一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法及系统与流程

1.本发明涉及局部放电信号仿真领域，尤其是涉及一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法及系统。


背景技术：

2.气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,gis)是一种在电力系统中被广泛应用的重要设备。随着电网对安全可靠运行的要求日渐提高，gis设备被越来越多地用于各电压等级的电网中。环氧树脂是gis设备内部重要的绝缘材料，由其浇筑而成的盆式绝缘子、支柱绝缘子等是gis设备的重要绝缘器件。气-固交界的表面是环氧树脂绝缘件绝缘强度最为薄弱的部分，气固界面的沿面放电在gis内部发生次数较多，严重危害设备安全的关键故障。局部放电检测是目前对绝缘缺陷检测的通用方法，通过观测局放信号可以实现缺陷定位与状态评估，并使检修人员及时采取进一步措施。
3.局部放电信号仿真是研究局部放电的一种有效手段，局部放电信号是现场检测时对设备绝缘状态评估的重要依据。沿面放电微观过程涉及复杂的粒子反应过程，绝缘介质对放电过程的影响也同样不可忽视。从沿面放电微观过程出发，建立局部放电微观过程与局部放电信号之间的仿真联系，不仅能够得到比目前研究中更为准确的放电信号，还可以在此基础上进一步探究放电条件的改变对放电信号的影响，实现对设备绝缘状态更为准确的评估。
4.然而，目前的放电信号仿真中，大多忽略放电微观过程，直接使用高斯脉冲作为信号激励源。高斯脉冲与实际的放电电流相差较大，这导致了信号仿真结果不能对缺陷状态作出准确反映。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了提供一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法及系统，从微观放电机理出发，能够建立宏观电磁信号与微观缺陷的联系，得到更为准确的局部放电仿真信号，通过调整微观仿真参数，可以得到不同放电条件对宏观电磁信号的影响。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，包括以下步骤：
8.步骤1)构建沿面放电流体-化学仿真模型；
9.步骤2)利用流体-化学仿真模型对沿面缺陷局部放电微观过程进行仿真，得到沿面放电过程中的带电粒子运动情况，计算沿面放电电流值；
10.步骤3)基于有限积分法构建电磁信号仿真模型；
11.步骤4)将沿面放电电流值作为激励信号，利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号。
12.所述流体-化学仿真模型由沿面放电过程中，描述在电压作用下气体放电过程中的电子数密度输运方程、电子能量密度输运方程、重粒子多组分扩散方程以及电场泊松方
程四类方程耦合而成。
13.所述电子数密度输运方程为：
[0014][0015]
其中，ne为电子数密度，μe为电子迁移率，e为电场强度，de为电子扩散系数；方程右侧为电子数密度源项，xj为参与反应j的物质的摩尔分数，kj为反应j的速率系数，nn为反应域中的中性粒子数密度，为梯度计算算子。
[0016]
所述电子能量密度输运方程为：
[0017][0018]
其中，n
ε
为电子能量密度，μ
ε
与d
ε
分别代表电子能迁移率与扩散系数；方程右侧为电子在非弹性碰撞中损失或获得的能量源项，δεj代表反应j的能量损失。
[0019]
所述重粒子多组分扩散方程为：
[0020][0021]
其中，ρ为混合物密度，ωk为物质k的质量分数，u为总平均流体速度，jk为物质k的扩散通量向量，rk为物质k的浓度变化速率表达式；重粒子多组分扩散方程描述的是质量较大的非电子粒子在放电时的运动过程。
[0022]
所述电场泊松方程为：
[0023][0024]
其中，ε0表示真空介电常数，εr表示介质的相对介电常数；ρv表示反应域中的空间电荷密度，由正负粒子的密度计算得到。
[0025]
所述沿面放电电流值的计算方法为：
[0026][0027]
其中，v0为仿真中高压电极施加的电压值，e为元电荷，n
+
、n-分别代表反应域中各项正负离子的数密度，μ
+
、μ-分别代表正负离子迁移率，d
+
、d-分别代表正负离子迁移率，ne为电子数密度，μe为电子迁移率，e为电场强度，e
l
表示反应域内的拉普拉斯电场，v表示仿真计算区域的体积，为梯度计算算子。
[0028]
所述利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号时，首先将计算区域划分为精度适宜的网格单元，进行空间离散，其中网格单元包含两套相互正交、嵌套的网格，分别表示为基网格g与对偶网格将电场与磁场分别在基网格g与对偶网格中进行离散化计算，计算方程为：
[0029][0030]
其中，c与分别为基网格与对偶网格中的离散旋度算子，s与分别为基网格与对偶网格中的离散散度算子，e1为基网格某边的电压，h1为对偶网格某边的磁压，j2为对偶网格中的电流密度，b2为指定基网格所围成面上的磁通量，d2为指定对偶网格所围成面上的电通量，q为对偶网格中的带电量。
[0031]
所述利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号时，在空间离散的基础上采用蛙跳法进行时间离散，对电压e与磁通量b每隔半个时间步长进行交替抽样，为使时间积分的计算稳定，时间步长δt的选择满足如下条件：
[0032][0033]
其中，c为真空中的光速，δx、δy、δz分别为x、y、z三个方向的网格长度。
[0034]
一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真系统，用于实现如上述所述的方法，包括：
[0035]
沿面放电流体-化学仿真模型构建与仿真模块，通过流体-化学仿真模型对沿面缺陷局部放电微观过程进行仿真，得到沿面放电过程中的带电粒子运动情况，计算沿面放电电流值；
[0036]
电磁信号仿真模型构建与仿真模块，用于基于有限积分法构建电磁信号仿真模型，将沿面放电电流值作为激励信号，利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0038]
(1)本发明提出了一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，建立宏观电磁信号与微观缺陷的联系，基于微观放电仿真结果，可以获得更准确的局部放电仿真信号。
[0039]
(2)由于深度学习等人工智能技术也大量应用在了局部放电数据分析等领域，深度学习等人工智能技术通常需要大量的局部放电数据样本，实验及现场运行条件下的缺陷或故障状态样本比较缺乏，本发明的局部放电信号仿真方法可以根据微观仿真参数的调整，生成大量的、可靠的仿真信号样本，作为一种样本生成手段为数据分析提供帮助。
[0040]
(3)由于数字孪生技术开始大量逐步受到电力设备状态监测领域的关注，对于设备状态构建数字孪生模型需要基于状态的仿真技术，本发明的局部放电信号仿真方法可以通过调整微观仿真参数模拟不同缺陷状态对放电信号的影响，可以为设备状态数字孪生技术提供仿真方法基础。
附图说明
[0041]
图1为本发明的方法流程图。
[0042]
图2为一种实施例中的流体-化学几何模型示意图。
[0043]
图3为一种实施例中的放电信号仿真的几何模型。
[0044]
图4为一种实施例中的基于有限积分法的空间离散化方法示意图。
[0045]
图5为一种实施例中的信号探针位置的y方向电场信号时域仿真结果图。
[0046]
图6为一种实施例中的不同电压下信号探针位置的z方向电场信号时域仿真波形图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0048]
本实施例提供一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0049]
步骤1)构建沿面放电流体-化学仿真模型。
[0050]
流体-化学仿真模型考虑了气体环境中具体的粒子反应情况，并且能够很好地描述绝缘介质与放电之间相互作用。与传统的流注放电流体模型相比，基于流体-化学仿真模型的微观仿真不仅能够得到具体物质的变化情况，还能对绝缘介质表面的二次电子发射、表面电荷积累等过程进行完善地表示。
[0051]
流体-化学仿真模型由沿面放电过程中，描述在电压作用下气体放电过程中的电子数密度输运方程、电子能量密度输运方程、重粒子多组分扩散方程以及电场泊松方程四类方程耦合而成。
[0052]
电子数密度输运方程为：
[0053][0054]
其中，ne为电子数密度，μe为电子迁移率，e为电场强度，de为电子扩散系数；方程右侧为电子数密度源项，xj为参与反应j的物质的摩尔分数，kj为反应j的速率系数，nn为反应域中的中性粒子数密度，为梯度计算算子。
[0055]
电子能量密度输运方程为：
[0056][0057]
其中，n
ε
为电子能量密度，μ
ε
与d
ε
分别代表电子能迁移率与扩散系数；方程右侧为电子在非弹性碰撞中损失或获得的能量源项，δεj代表反应j的能量损失。
[0058]
重粒子多组分扩散方程为：
[0059][0060]
其中，ρ为混合物密度，ωk为物质k的质量分数，u为总平均流体速度，jk为物质k的扩散通量向量，rk为物质k的浓度变化速率表达式；重粒子多组分扩散方程描述的是质量较大的非电子粒子在放电时的运动过程。
[0061]
电场泊松方程为：
[0062][0063]
其中，ε0表示真空介电常数，εr表示介质的相对介电常数；ρv表示反应域中的空间电荷密度，可由正负粒子的密度计算得到。
[0064]
在流体-化学仿真模型中，需要对气体环境中存在的粒子反应进行定义，在本实施例中，以sf6气体环境中的放电信号仿真为例进行说明。sf6气体中存在的主要粒子反应如下：
[0065]
r1：e+sf6＝》2e+sf
6+
[0066]
r2：e+sf6＝》sf
6-[0067]
r3：e+sf6＝》sf
5-+f
[0068]
r4：e+sf6＝》sf
4-+f2[0069]
r5：e+sf6＝》e+sf6[0070]
r6-r9：e+sf6＝》e+sf6*
[0071]
r10-r12：m-+sf
6+
＝》sf6+m
[0072]
其中，r1为电离反应，r2-r4为本实施例在仿真中考虑的三种电子附着反应，r5为电子与中性分子的弹性碰撞，r6-r9为中性分子的激发反应，r10-r12表示反应域中的正负离子复合反应，其中m-代表反应r2-r4生成的三种负离子。反应r1-r9的反应速率由速率系数控制，速率系数是以原始的横截面数据为基础，利用两项展开求解boltzmann方程解出的，结果表示为与电子平均能量相关的函数形式。
[0073]
在本实施例中，使用comsol软件建立绝缘气隙缺陷的二维轴对称模型，如图2所示。其中，圆柱体的长度在仿真中设置为1cm，半径设置为0.1cm，在高压电极处设置了椭圆形凸起，以便能够在电场强度畸变处产生沿面放电，椭圆凸起的长短轴之比为5：1，凸起距离为0.05cm，沿面放电的距离总长度0.95cm。
[0074]
步骤2)利用流体-化学仿真模型对沿面缺陷局部放电微观过程进行仿真，得到沿面放电过程中的带电粒子运动情况，基于公式(5)计算沿面放电电流值：
[0075][0076]
其中，v0为仿真中高压电极施加的电压值，e为元电荷，n
+
、n-分别代表反应域中各项正负离子的数密度，μ
+
、μ-分别代表正负离子迁移率，d
+
、d-分别代表正负离子迁移率，e
l
表示反应域内的拉普拉斯电场，v表示仿真计算区域的体积。
[0077]
步骤3)基于有限积分法构建电磁信号仿真模型。
[0078]
步骤4)将沿面放电电流值作为激励信号，利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号。
[0079]
图3展示了本实施例在电磁信号仿真时构建的电磁信号激励源与检测探针之间的位置示意图，探针坐标为(0.5,0.5,0.5)。
[0080]
本实施例以步骤2)得到的微观放电仿真电流结果作为信号激励源，基于有限积分法仿真得到放电电磁信号。有限积分法是一种将麦克斯韦积分方程组进行离散化求解的方法。在使用该方法进行仿真时，首先需要将计算区域划分为精度适宜的网格单元，进行空间离散。其中网格单元包含两套相互正交、嵌套的网格，分别表示为基网格g与对偶网格如
图4所示。进而将电场与磁场分别在基网格g与对偶网格中进行离散化计算，计算方程为：
[0081][0082]
其中，c与分别为基网格与对偶网格中的离散旋度算子，s与分别为基网格与对偶网格中的离散散度算子，e1为基网格某边的电压，h1为对偶网格某边的磁压，j2为对偶网格中的电流密度，b2为指定基网格所围成面上的磁通量，d2为指定对偶网格所围成面上的电通量，q为对偶网格中的带电量。
[0083]
在空间离散的基础上，计算时需要进一步在时间离散。本实施例采用“蛙跳法”进行时间离散，对电压e与磁通量b每隔半个时间步长进行交替抽样，为使时间积分的计算稳定，时间步长δt的选择需满足如下条件：
[0084][0085]
其中，c为真空中的光速，δx、δy、δz分别为x、y、z三个方向的网格长度。
[0086]
基于以上步骤，可以得到沿面缺陷局部放电电磁信号波形。图5展示了本发明所述的局部放电信号仿真方法所产生的一种仿真信号结果，即沿面缺陷局部放电电场信号波形。
[0087]
此方法不仅能够得到与实际更加相符的信号仿真结果，还可以在信号的仿真结果上对微观放电条件的变化进行体现。图6展示了仿真得到的三组不同电压下信号探针位置的z方向电场信号时域波形图。随着电压升高，放电激发的电场信号更早地出现，并有着更大的峰值。
[0088]
本实施例基于沿面放电微观过程仿真的结果，仿真得到了沿面缺陷局部放电电磁信号。在仿真模型中，通过调整微观仿真模型的参数设置，可以得到放电电磁信号的变化情况，从而得到不同放电条件对放电信号的影响规律。
[0089]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)构建沿面放电流体-化学仿真模型；步骤2)利用流体-化学仿真模型对沿面缺陷局部放电微观过程进行仿真，得到沿面放电过程中的带电粒子运动情况，计算沿面放电电流值；步骤3)基于有限积分法构建电磁信号仿真模型；步骤4)将沿面放电电流值作为激励信号，利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号。2.根据权利要求1所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述流体-化学仿真模型由沿面放电过程中，描述在电压作用下气体放电过程中的电子数密度输运方程、电子能量密度输运方程、重粒子多组分扩散方程以及电场泊松方程四类方程耦合而成。3.根据权利要求2所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述电子数密度输运方程为：其中，n
e
为电子数密度，μ
e
为电子迁移率，e为电场强度，d
e
为电子扩散系数；方程右侧为电子数密度源项，x
j
为参与反应j的物质的摩尔分数，k
j
为反应j的速率系数，n
n
为反应域中的中性粒子数密度，为梯度计算算子。4.根据权利要求3所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述电子能量密度输运方程为：其中，n
ε
为电子能量密度，μ
ε
与d
ε
分别代表电子能迁移率与扩散系数；方程右侧为电子在非弹性碰撞中损失或获得的能量源项，δε
j
代表反应j的能量损失。5.根据权利要求4所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述重粒子多组分扩散方程为：其中，ρ为混合物密度，ω
k
为物质k的质量分数，u为总平均流体速度，j
k
为物质k的扩散通量向量，r
k
为物质k的浓度变化速率表达式；重粒子多组分扩散方程描述的是质量较大的非电子粒子在放电时的运动过程。6.根据权利要求5所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述电场泊松方程为：其中，ε0表示真空介电常数，ε
r
表示介质的相对介电常数；ρv表示反应域中的空间电荷密度，由正负粒子的密度计算得到。7.根据权利要求1所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述沿面放电电流值的计算方法为：
其中，v0为仿真中高压电极施加的电压值，e为元电荷，n
+
、n-分别代表反应域中各项正负离子的数密度，μ
+
、μ-分别代表正负离子迁移率，d
+
、d-分别代表正负离子迁移率，n
e
为电子数密度，μ
e
为电子迁移率，e为电场强度，e
l
表示反应域内的拉普拉斯电场，v表示仿真计算区域的体积，为梯度计算算子。8.根据权利要求1所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号时，首先将计算区域划分为精度适宜的网格单元，进行空间离散，其中网格单元包含两套相互正交、嵌套的网格，分别表示为基网格g与对偶网格将电场与磁场分别在基网格g与对偶网格中进行离散化计算，计算方程为：其中，c与分别为基网格与对偶网格中的离散旋度算子，s与分别为基网格与对偶网格中的离散散度算子，e1为基网格某边的电压，h1为对偶网格某边的磁压，j2为对偶网格中的电流密度，b2为指定基网格所围成面上的磁通量，d2为指定对偶网格所围成面上的电通量，q为对偶网格中的带电量。9.根据权利要求8所述的一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法，其特征在于，所述利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号时，在空间离散的基础上采用蛙跳法进行时间离散，对电压e与磁通量b每隔半个时间步长进行交替抽样，为使时间积分的计算稳定，时间步长δt的选择满足如下条件：其中，c为真空中的光速，δx、δy、δz分别为x、y、z三个方向的网格长度。10.一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-9中任一所述的方法，包括：沿面放电流体-化学仿真模型构建与仿真模块，通过流体-化学仿真模型对沿面缺陷局部放电微观过程进行仿真，得到沿面放电过程中的带电粒子运动情况，计算沿面放电电流值；电磁信号仿真模型构建与仿真模块，用于基于有限积分法构建电磁信号仿真模型，将沿面放电电流值作为激励信号，利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号。

技术总结
本发明涉及一种沿面缺陷局部放电电磁信号的仿真方法及系统，其中方法包括以下步骤：构建沿面放电流体-化学仿真模型；利用流体-化学仿真模型对沿面缺陷局部放电微观过程进行仿真，得到沿面放电过程中的带电粒子运动情况，计算沿面放电电流值；基于有限积分法构建电磁信号仿真模型；将沿面放电电流值作为激励信号，利用电磁信号仿真模型，仿真沿面缺陷局部放电产生的电磁信号。与现有技术相比，本发明具有建立了宏观电磁信号与微观缺陷的联系、局部放电仿真信号更准确等优点。局部放电仿真信号更准确等优点。局部放电仿真信号更准确等优点。


技术研发人员：周录波 王栋 周济平 谢励耘 朱荣华 刘隰蒲 宋辉 钱勇 盛戈皞
受保护的技术使用者：国网上海市电力公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/10/15