基于Maxwell的暂态电场仿真系统设计

薛 亮, 张 赫, 朱岳岳

(1.上海电力大学, 上海 200090; 2.中铁丰桥桥梁有限公司, 北京 100070)

作为工业生活中的主要生产力,电气设备的运行状态检测、故障判断及维护已成为理论与实践中的重要研究课题。电气设备在传输电缆方面的在线检测研究历史悠久,目前已经投入运行的电缆在线监测系统大多基于传感器[1-2]。清华大学张晓明[3]进行了暂态电场测试传感器的研制,设计研发了暂态电场传感器探头系统,并利用电磁脉冲模拟器装置进行了相关的时域和频域测试。相关的暂态仿真可为绝缘介质的选材、运行状态、故障判断和维护提供必要参考[4-5]。靳希等人[6]针对电力系统机电暂态仿真软件的研究,将电压稳定分析与电磁暂态分析相结合。戚滢滢和张永健[7]对暂态稳定临界切除时间的计算及其在继电保护中的应用进行了研究,为暂态电场总能量的研究提供了启发。由于电磁暂态模式是建立在解微分方程基础上的,求解速度较慢,适用描述的系统也相对较小,因此,这种模式一般不适用于对大型电力系统的研究[8]。本文基于Maxwell暂态电场仿真系统设计脉冲发生电路,搭建了多种暂态电场模型及仿真环境。仿真暂态电场中各电场参数的数值以及变化规律,可为实际工作中电场设备的选材、故障检测、判断和维护提供参考。

1 仿真模型的搭建

本文选用了平行平板、球体以及圆柱体3种模型作为暂态电场发生装置,仿真计算的求解域分别为seawater(海水),glass(玻璃),silicon(硅),diamond(钻石)。不同求解域的参数设置如表1所示,不同仿真模型如图1所示。

表1 仿真模型参数设置

图1 暂态电场物理模型

仿真选用的定义方式为“Pad all directions similarly”。在实际情况中,工程模型求解域的合适大小为绘制模型尺寸的5倍左右,考虑到仿真计算量和本次实验目的,“Value”值选用5,即满足大于模型各方向内部尺寸的5%;激励源设置为U=100 000e-100t,可根据实际需要调节激励源;选用的求解初始时刻为5 ms,最大求解步长为10 ms;为保证计算精确度的同时避免较大计算量,对比多次仿真结果,将网格剖分数值设置为5 mm。待所有参数设置完成后进行模型检测,并求解计算。

2 仿真结果分析

仿真处理时间因网格剖分的精细程度和模型复杂程度而异。待暂态电场求解完成后,开始进行模型的后处理操作。5 ms时海水求解域的仿真结果如图2所示。其中,不同颜色的箭头对应于不同的电场强度值。

图2 5 ms时海水求解域电场矢量分布

由图2可知,极板垂直方向的电场强度大于水平方向,极板内部的电场强度大于求解域内的电场强度。

5 ms时与100 ms时玻璃介质求解域的电场矢量分布图如图3所示。

图3 玻璃求解域中电场矢量

通过对比两图的数值标尺可以发现,5 ms时极板的暂态电场强度比100 ms时大很多,即暂态电场的强度随激励电压的衰减而减小。对比5 ms时海水与玻璃介质的仿真结果可知,求解域为海水的读数标尺栏数值较大。即在同一激励下,导电介质的暂态电场强度大于绝缘体或导电性能相对较差的介质的暂态电场强度。

本次仿真中对不同介质在暂态电场作用下的能量变化进行了计算,结果如图4所示。

由图4可知:海水介质暂态电场总能量约在17 ms时达到最大值22.5 mJ,变化较快;玻璃介质暂态电场总能量在100 ms时达到最大值17.50 GJ,相当于1.75×1010J。由于玻璃介质不易被击穿,需足够的能量与作用时间,但当激励电压作用一定时间时,玻璃介质求解域中的暂态电场总能量实现突变;同理,硅介质暂态电场总能量在100 ms时突变为375 GJ,相当于3.75×1011J;钻石求解域能量在68 ms时升高,100 ms时的能量为175 kJ,相当于1.75×105J。对比4种介质中暂态电场能量变化曲线可知,能量突变所需时间随介质相对介电常数的增大而减小。

图4 暂态电场总能量变化曲线

为进一步分析实验结果,本文搭建了求解域为海水,暂态电场发生装置为球体和圆柱体的仿真模型,仿真结果如图5所示。

图5 球体与圆柱体模型电场矢量图

由图5可知,电场矢量箭头的颜色多为青色和绿色,球体电场发生装置在各方向产生的暂态电场大致相同。由电场矢量箭头颜色所对应的左侧读数标尺栏可知,5 ms时电场强度最大值约为1.287 7×10-6V/m,100 ms时电场强度最大值约为5.040 4×10-11。由圆柱体的电场矢量图左侧读数标尺栏可知,5 ms时电场强度最大值约为2.330 4×10-7V/m,100 ms时电场强度最大值约为8.788 3×10-12V/m。

在进一步分析中,本次仿真对不同模型在暂态电场作用下的能量变化进行了计算,结果如图6所示。

图6 球体和圆柱体发生装置暂态电场总能量变化曲线

由图6可知,相同激励作用下、相同介质的球体与圆柱体发生装置暂态电场能量变化曲线趋势完全一致。电场发生装置为球体时,在18.5 ms时达到最大值为4.00 mJ,当电场发生装置为圆柱体时,暂态电场能量最大值约为12.00 mJ。

3 结 语

为了对实际应用中绝缘介质的选材、运行状态、故障判断和维护提供必要参考,本文基于Maxwell暂态电场仿真系统,设计脉冲发生电路,搭建了多种暂态电场模型及仿真环境。对比了相同介质、相同激励、不同发生装置模型的暂态电场值以及暂态电场作用下的能量变化。研究发现,相同介质、相同激励、不同发生装置模型的暂态电场值以及暂态电场作用下的能量变化不同。因

此,在实际应用中可调节仿真参数,为介质材料的选择与使用设计提供参考。