高压直流绝缘介质空间电荷运动分布仿真研究

发布时间：2018-04-21 16:02

本文选题：电磁环境 + 改进上流元法　；参考：《武汉大学》2014年博士论文

【摘要】：近十几年间,高压直流输电工程在国内得到快速发展,高压直流输电技术相关问题如输电线路电磁环境、高压直流设备绝缘问题成为科研工作者关注的重点。本文以高压直流输变电系统关键设备—输电线路、直流分压器、换流变压器为研究对象,分别研究了空气介质和油纸绝缘介质内空间电荷的稳态分布和暂态运动。本文以上流元法为基础,耦合求解泊松方程和电流连续性方程,实现对空间电荷的运动分布进行仿真研究。传统上流元法在计算直流输电线路离子流场时,如果导线表面电荷密度以及空间电荷密度初始值设置的不合理,会导致离子流场在求解过程中无法收敛。本文引入自适应迭代控制因子,在保证不影响计算速度的同时提高算法收敛稳定性。针对实际输电线路研究了风速对离子流场产生的影响。以改进上流元法为基础,编制HVDC离子流场计算平台,可以实现对直流输电线路离子流场的工程计算。在二维上流元法的基础上,推导实现了三维上流元法计算离子流场。传统上流元法在空间场域内寻找上流有限单元进行空间电荷密度更新时,采用堆栈内已知电荷密度节点逐一比较的方法判断是否构成上流有限单元,会浪费大量的时间。本文提出新型上流有限单元寻找策略,通过对相邻单元节点进行判断是否构成上流有限单元的方法,可以提高空间电荷密度更新效率。通过简单算例验证了新型上流有限单元寻找策略在进行空间电荷密度更新时的效率,该方法是求解三维大规模离子流场的基础。对试验线路下方房屋附近合成场强进行计算,与试验测量结果进行对比验证了三维上流元法在计算复杂结构附近离子流场时的精度。计算了特高压直流输电线路下方走廊处人体模型附近合成场强的大小,认为空间电荷的存在极大增强了人体周围的电场强度。对直流分压器附近离子流场的求解是直流分压器外绝缘问题研究以及结构优化设计的基础。实现了二维轴对称上流元法可以计算轴对称模型的离子流场。推导实现了瞬态上流元法,可以对空间电荷在空气介质中的运动过程进行仿真。提出空间电荷在绝缘介质表面的积聚特性以及稳态判据理论,基于二维轴对称瞬态上流元法,对针板电极电晕放电电荷在绝缘介质表面的积聚过程进行仿真,仿真得到的绝缘介质表面的电荷密度呈钟形分布,与试验结论一致。对直流分压器离子流场进行计算,结果表明,直流分压器周围存在的空间电荷对绝缘伞裙表面的电场分布起到一定程度的改善作用。采用瞬态上流元法求解双极性空间电荷输运方程,实现了对单层油纸绝缘介质内空间电荷运动过程的仿真,通过调整控制方程中的材料微观参数可以得到与试验测量数据较为一致的仿真结果。以上述仿真参数为依据,通过调整外加场强、电极注入势垒、载流子迁移率、陷阱捕获系数、陷阱浓度以及正负载流子复合系数等参数,研究了外加电场强度、温度梯度以及材料本身属性对油纸绝缘介质内部空间电荷运动特性产生的影响,得到的结论可用于对油纸绝缘介质击穿机理的研究。
[Abstract]:In recent decade , high voltage direct current transmission project has been developed rapidly in China . The problems related to HVDC transmission technology such as electromagnetic environment of transmission line and insulation of high voltage DC equipment have become the focus of research workers . In this paper , the steady state distribution and transient motion of space charge in air medium and oil paper insulation medium are studied .

In this paper , an adaptive iterative control factor is introduced to improve the convergence stability of HVDC transmission line . In order to improve the convergence stability of HVDC transmission line , the influence of wind speed on ion flow field is improved .

On the basis of two - dimensional upper - flow element method , a three - dimensional upper - flow element method is deduced to calculate the ion current field . The traditional upper - flow finite element method is used to determine whether the upper - flow finite element is formed in the space field .

Based on two - dimensional axisymmetric transient upper flow element method , the charge density of corona discharge electric charge on the surface of insulating medium is simulated . The results show that the space charge around DC voltage divider can improve the electric field distribution on the surface of the insulating umbrella skirt .

Based on the above simulation parameters , the influence of the applied electric field intensity , temperature gradient and the properties of the material itself on the internal space charge movement characteristics of the oil - paper insulation medium is studied by adjusting the parameters such as the applied field strength , the electrode injection barrier , the carrier mobility , the trap trapping coefficient , the trap concentration and the positive - negative carrier recombination coefficient , and the conclusions can be used to study the dielectric breakdown mechanism of the oil - paper insulation medium .

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM855

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