一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法技术

本申请属于断路器检测与评估技术领域，涉及一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法。当前针对高压断路器绝缘设计与优化时，由于不考虑断路器机构运动过程中的气流分布、电场分布等动态变化以及气体对电场分布的敏感度对断路器本身绝缘性能的影响，造成电力设备绝缘设计裕度过大或不足。本申请提供一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，根据断路器机构动作过程中灭弧室内的动态气压分布、电场不均匀性、瞬时电压值等影响和变化，可得到更为准确和可靠的高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估结果，为高压气体断路器产品的研发与优化设计提供有效支撑，有利于提高评估的准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法
本申请涉及断路器检测与评估
，尤其涉及一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法。
技术介绍
高压电力开关是保障电网可靠、安全、稳定运行的重要输变电设备，其不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流或负荷电流，而且当系统发生故障时，还应能切断过负荷电流或短路电流，这就需要高压电力开关具有完善的灭弧结构和足够的断流能力。一方面，随着电力系统容量的增大，从数量和综合性能上也对高压电力开关提出了新的要求；另一方面，随着高压气体断路器向大容量、小型化的方向发展，断路器灭弧室的尺寸进一步减小，对断路器的绝缘性能和灭弧性能的优化设计也变得更加重要和迫切。现有技术对中高压开关设备进行绝缘性能优化设计时，一般通过静电场仿真和固定的绝缘阈值，而不考虑断路器机构运动过程中的气流分布、电场分布等动态变化以及气体对电场分布的敏感度对断路器本身绝缘性能的影响；因此，在针对高压断路器绝缘设计与优化时，可能由于上述因素考虑不足，而造成对电力设备绝缘设计裕度过大或不足，导致产品设计成本高或可靠性低的问题。
技术实现思路
本申请提供了一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，以解决高压断路器的绝缘性能评估准确度不高、优化设计难度大的问题。本申请采用的技术方案如下：一种高压气体断路路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，包括以下步骤：S1、通过理论计算获取断路器灭弧气体的电离反应系数和吸附反应系数；S2、对断路器分、合闸过程中不同开距参数值下，在断路器动触头、静触头两端施加不同数值的电压，对灭弧室内的电场进行电场三维模拟仿真，获得不同开距、不同外施电压下断路器灭弧室内部的电场强度分布；S3、针对断路器开展分、合闸过程的流体动力学仿真，获得断路器灭弧室内部的动态气压分布；S4、基于流注放电判据，根据所述电离反应系数、所述吸附反应系数、所述电场强度分布和所述动态气压分布，计算动静触头之间的不同路径条件下的最小击穿电压值；S5、根据不同路径条件下的击穿电压的阈值，通过对比不同路径条件下的最小击穿电压值，判断断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域；S6、根据断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域，对比所述薄弱区域的电场强度分布和动态气压分布，查找电场集中和压力降低的局部区域。可选的，在步骤S1中，具体为：汤逊第一电离系数α和吸附反应系数η可以表示为：其中，n0为粒子数密度，一个大气压下时n0＝2.5×1019cm-3，v为电子速率，σi(ε)和σa(ε)分别为粒子的电离和吸附碰撞截面，f(ε)为电子能量分布函数，ε为电子能量；假设电子能量分布函数f(ε)满足麦克斯韦分布，则f(ε)为：可选的，在步骤S2中，具体为：对于高压气体断路器进行三维静电场数值计算时，若将电极表面和外壳取为求解域边界，而将电极以外、外壳以内的空间视为被求场域，可选择电位作为载荷自由度，将其加载至电极表面，则求解域应满足拉普拉斯方程：其中，电位函数单位为V，全场域计算即成为求取函数的边界值问题；电场强度满足：其中，E为电场强度矢量，单位为V/mm；在两种介质分解面上满足：其中，ε1、ε2分别表示两种介质分界面两侧的相对介电常数；n为交界面的外法线矢量；电极表面电位方程为：外壳内表面电位方程为：在静电场中，所对应变分问题的微分方程为：上式原函数也可采用变分函数经过区域离散所得子函数之和表示：可选的，在步骤S3中，具体为：由于高压断路器灭弧室为旋转轴对称结构，仿真采用二维轴对称模型，气流场的计算满足质量、动量和能量守恒定律，可以用改进的Navier-Stokes方程组对其进行描述，各控制方程如下：式中：ρ为密度；V为速度矢量；w、v为轴向与径向的速度分量；p为气压；T为温度；h为焓；cp为定压比热；μ、μt为层流和湍流粘性系数；λ、λt为层流和湍流热导率；为动力粘性；GV、YV为湍流粘性生成项和消散项；Cb2、为常数；SV为源项；R0为气体常数；Mw为气体分子量；为粘性项和粘性耗散项；式(12)为质量守恒方程；式(13)为轴向动量守恒方程；式(14)为径向动量守恒方程；式(15)为能量守恒方程；式(16)为Spalart-Allmarasl湍流方程；式(17)为气体状态方程。可选的，在步骤S4中，所述流注放电判据为：其中，k为常数，取值范围8～20，d为电极间距，α为汤逊第一电离系数，η为吸附反应系数。可选的，在步骤S4中，所述动静触头之间的不同路径条件下的最小击穿电压值，按如下方法计算得到：S41，在高压气体断路器的动触头和静触头之间，选取一条放电路径；S42，基于步骤S1得到的电离反应系数和吸附反应系数、步骤S2得到的不同开距、不同外施电压下断路器灭弧室内部的电场强度分布数据、以及步骤S3得到的断路器灭弧室内部的动态气压分布数据，进一步得到某一时刻所述放电路径上不同外施电压下的电离反应系数和吸附反应系数；S43,依据式(18)，对某一时刻所述放电路径上不同外施电压下的电离反应系数与吸附反应系数的差值进行积分S44，将某一时刻所述放电路径上不同外施电压下的积分值与常数k对比，确定二者相等时对应的外施电压值，即为某一时刻所述放电路径上的最小击穿电压值。可选的，在步骤S5中，对比步骤S4得到的动静触头之间不同路径下的最小击穿电压值，最小击穿电压值越小，则在该路径上发生击穿放电的概率越高，进而判断出断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域，即发生击穿放电概率高的区域。可选的，在步骤S6中，针对步骤S5确定的断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域，即发生击穿放电概率高的区域，找出所述区域内电场强度高或气压低的区域，即为击穿放电概率高的主要原因，为后期灭弧室结构优化提供依据。可选的，在步骤S4之后，还包括：通过比较不同路径下的击穿电压的阈值，选取不同路径条件下的最小击穿电压值中的最小值，并用此最小值评估不同路径下的灭弧室击穿情况。采用本申请的技术方案的有益效果如下：本专利技术提供的一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，考虑了断路器机构动作过程中灭弧室内的动态气压分布、电场不均匀性、瞬时电压值等影响和变化，可得到更为准确和可靠的高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估结果，为高压气体断路器产品的研发与优化设计提供依据，有效解决现有技术准确度不高的问题。附图说明为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。...

【技术保护点】
1.一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、通过理论计算获取断路器灭弧气体的电离反应系数和吸附反应系数；/nS2、对断路器分、合闸过程中不同开距参数值下，在断路器动触头、静触头两端施加不同数值的电压，对灭弧室内的电场进行电场三维模拟仿真，获得不同开距、不同外施电压下断路器灭弧室内部的电场强度分布；/nS3、针对断路器开展分、合闸过程的流体动力学仿真，获得断路器灭弧室内部的动态气压分布；/nS4、基于流注放电判据，根据所述电离反应系数、所述吸附反应系数、所述电场强度分布和所述动态气压分布，计算动静触头之间的不同路径条件下的最小击穿电压值；/nS5、根据不同路径条件下的击穿电压的阈值，通过对比不同路径条件下的最小击穿电压值，判断断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域；/nS6、根据断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域，对比所述薄弱区域的电场强度分布和动态气压分布，查找电场集中和压力降低的局部区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过理论计算获取断路器灭弧气体的电离反应系数和吸附反应系数；
S2、对断路器分、合闸过程中不同开距参数值下，在断路器动触头、静触头两端施加不同数值的电压，对灭弧室内的电场进行电场三维模拟仿真，获得不同开距、不同外施电压下断路器灭弧室内部的电场强度分布；
S3、针对断路器开展分、合闸过程的流体动力学仿真，获得断路器灭弧室内部的动态气压分布；
S4、基于流注放电判据，根据所述电离反应系数、所述吸附反应系数、所述电场强度分布和所述动态气压分布，计算动静触头之间的不同路径条件下的最小击穿电压值；
S5、根据不同路径条件下的击穿电压的阈值，通过对比不同路径条件下的最小击穿电压值，判断断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域；
S6、根据断路器灭弧室内部绝缘设计的薄弱区域，对比所述薄弱区域的电场强度分布和动态气压分布，查找电场集中和压力降低的局部区域。


2.根据权利要求1所述的高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，其特征在于，在步骤S1中，具体为：
汤逊第一电离系数α和吸附反应系数η可以表示为：






其中，n0为粒子数密度，一个大气压下时n0＝2.5×1019cm-3，v为电子速率，σi(ε)和σa(ε)分别为粒子的电离和吸附碰撞截面，f(ε)为电子能量分布函数，ε为电子能量；
假设电子能量分布函数f(ε)满足麦克斯韦分布，则f(ε)为：





3.根据权利要求1所述的高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，其特征在于，在步骤S2中，具体为：
对于高压气体断路器进行三维静电场数值计算时，若将电极表面和外壳取为求解域边界，而将电极以外、外壳以内的空间视为被求场域，可选择电位作为载荷自由度，将其加载至电极表面，则求解域应满足拉普拉斯方程：



其中，电位函数单位为V，全场域计算即成为求取函数的边界值问题；
电场强度满足：



其中，E为电场强度矢量，单位为V/mm；
在两种介质分解面上满足：






其中，ε1、ε2分别表示两种介质分界面两侧的相对介电常数；n为交界面的外法线矢量；
电极表面电位方程为：



外壳内表面电位方程为：



在静电场中，所对应变分问题的微分方程为：



上式原函数也可采用变分函数经过区域离散所得子函数之和表示：





4.根据权利要求1所述的高压气体断路器灭弧室绝缘强度与放电概率评估方法，其特征在于，在步骤S3中，具体为：
由于高压断路器灭弧室为旋转轴对称结构，仿真采用二维轴对称模型，气流场的计算满足质量、动量和能量守恒定律，可以用改进的Navier-St...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓云坤，赵虎，王科，李兴文，赵现平，彭晶，焦琳，赵海波，周年荣，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53