申请/专利权人：天津大学

申请日：2023-09-25

公开（公告）日：2023-12-15

公开（公告）号：CN117236126A

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06F30/10;G06F17/11;G06F113/26;G06F119/14

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.01.02#实质审查的生效;2023.12.15#公开

摘要：本发明公开了一种特高压GIL三支柱绝缘子炸裂击穿的模拟方法：测量并获得环氧树脂氧化铝复合材料参数；建立三支柱绝缘子几何模型；建立电场、应力场、相场及其耦合控制方程；在三支柱绝缘子几何模型区域内迭代求解电场、应力场、相场及其耦合控制方程，直到高压导体与接地外壳之间形成贯穿的击穿相通道或达到最大仿真时间；获得炸裂击穿演变过程，包括不同时间下的三支柱绝缘子电场分布、应力分布及击穿通道形貌。本发明考虑了相场模型在电、力载荷下模拟三支柱绝缘子炸裂击穿的问题，能够更加高效准确地预测炸裂击穿形貌。

主权项：1.一种特高压GIL三支柱绝缘子炸裂击穿的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，测量并获得材料参数用环氧树脂氧化铝复合材料对三支柱绝缘子分别进行单轴拉伸和宽频介电谱试验，获得环氧树脂氧化铝复合材料参数，包括：环氧树脂氧化铝复合材料非击穿相的弹性模量Yp，环氧树脂氧化铝复合材料的泊松比mu，环氧树脂氧化铝复合材料拉伸强度σp，环氧树脂氧化铝复合材料非击穿相的相对介电常数εp；步骤二，建立三支柱绝缘子几何模型基于COMOSL有限元软件建立1100kVHVAC-GIL三支柱绝缘子几何模型，并进行三支柱绝缘子几何模型网格剖分；其中，三支柱绝缘子几何模型包括沿同轴线由内而外依次嵌置的高压导体、三支柱绝缘子、外壳，三支柱绝缘子的三个端部和壳体之间均设置有金属嵌件，三支柱绝缘子内部设置初始缺陷；步骤三，建立电场、应力场、相场及其耦合控制方程①建立电场控制方程电场强度根据静电场的泊松方程求解： 式中，εrr,t是三支柱绝缘子材料的相对介电常数；Er,t是电场强度，kVmm；是电势，kV；r为位置变量；t为时间变量；初始边界条件：高压导体的电位设置为1100kV，外壳接地；②建立应力场控制方程假设三支柱绝缘子材料是线性弹性材料，应力分布根据胡克定律求解：σr,t＝Yr,t·νr,tTr,t＝Gr,t·τr,t式中，σr,t是法向应力，Pa；Tr,t是剪切应力，Pa；νr,t和τr,t分别是法向应力和剪切应力下的弹性变形；Yr,t是三支柱绝缘子材料弹性模量，Pa；Gr,t是三支柱绝缘子材料剪切模量Pa；初始边界条件：高压导体承受重力作用，金属嵌件设置为固定约束；③建立相场控制方程 式中，Hη-ηc是海维塞德单位阶跃函数；η＝1时，三支柱绝缘子材料被视为非击穿相；当η＝0时，三支柱绝缘子材料视为击穿相；ηc是常数； 式中，L0是表示损伤发展速度的动力学系数；P为变量，取值1或0，当网格内发生击穿时P＝1，当三支柱绝缘子几何模型网格内未发生击穿时P＝0；Wt是总能量，Pa；相变过程是由能量驱动的，考虑到电场和机械应力对击穿过程的影响，相场控制方程中的总能量Wt表示如下：Wt＝Wele+Wmec其中，Wele为静电能，Pa；Wmec是应变能，Pa；假设三支柱绝缘子材料为具有介电常数的线性电介质，Wele由下式给出： 其中ε0是真空的相对介电常数；应变能Wmec取决于正应变能Wmec1和剪切应变能Wmec2的最大值，其表示为：Wmec＝maxWmec1,Wmec2 Wc是临界击穿能量，Pa，表示三支柱绝缘子材料破坏所需的能量，表示为： 为了确定三支柱绝缘子几何模型网格内是否发生击穿，提出了下式方程：P＝Rn≥0.5·d·Rn≤-0.5·dd＝1-exp-WtWc2式中，Rn是介于-0.5和0.5之间的随机数；d表示故障概率，并遵循威布尔分布； 式中，Δt是时间步长；当ηηc，Hη-ηc＝1时，相场控制方程描述为： 当ηcη1，Hη-ηc＝0时，相场控制方程描述为： 初始边界条件：η在三支柱绝缘子的初始缺陷区域设置为1，在其他完整相区域设置为0；④建立电场-应力场-相场耦合方程εrr,t＝4η3-3η4εb+[1-4η3-3η4]εp其中，εb是击穿相的相对介电常数；Yr,t＝Yp·YbYp-Yb·η4+Yb其中，Yb是击穿相的弹性模量；Gr,t＝Yr,t2×1+mu步骤四：控制方程迭代求解设置时间步长及最大仿真时间，在三支柱绝缘子几何模型区域内迭代求解步骤三中各方程，直到高压导体与接地外壳之间形成贯穿的击穿相通道或达到最大仿真时间；步骤五：获得炸裂击穿演变过程，包括不同时间下的三支柱绝缘子电场分布、应力分布及击穿通道形貌。

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权利要求：

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