；z＝∑|e
(i,j)
|
η
表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；
[0064]
b、利用上述计算得到的发展概率确定新的发展点流注的路径发展方向。
[0065]
需要说明的是，本技术中所使用的流注生长概率模型和wz模型均是现有的，本技术不再赘述。
[0066]
s105：基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则继续执行步骤s102-s105，直至流注发展至板电极。
[0067]
其中，流注发展至板电极是指流注发展停滞或者间隙被击穿，此时，使放电停止，
否则继续执行步骤s102-s105直至流注发展停滞或者间隙被击穿。
[0068]
本实施例公开的获取空气间隙流注放电发展路径的方法，通过修正的流注起始计算模型确定流注起始点，并建立综合考虑大气环境因素的空气间隙流注放电发展路径计算方法，探究流注放电路径发展规律，有助于提升间隙绝缘性能，优化电气设备外绝缘设计。
[0069]
本实施例公开了另一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法，其流程图如图2 所示，包括：
[0070]
s201：根据流注放电的动态发展，实时计算空间电位分布；
[0071]
具体的，针对流注放电的动态发展，依据拉普拉斯方程以及泊松方程实时计算空间电位分布；其中，放电通道内的点计算是用泊松方程，通道外的点是拉普拉斯方程。
[0072]
流注放电过程中电离产生的电荷增量会通过影响空间电位分布进一步影响流注发展轨迹，对于流注通道外的点满足拉普拉斯方程，流注通道内的点满足泊松方程，即：
[0073][0074]
式中：ρ指自由电荷密度，流注通道外电荷密度为0；ε0指真空介电常数， 8.85
×
10-12
f/m。
[0075]
将其化成离散差分方程形式后，节点(i，j)电位满足：
[0076][0077]
式中：表示点(i，j)的电位；分别表示(i，j)点周围四个点的电位；h表示将间隙放电仿真空间划分成的若干个相同尺寸的小正方形的边长；ρ
i,j
表示(i，j)节点的自由电荷密度。
[0078]
通过多次迭代求解泊松方程可计算得到间隙空间电位分布，即：
[0079][0080]
式中：ω为松弛因子，可加快迭代计算收敛速度，其计算表达式为：
[0081][0082]
式中：n+1,m+1分别为仿真空间x轴和y轴上的结点数。
[0083]
s202：依据空间电位分布计算空间电场分布；
[0084]
具体的，(i，j)点的场强为：
[0085][0086]
式中：e
i,j
表示节点(i，j)的场强；e
x(i,j)
表示场强的x轴分量，即电位的x轴方向梯度；e
y(i,j)
表示场强的y轴分量，即电位的y轴方向梯度。
[0087]
s203：基于修正流注起始计算模型利用空间电场分布获取初始电子崩正离子数目 n1以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始，若起始，则执行步骤s204，若否，则返回执行步骤s201；
[0088]
一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间电离而自行
维持，即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。
[0089]
由于在外施电压的作用下，电极附近存在电子的碰撞电离系数大于附着系数的区间，区间内的自由电子与空气分子发生碰撞，引起初始电子崩。在初始电子崩的作用下，碰撞电离产生的光子与周围空气分子发生光电离过程，形成二次电子崩。根据放电理论，二次电子崩中包含的正离子数目若不小于初始电子崩中包含的初始电子崩数目，则流注起始。由于从初始电子崩头部辐射出的光子在空气中会被吸收，因此也可认为若到达电极表面的光子至少产生一个光电子时，则可有二次电子崩形成，从而流注起始。
[0090]
具体的，利用公式计算初始电子崩正离子数目n1；其中，α(x)表示碰撞电离系数，β(x)表示附着系数，xi表示碰撞电离系数与附着系数相等处距电极头部的距离；
[0091]
具体的，碰撞电离系数基于如下公式获取：
[0092][0093]
附着系数基于如下公式获取：
[0094][0095]
其中，δ表示为空气相对密度，与温度以及海拔高度有关，
[0096]
t表示为试验或仿真时的温度；a表示为试验或仿真时海拔高度；k为常数；e表示放电空间电场强度，基于所述空间电场分布获得；
[0097]
利用公式计算二次电子崩正离子数目n2；其中，x表示空间某一点距离电极的轴向距离；f1表示一次碰撞电离的过程中产生的光子数；f2表示为空气分子吸收光子之后产生光电离的概率；μ表示光子吸收系数；g(x)表示部分光子消失于电极的几何因素，其可分解为轴向分量和径向分量的乘积。
[0098]
对于棒板间隙，g(x)轴向分量与径向分量相等，并且其径向分量的计算公式为：
[0099]
其中，r表示电极头部半径，θ表示电离区域内光子传播方向与轴线的夹角；
[0100]
若二次电子崩正离子数目n2不小于初始电子崩正离子数目n1，则确定流注起始。
[0101]
s204：确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；
[0102]
流注起始后，考虑到空间电位分布受流注稳态传播电场的影响，需考虑稳态传播电场与海拔、温度、湿度等因素的关联关系，得到流注稳态传播电场ec与相对空气密度δ以及绝对湿度h之间的关系为：
[0103]
ec＝489δ
1.05
[1+0.016δ-0.59
(h-11)]
[0104]
在选定流注的发展方向之后，放电通道内的电位分布以ecd下降，即：
[0105][0106]
式中：表示为流注通道内k+1步发展点电位；表示流注通道内k步发展点电位；d表示为k点发展到k+1点流注发展长度，也即k点到k+1点的放电通道长度。
[0107]
s205：根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；
[0108]
具体的，利用计算待发展点流注形成时延；其中，ti表示单步流注发展时长，ξ为0～1的均匀分布随机数，r(e)为单步流注生长概率函数，可表示为：
[0109][0110]
其中：τ指流注生成时间常数；ei指待发展点局部场强；e0指碰撞电离区域临界场强。
[0111]
s206：基于所述流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定所述新的发展点流注的路径发展方向；
[0112]
基于wz分形维数模型确定流注发展方向，解决所选择的流注下一步发展点周围存在多个待发展点问题。
[0113]
具体的，基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型计算新的发展点流注发展概率以确定新的发展点流注的路径发展方向，包括：
[0114]
a、基于利用泊松方程计算所得的流注起始后的空间各点电位分布，得到流注发展概率与局部电场之间的关系为：
[0115][0116]
其中，e
(i,j)
表示为流注待发展点处的电场强度；z＝∑|e
(i,j)
|
η
表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；
[0117]
b、利用上述计算得到的发展概率确定新的发展点流注的路径发展方向。
[0118]
需要说明的是，本技术中所使用的流注生长概率模型和wz模型均是现有的，本技术不再赘述。
[0119]
s207：基于所述流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则继续执行步骤s204-s207，直至流注发展至板电极。
[0120]
其中，流注发展至板电极是指流注发展停滞或者间隙被击穿，此时，使放电停止，否则继续执行步骤s204-s207直至流注发展停滞或者间隙被击穿。
[0121]
本实施例公开的获取空气间隙流注放电发展路径的方法，包括空间电位分布计算、根据大气环境对空气间隙放电模型中参数的影响规律，修正流注起始计算模型、流注分
形发展计算。本实施例建立综合考虑大气环境因素的空气间隙流注放电发展路径计算模型，探究流注放电路径发展规律，有助于提升间隙绝缘性能，优化电气设备外绝缘设计。
[0122]
本实施例公开了一种获取空气间隙流注放电发展路径的装置，其结构示意图如图3所示，包括：流注起始判断单元301、场强电位确定单元302、选取单元303、路径发展方向确定单元304以及放电停止确定单元305，其中，
[0123]
流注起始判断单元301，用于利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；
[0124]
场强电位确定单元302，用于若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；
[0125]
流注起始后，考虑到空间电位分布受流注稳态传播电场的影响，需考虑稳态传播电场与海拔、温度、湿度等因素的关联关系，得到流注稳态传播电场ec与相对空气密度δ以及绝对湿度h之间的关系为：
[0126]
ec＝489δ
1.05
[1+0.016δ-0.59
(h-11)]
[0127]
在选定流注的发展方向之后，放电通道内的电位分布以ecd下降，即：
[0128][0129]
式中：表示为流注通道内k+1步发展点电位；表示流注通道内k步发展点电位；d表示为k点发展到k+1点流注发展长度，也即k点到k+1点的放电通道长度。
[0130]
选取单元303，用于根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；
[0131]
具体的，利用计算待发展点流注形成时延；其中，ti表示单步流注发展时长，ξ为0～1的均匀分布随机数，r(e)为单步流注生长概率函数，可表示为：
[0132][0133]
其中，τ指流注生成时间常数；ei指待发展点局部场强；e0指碰撞电离区域临界场强。
[0134]
路径发展方向确定单单元304，用于基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；
[0135]
路径发展方向确定单元包括：发展概率确定单元和发展方向确定单元，其中，
[0136]
发展概率确定单元，用于基于流注起始后的空间电位分布，得到流注发展概率为：
[0137][0138]
其中，e
(i,j)
表示为流注待发展点处的电场强度；z＝∑|e
(i,j)|η
表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；
[0139]
发展方向确定单元，用于利用发展概率确定新的发展点流注的路径发展方向。
[0140]
需要说明的是，本技术中所使用的流注生长概率模型和wz模型均是现有的，本申
请不再赘述，并且，系统实施例可参考前述方法实施例介绍，在此不再赘述。
[0141]
放电停止确定单元305，用于基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则控制从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极。
[0142]
其中，流注发展至板电极是指流注发展停滞或者间隙被击穿，此时，使放电停止。
[0143]
本实施例公开的获取空气间隙流注放电发展路径的系统，通过修正的流注起始计算模型确定流注起始点，并建立综合考虑大气环境因素的空气间隙流注放电发展路径计算方法，探究流注放电路径发展规律，有助于提升间隙绝缘性能，优化电气设备外绝缘设计。
[0144]
本实施例公开了另一种获取空气间隙流注放电发展路径的装置，其结构示意图如图4所示，包括：电位分布计算单元401、电场分布计算单元402、离子数计算单元 403、场强电位确定单元404、选取单元405、路径发展方向确定单元406以及放电停止确定单元407，其中，
[0145]
电位分布计算单元401，用于根据流注放电的动态发展，实时计算空间电位分布；
[0146]
具体的，针对流注放电的动态发展，依据拉普拉斯方程以及泊松方程实时计算空间电位分布；其中，放电通道内的点计算是用泊松方程，通道外的点是拉普拉斯方程。
[0147]
流注放电过程中电离产生的电荷增量会通过影响空间电位分布进一步影响流注发展轨迹，对于流注通道外的点满足拉普拉斯方程，流注通道内的点满足泊松方程，即：
[0148][0149]
式中：ρ指自由电荷密度，流注通道外电荷密度为0；ε0指真空介电常数， 8.85
×
10-12
f/m。
[0150]
将其化成离散差分方程形式后，节点(i，j)电位满足：
[0151][0152]
式中：表示点(i，j)的电位；分别表示(i，j)点周围四个点的电位；h表示将间隙放电仿真空间划分成的若干个相同尺寸的小正方形的边长；ρ
i,j
表示(i，j)节点的自由电荷密度。
[0153]
通过多次迭代求解泊松方程可计算得到间隙空间电位分布，即：
[0154][0155]
式中：ω为松弛因子，可加快迭代计算收敛速度，其计算表达式为：
[0156][0157]
式中：n+1,m+1分别为仿真空间x轴和y轴上的结点数。
[0158]
电场分布计算单元402，用于依据所述空间电位分布计算空间电场分布；
[0159]
具体的，(i，j)点的场强为：
[0160]
[0161]
式中：e
i,j
表示节点(i，j)的场强；e
x(i,j)
表示场强的x轴分量，即电位的x轴方向梯度；e
y(i,j)
表示场强的y轴分量，即电位的y轴方向梯度。
[0162]
离子数计算单元403，用于基于所述修正流注起始计算模型利用所述空间电场分布获取初始电子崩正离子数目n1以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始；
[0163]
由于在外施电压的作用下，电极附近存在电子的碰撞电离系数大于附着系数的区间，区间内的自由电子与空气分子发生碰撞，引起初始电子崩。在初始电子崩的作用下，碰撞电离产生的光子与周围空气分子发生光电离过程，形成二次电子崩。根据放电理论，二次电子崩中包含的正离子数目若不小于初始电子崩中包含的初始电子崩数目，则流注起始。由于从初始电子崩头部辐射出的光子在空气中会被吸收，因此也可认为若到达电极表面的光子至少产生一个光电子时，则可有二次电子崩形成，从而流注起始。
[0164]
具体的，离子数计算单元包括：第一计算单元、第二计算单元和判断单元，其中，
[0165]
第一计算单元，用于利用公式计算初始电子崩正离子数目n1；其中，α(x)表示碰撞电离系数，β(x)表示附着系数，xi表示碰撞电离系数与附着系数相等处距电极头部的距离；
[0166]
具体的，碰撞电离系数基于如下公式获取：
[0167][0168]
附着系数基于如下公式获取：
[0169][0170]
其中，δ表示为空气相对密度，t表示为试验或仿真时的温度；a表示为试验或仿真时海拔高度；k为常数；e表示放电空间电场强度，基于空间电场分布获得；
[0171]
第二计算单元，用于利用公式计算二次电子崩正离子数目n2；其中，x表示空间某一点距离电极的轴向距离；f1表示一次碰撞电离的过程中产生的光子数；f2表示为空气分子吸收光子之后产生光电离的概率；μ表示光子吸收系数；g(x)表示部分光子消失于电极的几何因素，r表示电极头部半径，θ表示电离区域内光子传播方向与轴线的夹角；
[0172]
判断单元，用于若二次电子崩正离子数目n2不小于初始电子崩正离子数目n1，则确定流注起始。
[0173]
场强电位确定单元404，用于若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间
电位分布；
[0174]
流注起始后，考虑到空间电位分布受流注稳态传播电场的影响，需考虑稳态传播电场与海拔、温度、湿度等因素的关联关系，得到流注稳态传播电场ec与相对空气密度δ以及绝对湿度h之间的关系为：
[0175]
ec＝489δ
1.05
[1+0.016δ-0.59
(h-11)]
[0176]
在选定流注的发展方向之后，放电通道内的电位分布以ecd下降，即：
[0177][0178]
式中：表示为流注通道内k+1步发展点电位；表示流注通道内k步发展点电位；d表示为k点发展到k+1点流注发展长度，也即k点到k+1点的放电通道长度。
[0179]
选取单元405，用于根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；
[0180]
具体的，利用计算待发展点流注形成时延；其中，ti表示单步流注发展时长，ξ为0～1的均匀分布随机数，r(e)为单步流注生长概率函数，可表示为：
[0181][0182]
其中，τ指流注生成时间常数；ei指待发展点局部场强；e0指碰撞电离区域临界场强。
[0183]
路径发展方向确定单元406，用于基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；
[0184]
路径发展方向确定单元包括：发展概率确定单元和发展方向确定单元，其中，
[0185]
发展概率确定单元，用于基于流注起始后的空间电位分布，得到流注发展概率为：
[0186][0187]
其中，e
(i,j)
表示为流注待发展点处的电场强度；z＝∑|e
(i,j)
|
η
表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；
[0188]
发展方向确定单元，用于利用发展概率确定新的发展点流注的路径发展方向。
[0189]
需要说明的是，本技术中所使用的流注生长概率模型和wz模型均是现有的，本技术不再赘述，并且，系统实施例可参考前述方法实施例介绍，在此不再赘述。
[0190]
放电停止确定单元407，用于基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则控制从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极。
[0191]
其中，流注发展至板电极是指流注发展停滞或者间隙被击穿，此时，使放电停止。
[0192]
本技术实施例还提供了一种非易失性存储介质，非易失性存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制非易失性存储介质所在设备执行以上的获取空气间隙流注放
电发展路径的方法。
[0193]
上述非易失性存储介质用于存储执行以下功能的程序：利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极。
[0194]
本技术实施例还提供了一种处理器，处理器用于运行存储在存储器中的程序，其中，在程序运行时执行以上的获取空气间隙流注放电发展路径的方法。
[0195]
上述学护理器用于存储执行以下功能的程序：利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；基于流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向；基于流注路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极。
[0196]
上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0197]
在本技术的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0198]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0199]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0200]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0201]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0202]
以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。

技术特征：
以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始，若未满足流注起始判据，则循环执行上述步骤直至满足流注起始条件。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述修正流注起始计算模型利用所述空间电场分布获取初始电子崩正离子数目n1以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始，包括：利用公式计算所述初始电子崩正离子数目n1，其中，α(x)表示碰撞电离系数，β(x)表示附着系数，x
i
表示所述碰撞电离系数与所述附着系数相等处距电极头部的距离；其中，所述碰撞电离系数基于如下公式获取：所述附着系数基于如下公式获取：其中，δ表示为空气相对密度，t表示为试验或仿真时的温度；a表示为试验或仿真时海拔高度；k为常数；e表示放电空间电场强度，基于所述空间电场分布获得；利用公式计算所述二次电子崩正离子数目n2；其中，x表示空间某一点距离电极的轴向距离；f1表示一次碰撞电离的过程中产生的光子数；f2表示为空气分子吸收光子之后产生光电离的概率；μ表示光子吸收系数；g(x)表示部分光子消失于电极的几何因素，r表示电极头部半径，θ表示电离区域内光子传播方向与轴线的夹角；若二次电子崩正离子数目n2不小于初始电子崩正离子数目n1，则确定流注起始。7.一种获取空气间隙流注放电发展路径的装置，其特征在于，包括：流注起始判断单元，用于利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；场强电位确定单元，用于若所述流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；选取单元，用于根据流注生长概率模型，计算所有待发展点流注形成时延，并选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；路径发展方向确定单元，用于基于所述流注起始后的空间电位分布，利用分形维数模型确定所述新的发展点流注的路径发展方向；
放电停止确定单元，用于基于所述流注的路径发展方向判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止，若否，则从确定空间电位分布开始循环执行上述流程，直至流注发展至板电极。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述路径发展方向确定单元包括：发展概率确定单元，用于基于所述流注起始后的空间电位分布，得到流注发展概率为：其中，e
(i,j)
表示为流注待发展点处的电场强度；z＝∑|e
(i,j)
|
η
表示为流注下一步所有可能的放电发展方向；η为放电发展的概率指数，表征随机因素对放电发展的影响；rand为假定(0，1)区间均匀分布的随机数；发展方向确定单元，用于利用所述发展概率确定所述新的发展点流注的路径发展方向。9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述流注起始判断单元包括：电位分布计算单元，用于根据流注放电的动态发展，实时计算空间电位分布；电场分布计算单元，用于依据所述空间电位分布计算空间电场分布；离子数计算单元，用于基于所述修正流注起始计算模型利用所述空间电场分布获取初始电子崩正离子数目n1以及二次电子崩正离子数目n2，判断流注是否起始，若未满足流注起始判据，则循环执行上述步骤直至满足流注起始条件。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述离子数计算单元包括：第一计算单元，用于利用公式计算所述初始电子崩正离子数目n1，其中，α(x)表示碰撞电离系数，β(x)表示附着系数，x
i
表示所述碰撞电离系数与所述附着系数相等处距电极头部的距离；其中，所述碰撞电离系数基于如下公式获取：所述附着系数基于如下公式获取：其中，δ表示为空气相对密度，t表示为试验或仿真时的温度；a表示为试验或仿真时海拔高度；k为常数；e表示放电空间电场强度，基于所述空间电场分布获得；第二计算单元，用于利用公式
计算所述二次电子崩正离子数目n2；其中，x表示空间某一点距离电极的轴向距离；f1表示一次碰撞电离的过程中产生的光子数；f2表示为空气分子吸收光子之后产生光电离的概率；μ表示光子吸收系数；g(x)表示部分光子消失于电极的几何因素，r表示电极头部半径，θ表示电离区域内光子传播方向与轴线的夹角；判断单元，用于若二次电子崩正离子数目n2不小于初始电子崩正离子数目n1，则确定流注起始。

技术总结
本申请公开了一种获取空气间隙流注放电发展路径的方法及装置。其中，该方法包括：利用修正流注起始计算模型判断流注是否起始；若流注起始，则确定流注起始后的发展场强以及空间电位分布；根据流注生长概率模型选取形成时延最小的待发展点流注作为新的发展点流注；利用分形维数模型确定新的发展点流注的路径发展方向，以判断流注是否发展至板电极，若是，则放电停止。本方案通过修正的流注起始计算模型确定流注起始点，并建立综合考虑大气环境因素的空气间隙流注放电发展路径计算方法，探究流注放电路径发展规律，有助于提升间隙绝缘性能，优化电气设备外绝缘设计。优化电气设备外绝缘设计。优化电气设备外绝缘设计。


技术研发人员：王生富 蒋玲 马旭东 王志惠 张成磊 周尚虎 谢彭盛 张仲秋 刘敬之 董生成 马骥 张毅涛 林万德 马志青 马永福
受保护的技术使用者：国网青海省电力公司电力科学研究院
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8