基于Maxwell的暫態電場仿真系統設計

薛 亮, 張 赫, 朱岳岳

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

作為工業生活中的主要生產力,電氣設備的運行狀態檢測、故障判斷及維護已成為理論與實踐中的重要研究課題。電氣設備在傳輸電纜方面的在線檢測研究歷史悠久,目前已經投入運行的電纜在線監測系統大多基于傳感器[1-2]。清華大學張曉明[3]進行了暫態電場測試傳感器的研制,設計研發了暫態電場傳感器探頭系統,并利用電磁脈沖模擬器裝置進行了相關的時域和頻域測試。相關的暫態仿真可為絕緣介質的選材、運行狀態、故障判斷和維護提供必要參考[4-5]。靳希等人[6]針對電力系統機電暫態仿真軟件的研究,將電壓穩定分析與電磁暫態分析相結合。戚瀅瀅和張永健[7]對暫態穩定臨界切除時間的計算及其在繼電保護中的應用進行了研究,為暫態電場總能量的研究提供了啟發。由于電磁暫態模式是建立在解微分方程基礎上的,求解速度較慢,適用描述的系統也相對較小,因此,這種模式一般不適用于對大型電力系統的研究[8]。本文基于Maxwell暫態電場仿真系統設計脈沖發生電路,搭建了多種暫態電場模型及仿真環境。仿真暫態電場中各電場參數的數值以及變化規律,可為實際工作中電場設備的選材、故障檢測、判斷和維護提供參考。

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種模型作為暫態電場發生裝置,仿真計算的求解域分別為seawater(海水),glass(玻璃),silicon(硅),diamond(鉆石)。不同求解域的參數設置如表1所示,不同仿真模型如圖1所示。

表1 仿真模型參數設置

圖1 暫態電場物理模型

仿真選用的定義方式為“Pad all directions similarly”。在實際情況中,工程模型求解域的合適大小為繪制模型尺寸的5倍左右,考慮到仿真計算量和本次實驗目的,“Value”值選用5,即滿足大于模型各方向內部尺寸的5%;激勵源設置為U=100 000e-100t,可根據實際需要調節激勵源;選用的求解初始時刻為5 ms,最大求解步長為10 ms;為保證計算精確度的同時避免較大計算量,對比多次仿真結果,將網格剖分數值設置為5 mm。待所有參數設置完成后進行模型檢測,并求解計算。

2 仿真結果分析

仿真處理時間因網格剖分的精細程度和模型復雜程度而異。待暫態電場求解完成后,開始進行模型的后處理操作。5 ms時海水求解域的仿真結果如圖2所示。其中,不同顏色的箭頭對應于不同的電場強度值。

圖2 5 ms時海水求解域電場矢量分布

由圖2可知,極板垂直方向的電場強度大于水平方向,極板內部的電場強度大于求解域內的電場強度。

5 ms時與100 ms時玻璃介質求解域的電場矢量分布圖如圖3所示。

圖3 玻璃求解域中電場矢量

通過對比兩圖的數值標尺可以發現,5 ms時極板的暫態電場強度比100 ms時大很多,即暫態電場的強度隨激勵電壓的衰減而減小。對比5 ms時海水與玻璃介質的仿真結果可知,求解域為海水的讀數標尺欄數值較大。即在同一激勵下,導電介質的暫態電場強度大于絕緣體或導電性能相對較差的介質的暫態電場強度。

本次仿真中對不同介質在暫態電場作用下的能量變化進行了計算,結果如圖4所示。

由圖4可知:海水介質暫態電場總能量約在17 ms時達到最大值22.5 mJ,變化較快;玻璃介質暫態電場總能量在100 ms時達到最大值17.50 GJ,相當于1.75×1010J。由于玻璃介質不易被擊穿,需足夠的能量與作用時間,但當激勵電壓作用一定時間時,玻璃介質求解域中的暫態電場總能量實現突變;同理,硅介質暫態電場總能量在100 ms時突變為375 GJ,相當于3.75×1011J;鉆石求解域能量在68 ms時升高,100 ms時的能量為175 kJ,相當于1.75×105J。對比4種介質中暫態電場能量變化曲線可知,能量突變所需時間隨介質相對介電常數的增大而減小。

圖4 暫態電場總能量變化曲線

為進一步分析實驗結果,本文搭建了求解域為海水,暫態電場發生裝置為球體和圓柱體的仿真模型,仿真結果如圖5所示。

圖5 球體與圓柱體模型電場矢量圖

由圖5可知,電場矢量箭頭的顏色多為青色和綠色,球體電場發生裝置在各方向產生的暫態電場大致相同。由電場矢量箭頭顏色所對應的左側讀數標尺欄可知,5 ms時電場強度最大值約為1.287 7×10-6V/m,100 ms時電場強度最大值約為5.040 4×10-11。由圓柱體的電場矢量圖左側讀數標尺欄可知,5 ms時電場強度最大值約為2.330 4×10-7V/m,100 ms時電場強度最大值約為8.788 3×10-12V/m。

在進一步分析中,本次仿真對不同模型在暫態電場作用下的能量變化進行了計算,結果如圖6所示。

圖6 球體和圓柱體發生裝置暫態電場總能量變化曲線

由圖6可知,相同激勵作用下、相同介質的球體與圓柱體發生裝置暫態電場能量變化曲線趨勢完全一致。電場發生裝置為球體時,在18.5 ms時達到最大值為4.00 mJ,當電場發生裝置為圓柱體時,暫態電場能量最大值約為12.00 mJ。

3 結 語

為了對實際應用中絕緣介質的選材、運行狀態、故障判斷和維護提供必要參考,本文基于Maxwell暫態電場仿真系統,設計脈沖發生電路,搭建了多種暫態電場模型及仿真環境。對比了相同介質、相同激勵、不同發生裝置模型的暫態電場值以及暫態電場作用下的能量變化。研究發現,相同介質、相同激勵、不同發生裝置模型的暫態電場值以及暫態電場作用下的能量變化不同。因

此,在實際應用中可調節仿真參數,為介質材料的選擇與使用設計提供參考。