基于Maxwell的暫態(tài)電場(chǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛 亮, 張 赫, 朱岳岳

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.中鐵豐橋橋梁有限公司, 北京 100070)

作為工業(yè)生活中的主要生產(chǎn)力,電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、故障判斷及維護(hù)已成為理論與實(shí)踐中的重要研究課題。電氣設(shè)備在傳輸電纜方面的在線檢測(cè)研究歷史悠久,目前已經(jīng)投入運(yùn)行的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多基于傳感器[1-2]。清華大學(xué)張曉明[3]進(jìn)行了暫態(tài)電場(chǎng)測(cè)試傳感器的研制,設(shè)計(jì)研發(fā)了暫態(tài)電場(chǎng)傳感器探頭系統(tǒng),并利用電磁脈沖模擬器裝置進(jìn)行了相關(guān)的時(shí)域和頻域測(cè)試。相關(guān)的暫態(tài)仿真可為絕緣介質(zhì)的選材、運(yùn)行狀態(tài)、故障判斷和維護(hù)提供必要參考[4-5]。靳希等人[6]針對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件的研究,將電壓穩(wěn)定分析與電磁暫態(tài)分析相結(jié)合。戚瀅瀅和張永健[7]對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定臨界切除時(shí)間的計(jì)算及其在繼電保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,為暫態(tài)電場(chǎng)總能量的研究提供了啟發(fā)。由于電磁暫態(tài)模式是建立在解微分方程基礎(chǔ)上的,求解速度較慢,適用描述的系統(tǒng)也相對(duì)較小,因此,這種模式一般不適用于對(duì)大型電力系統(tǒng)的研究[8]。本文基于Maxwell暫態(tài)電場(chǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生電路,搭建了多種暫態(tài)電場(chǎng)模型及仿真環(huán)境。仿真暫態(tài)電場(chǎng)中各電場(chǎng)參數(shù)的數(shù)值以及變化規(guī)律,可為實(shí)際工作中電場(chǎng)設(shè)備的選材、故障檢測(cè)、判斷和維護(hù)提供參考。

1 仿真模型的搭建

本文選用了平行平板、球體以及圓柱體3種模型作為暫態(tài)電場(chǎng)發(fā)生裝置,仿真計(jì)算的求解域分別為seawater(海水),glass(玻璃),silicon(硅),diamond(鉆石)。不同求解域的參數(shù)設(shè)置如表1所示,不同仿真模型如圖1所示。

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

圖1 暫態(tài)電場(chǎng)物理模型

仿真選用的定義方式為“Pad all directions similarly”。在實(shí)際情況中,工程模型求解域的合適大小為繪制模型尺寸的5倍左右,考慮到仿真計(jì)算量和本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康?“Value”值選用5,即滿足大于模型各方向內(nèi)部尺寸的5%;激勵(lì)源設(shè)置為U=100 000e-100t,可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)激勵(lì)源;選用的求解初始時(shí)刻為5 ms,最大求解步長(zhǎng)為10 ms;為保證計(jì)算精確度的同時(shí)避免較大計(jì)算量,對(duì)比多次仿真結(jié)果,將網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)值設(shè)置為5 mm。待所有參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行模型檢測(cè),并求解計(jì)算。

2 仿真結(jié)果分析

仿真處理時(shí)間因網(wǎng)格剖分的精細(xì)程度和模型復(fù)雜程度而異。待暫態(tài)電場(chǎng)求解完成后,開始進(jìn)行模型的后處理操作。5 ms時(shí)海水求解域的仿真結(jié)果如圖2所示。其中,不同顏色的箭頭對(duì)應(yīng)于不同的電場(chǎng)強(qiáng)度值。

圖2 5 ms時(shí)海水求解域電場(chǎng)矢量分布

由圖2可知,極板垂直方向的電場(chǎng)強(qiáng)度大于水平方向,極板內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度大于求解域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

5 ms時(shí)與100 ms時(shí)玻璃介質(zhì)求解域的電場(chǎng)矢量分布圖如圖3所示。

圖3 玻璃求解域中電場(chǎng)矢量

通過對(duì)比兩圖的數(shù)值標(biāo)尺可以發(fā)現(xiàn),5 ms時(shí)極板的暫態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度比100 ms時(shí)大很多,即暫態(tài)電場(chǎng)的強(qiáng)度隨激勵(lì)電壓的衰減而減小。對(duì)比5 ms時(shí)海水與玻璃介質(zhì)的仿真結(jié)果可知,求解域?yàn)楹Ｋ淖x數(shù)標(biāo)尺欄數(shù)值較大。即在同一激勵(lì)下,導(dǎo)電介質(zhì)的暫態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度大于絕緣體或?qū)щ娦阅芟鄬?duì)較差的介質(zhì)的暫態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度。

本次仿真中對(duì)不同介質(zhì)在暫態(tài)電場(chǎng)作用下的能量變化進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知:海水介質(zhì)暫態(tài)電場(chǎng)總能量約在17 ms時(shí)達(dá)到最大值22.5 mJ,變化較快;玻璃介質(zhì)暫態(tài)電場(chǎng)總能量在100 ms時(shí)達(dá)到最大值17.50 GJ,相當(dāng)于1.75×1010J。由于玻璃介質(zhì)不易被擊穿,需足夠的能量與作用時(shí)間,但當(dāng)激勵(lì)電壓作用一定時(shí)間時(shí),玻璃介質(zhì)求解域中的暫態(tài)電場(chǎng)總能量實(shí)現(xiàn)突變;同理,硅介質(zhì)暫態(tài)電場(chǎng)總能量在100 ms時(shí)突變?yōu)?75 GJ,相當(dāng)于3.75×1011J;鉆石求解域能量在68 ms時(shí)升高,100 ms時(shí)的能量為175 kJ,相當(dāng)于1.75×105J。對(duì)比4種介質(zhì)中暫態(tài)電場(chǎng)能量變化曲線可知,能量突變所需時(shí)間隨介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的增大而減小。

圖4 暫態(tài)電場(chǎng)總能量變化曲線

為進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文搭建了求解域?yàn)楹Ｋ?暫態(tài)電場(chǎng)發(fā)生裝置為球體和圓柱體的仿真模型,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 球體與圓柱體模型電場(chǎng)矢量圖

由圖5可知,電場(chǎng)矢量箭頭的顏色多為青色和綠色,球體電場(chǎng)發(fā)生裝置在各方向產(chǎn)生的暫態(tài)電場(chǎng)大致相同。由電場(chǎng)矢量箭頭顏色所對(duì)應(yīng)的左側(cè)讀數(shù)標(biāo)尺欄可知,5 ms時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為1.287 7×10-6V/m,100 ms時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為5.040 4×10-11。由圓柱體的電場(chǎng)矢量圖左側(cè)讀數(shù)標(biāo)尺欄可知,5 ms時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為2.330 4×10-7V/m,100 ms時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為8.788 3×10-12V/m。

在進(jìn)一步分析中,本次仿真對(duì)不同模型在暫態(tài)電場(chǎng)作用下的能量變化進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖6所示。

圖6 球體和圓柱體發(fā)生裝置暫態(tài)電場(chǎng)總能量變化曲線

由圖6可知,相同激勵(lì)作用下、相同介質(zhì)的球體與圓柱體發(fā)生裝置暫態(tài)電場(chǎng)能量變化曲線趨勢(shì)完全一致。電場(chǎng)發(fā)生裝置為球體時(shí),在18.5 ms時(shí)達(dá)到最大值為4.00 mJ,當(dāng)電場(chǎng)發(fā)生裝置為圓柱體時(shí),暫態(tài)電場(chǎng)能量最大值約為12.00 mJ。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了對(duì)實(shí)際應(yīng)用中絕緣介質(zhì)的選材、運(yùn)行狀態(tài)、故障判斷和維護(hù)提供必要參考,本文基于Maxwell暫態(tài)電場(chǎng)仿真系統(tǒng),設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生電路,搭建了多種暫態(tài)電場(chǎng)模型及仿真環(huán)境。對(duì)比了相同介質(zhì)、相同激勵(lì)、不同發(fā)生裝置模型的暫態(tài)電場(chǎng)值以及暫態(tài)電場(chǎng)作用下的能量變化。研究發(fā)現(xiàn),相同介質(zhì)、相同激勵(lì)、不同發(fā)生裝置模型的暫態(tài)電場(chǎng)值以及暫態(tài)電場(chǎng)作用下的能量變化不同。因

此,在實(shí)際應(yīng)用中可調(diào)節(jié)仿真參數(shù),為介質(zhì)材料的選擇與使用設(shè)計(jì)提供參考。