【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及介电特性仿真，更具体的说是涉及一种温度梯度下多层复合绝缘材料频域介电特性数值仿真方法。
技术介绍
1、多层复合绝缘材料通常通过浸渍工艺制备，结构包括被浸渍材料和多层浸渍材料，由于浸渍材料与被浸渍材料之间的相互作用，以及浸渍过程中可能发生的物理和化学变化，使得被浸渍材料介电特性发生改变；
2、目前，多层复合绝缘材料实际工作于不同温度梯度下，在对多层复合绝缘材料的介电特性研究中，不具备直接测量被浸渍材料介电特性的实验条件，例如干式结构的特高压换流变套管，套管本体采用气体和环氧复合绝缘材料构成的复合绝缘，其中固体内绝缘材料为环氧与浸渍纸的复合材料，由于无法通过剥离或单独制备等实验手段获得单层被浸渍的绝缘纸层，使得无法直接测量单层被浸渍的绝缘纸层材料的介电特性，从而导致无法对多层复合绝缘材料频域介电特性进行精确数值仿真。
3、然而建立精确的多层复合材料介电特性仿真计算模型是新型绝缘材料的研发、优化电气设备设计、提高绝缘系统可靠性与安全性等领域中必不可少的一环。
4、故本申请提供了一种多层复合绝缘材料频域介电特性数值仿真方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，为了克服当前技术瓶颈，本专利技术提供了一种温度梯度下多层复合绝缘材料频域介电特性数值仿真方法，
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种温度梯度下多层复合绝缘材料频域介电特性数值仿真方法，步骤包括：
4、确定多层复合绝缘材料中被浸渍材料
5、基于被浸渍材料的体积分数，和浸渍材料以及多层复合绝缘材料的频域介电参数，确定被浸渍材料的介电参数；
6、根据浸渍材料和被浸渍材料的介电参数对多层复合绝缘材料频域介电特性数值进行有限元仿真。
7、优选地，确定多层复合绝缘材料中被浸渍材料的体积分数，步骤包括：
8、获取多层复合绝缘材料试样，进行等分得到多个细条；
9、根据每个细条横截面的图像ppi值，确定每个像素点面积；
10、基于像素点面积，通过计算各细条中被浸渍材料的面积，确定被浸渍材料的体积及体积分数。
11、优选地，被浸渍材料的介电参数包括复介电常数实部，确定步骤包括：
12、基于多层复合绝缘材料的结构将其等效为电容串联电路，其中，每层浸渍材料或被浸渍材料等效为一个电容；
13、根据各电容对应的复介电常数实部确定等效电容值；公式如下：
14、
15、其中，ai为第i层绝缘材料等效电容极板面积，di为第i层绝缘材料等效电容极板厚度，εi为第i层绝缘材料的等效电容的复介电常数实部；
16、获取各电容值与电容串联电路总电容的关系式，结合被浸渍材料的体积分数进行简化，得到被浸渍材料的复介电常数实部。
17、优选地，被浸渍材料的介电参数包括复交流电导率实部，确定步骤包括：
18、基于多层复合绝缘材料的结构将其等效为rc串并联电路，电容表征绝缘材料的极化，电阻表征损耗；
19、根据每层材料复电导率实部确定该层材料电阻阻值，以及根据各层介电常数实部确定各层分压比例；其中，
20、
21、式中，σi'为第i层材料复电导率实部，ai为第i层材料的等效电阻的横截面面积，di为第i层材料平均厚度；
22、
23、式中，e1和e2分别表示第1层和第2层绝缘材料上的电场强度，d代表材料平均厚度，ε1'和ε'2分别为第1层和第2层绝缘材料的介电常数实部；
24、将电阻阻值和分压比例，代入电容串联电路的有功功率方程；
25、利用被浸渍材料的体积分数进行简化，得到被浸渍材料的介电参数包括复交流电导率实部。
26、优选地，被浸渍材料的介电参数包括复介电常数虚部和复交流电导率虚部；确定步骤包括：
27、根据麦克斯韦方程组确定多层复合绝缘材料在交变电场中电流密度；公式表示为：
28、j*＝σ*·e*
29、σ*为复交流电导率，e*为交变电场强度；
30、根据电流密度与电位移对时间t的导数等价关系，得到复交流电导率实部σ'(ω)和虚部σ”(ω)；表达式为：
31、σ'(ω)＝ωε0ε”(ω)
32、σ”(ω)＝ωε0ε'(ω)
33、式中，ε*(ω)为复介电常数，ω为交流电压角速度，ε0为真空介电常数；
34、根据复交流电导率实部和虚部，确定被浸渍材料复介电常数虚部和复电导率虚部。
35、优选地，当多层复合绝缘材料为浸渍材料/被浸渍材料/浸渍材料的三层结构时，被浸渍材料各介电参数计算公式为：
36、
37、σ”2(ω)＝ωε0ε2'(ω)
38、式中，a为被浸渍材料在多层复合绝缘材料中所占体积分数，ε0′为多层复合绝缘材料介电常数实部，ε1′为浸渍材料介电常数实部，σ0′为三层复合材料复交流电导率实部，σ1′为浸渍材料的复交流电导率实部，ω为交流电压角速度，ε0为真空介电常数，σ2′(ω)、σ″2(ω)分别为角速度为ω时被浸渍材料复交流电导率实部和虚部，ε2′(ω)、ε2″(ω)分别为角速度为ω时被浸渍材料复介电常数实部和虚部。
39、优选地，对多层复合绝缘材料频域介电特性数值进行有限元仿真，包括：
40、根据被浸渍材料的体积分数和多层复合绝缘材料的结构，构建二维仿真模型；
41、对仿真模型进行温度场计算，得到模型内部温度分布；
42、对浸渍材料和被浸渍材料的介电参数分别在预设温度范围内进行线性插值，并将温度分布与对应温度下的介电参数进行耦合；
43、对耦合后的模型进行有限元仿真，得到多层复合绝缘材料频域介电特性数值。
44、优选地，有限元仿真，包括：
45、
46、
47、式中，σ*表示多层复合绝缘材料的等效复交流电导率，ε*表示多层复合绝缘材料的复介电常数，j*表示仿真模型的平均电流密度，e*表示仿真模型的平均电场强度，d*表示仿真模型的平均电位移，ε0为真空介电常数。
48、优选地，仿真模型的平均电场强度计算公式为：
49、
50、式中，d表示多层复合绝缘材料的总厚度，u*表示仿真模型的有效交流电压。
51、优选地，线性插值公式为：
52、
53、式中，θa和θc分别表示在ta和tc温度下的介电参数，ta表示a时刻的温度，tc表示c时刻的温度，tb表示待插值的b时刻的温度，θb为插值所得tb温度下的介电参数。
54、本专利技术提供的温度梯度下多层复合绝缘材料频域介电特性数值仿真方法，能够更准确地模拟和预测材料的介电行为；与现有技术相比，具有如下效果：
55、1)利用图像处理技术(ppi值分析)来精确获取被浸渍本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种温度梯度下多层复合绝缘材料频域介电特性数值仿真方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，确定多层复合绝缘材料中被浸渍材料的体积分数，步骤包括：
3.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，被浸渍材料的介电参数包括复介电常数实部，确定步骤包括：
4.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，被浸渍材料的介电参数包括复交流电导率实部，确定步骤包括：
5.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，被浸渍材料的介电参数包括复介电常数虚部和复交流电导率虚部；确定步骤包括：
6.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，当多层复合绝缘材料为浸渍材料/被浸渍材料/浸渍材料的三层结构时，被浸渍材料各介电参数计算公式为：
7.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，对多层复合绝缘材料频域介电特性数值进行有限元仿真，包括：
8.根据权利要求1或7所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，有限元仿真，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种温度梯度下多层复合绝缘材料频域介电特性数值仿真方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，确定多层复合绝缘材料中被浸渍材料的体积分数，步骤包括：
3.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，被浸渍材料的介电参数包括复介电常数实部，确定步骤包括：
4.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，被浸渍材料的介电参数包括复交流电导率实部，确定步骤包括：
5.根据权利要求1所述的介电特性数值仿真方法，其特征在于，被浸渍材料的介电参数包括复介电常数虚部和复交流电导率虚部；确定步骤包...
【专利技术属性】
技术研发人员：张宏亮，张梓瑜，王国伟，王虹，金海，李康乐，李晓楠，马玉润，魏祥林，魏腾飞，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：
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