一种空气间隙击穿电压预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电气外绝缘领域，尤其是设及一种空气间隙击穿电压预测方法。
【背景技术】
[000引空气间隙的放电特性是高压交、直流输变电工程的重点关注问题。目前，输变电工 程的外绝缘设计主要依赖放电特性试验进行验证，得出的击穿电压与间隙距离的单一关系 局限于特定的间隙结构，而对于复杂的间隙结构，难W通过电极尺寸、间隙距离等简单的几 何参数对其进行完全的表征，一旦间隙结构发生改变就需要重复试验验证，而空气间隙的 放电特性试验多存在周期长、代价高的问题。因此，有必要采用数值仿真手段获取空气间隙 的击穿电压，从而降低外绝缘设计所需试验次数。
[0003] 目前，空气间隙的击穿电压预测主要是基于经典放电理论，依次建立初始电晕起 始、流注先导转化、连续先导发展和末跃等各个放电阶段的数学模型或判据，从而实现对放 电全过程的仿真分析。然而，由于空气间隙放电物理过程的内在复杂性、测试手段的局限 性，W及数值求解算法的不确定性，目前研究中仍存在许多尚未解决的问题，导致物理模型 的预测结果与试验测量结果仍存在一定的偏差。
【发明内容】
[0004] 鉴于此，本发明的目的在于，提出一种空气间隙击穿电压预测方法，W提高空气间 隙击穿电压预测的准确性与便利性。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 一种空气间隙击穿电压预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0007] 步骤1 ;选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素，针对各影 响因素，选择水平范围，生成因素水平执行表；其中，典型电极结构包括球、椿、板3种电极 结构；所述击穿电压影响因素包括间隙类型、电极端部形状、间隙距离；间隙类型的3个水 平指球-球、椿-板、椿-椿3种电极结构；电极端部形状的3个水平对于球-球间隙指3 种球直径；
[000引步骤2 ;选用能够考察上述因素各个水平的正交表，按照各试验号对应的试验条 件依次进行击穿电压试验，记录试验时的大气环境条件及击穿电压试验值，对试验结果进 行大气条件校正；
[0009] 步骤3 ;对步骤2中得到的正交表中的典型电极结构空气间隙进行静电场计算，对 高压电极施加上述击穿电压试验值，对低压电极和外包空气边界施加零电化从静电场分 布计算结果中提取表征空气间隙储能特征的电场分布参数；
[0010] 步骤4凍用支持向量机建立空气间隙击穿电压预测模型，将步骤3中得到的电场 分布参数作为预测模型的输入参量，W间隙在加载电压下是否击穿作为预测模型的输出参 量，采用上述正交表中的典型电极结构空气间隙击穿电压试验数据对支持向量机模型进行 训练，其中，预测模型的输出参量为空气间隙在加载电压下是否击穿，若击穿，则输出1 ;反 之，则输出-1;支持向量机为支持向量分类机；采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预 测模型后，通过网格捜索法对支持向量机模型进行参数寻优，所述的参数包括惩罚系数和 核函数参数；
[0011] 步骤5 ;对待预测电极结构空气间隙施加给定电压，进行静电场计算并提取电场 分布参数，将电场分布参数输入至上述经过训练后的支持向量机模型，通过预测得到其击 穿电压；具体是对待预测电极结构空气间隙施加电压初值U。，若预测模型输出-1，则升高 加载电压至Uu+加，直至预测模型输出1，则此时的加载电压即为待预测电极结构空气间隙 的击穿电压；反之，若预测模型输出1，则降低加载电压至U。-加，直至预测模型输出-1，从 输出1至-1所对应的临界加载电压即为待预测电极结构空气间隙的击穿电压。
[0012] 在上述的一种空气间隙击穿电压预测方法，所述的步骤3和步骤5中，电场分布参 数包括电场强度、电场能量、能量密度、电场梯度、表面积、比例参数；所述的电场强度包括 电场强度最大值及平均值，所述的电场梯度包括电场梯度最大值、最小值和平均值，所述的 表面积指高压电极表面超过X%最大电场强度的区域面积；所述的比例参数包括电场崎变 率，W及空气间隙不同空间位置的电场强度超过X%最大电场强度的区域所占的体积比例 和相应的电场能量所占的比例。
[0013] 本发明借助正交试验设计的思想，对空气间隙击穿电压与电场分布参数的多维非 线性关系进行训练，预测过程简单、准确性高，避免了分散性大、物理过程复杂、可测可控性 差的放电过程研究，有助于减少空气间隙放电特性研究所需的试验量，降低试验成本。
【附图说明】
[0014] 附图1是本发明的方法流程示意图。
[0015] 附图2是本发明实施例中一组椿-球空气间隙工频击穿电压预测值与试验值对比 图。
【具体实施方式】
[0016] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0017] 实施例；
[0018] 图1所示为本发明实施例的空气间隙击穿电压预测方法流程示意图，本发明包括 如下步骤：
[0019] 步骤1 ;选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素，针对各影 响因素，选择水平范围，生成因素水平执行表。
[0020] 本实施例中，选取球-球、椿-板、椿-椿3种典型电极结构空气间隙，其击穿电压 影响因素包括间隙类型、电极端部形状、间隙距离。间隙类型的3个水平指球-球、椿-板、 椿-椿3种电极结构；电极端部形状的3个水平对于球-球间隙指3种球直径，本实施例 中，选取6. 25畑1、10cm和15畑1，对于椿-板间隙和椿-椿间隙，指3种椿电极端部形状，本 实施例中，选取圆锥角45°的锥形椿、直径20mm的半球头椿和直径30mm的半球头椿；间隙 距离的3个水平指3种不同大小的间距，本实施例中，球-球间隙的间距水平为lcm、2cm、 3cm，椿-板间隙的间距水平为1cm、2. 5cm、4cm，椿-椿间隙的间距水平为1cm、3cm、5cm。表 1为因素水平执行表，对于球隙，Di、〇2、分别代表6. 25、10、15cmS种直径；对于椿-板和 椿-椿间隙，〇1、〇2、〇3分别代表45。圆锥椿、巫20mm半球椿、巫30mm半球椿S种椿端形状。 间距的3个水平di、d2、ds分别代表S种不同的间距。
[0021] 表1为因素水平表
[0022]
【主权项】
1. 一种空气间隙击穿电压预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 步骤1:选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素，针对各影响因 素，选择水平范围，生成因素水平执行表；其中，典型电极结构包括球、棒、板3种电极结构； 所述击穿电压影响因素包括间隙类型、电极端部形状、间隙距离；间隙类型的3个水平指 球-球、棒-板、棒-棒3种电极结构；电极端部形状的3个水平对于球-球间隙指3种球 直径； 步骤2 :选用能够考察上述因素各个水平的正交表，按照各试验号对应的试验条件依 次进行击穿电压试验，记录试验时的大气环境条件及击穿电压试验值，对试验结果进行大 气条件校正； 步骤3 :对步骤2中得到的正交表中的典型电极结构空气间隙进行静电场计算，对高压 电极施加上述击穿电压试验值，对低压电极和外包空气边界施加零电位，从静电场分布计 算结果中提取表征空气间隙储能特征的电场分布参数； 步骤4 :采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预测模型，将步骤3中得到的电场分 布参数作为预测模型的输入参量，以间隙在加载电压下是否击穿作为预测模型的输出参 量，采用上述正交表中的典型电极结构空气间隙击穿电压试验数据对支持向量机模型进行 训练，其中，预测模型的输出参量为空气间隙在加载电压下是否击穿，若击穿，则输出1 ;反 之，则输出-1 ;支持向量机为支持向量分类机；采用支持向量机建立空气间隙击穿电压预 测模型后，通过网格搜索法对支持向量机模型进行参数寻优，所述的参数包括惩罚系数和 核函数参数； 步骤5 :对待预测电极结构空气间隙施加给定电压，进行静电场计算并提取电场分布 参数，将电场分布参数输入至上述经过训练后的支持向量机模型，通过预测得到其击穿电 压；具体是：对待预测电极结构空气间隙施加电压初值％，若预测模型输出-1，则升高加载 电压至％+dK直至预测模型输出1，则此时的加载电压即为待预测电极结构空气间隙的击 穿电压；反之，若预测模型输出1，则降低加载电压至直至预测模型输出-1，从输出1 至-1所对应的临界加载电压即为待预测电极结构空气间隙的击穿电压。
2. 根据权利要求1所述的一种空气间隙击穿电压预测方法，其特征在于，所述的步骤 3和步骤5中，电场分布参数包括电场强度、电场能量、能量密度、电场梯度、表面积、比例参 数；所述的电场强度包括电场强度最大值及平均值，所述的电场梯度包括电场梯度最大值、 最小值和平均值，所述的表面积指高压电极表面超过x%最大电场强度的区域面积；所述的 比例参数包括电场畸变率，以及空气间隙不同空间位置的电场强度超过x%最大电场强度 的区域所占的体积比例和相应的电场能量所占的比例。
【专利摘要】本发明涉及一种空气间隙击穿电压预测方法，选取若干典型电极结构空气间隙，确定影响其击穿电压的因素及水平范围；选用能够考察上述因素各个水平的正交表，按照各试验号对应的试验条件依次进行击穿电压试验；加载击穿电压试验值对典型电极结构空气间隙进行静电场计算，从计算结果中提取电场分布参数；采用支持向量机建立击穿电压预测模型，将电场分布参数作为模型的输入，以间隙在加载电压下是否击穿作为模型的输出，采用典型电极结构空气间隙击穿电压试验数据对支持向量机模型进行训练，从而预测得到其他电极结构的空气间隙击穿电压。本发明预测过程简单、准确性高，有助于减少空气间隙放电特性研究所需的试验量，降低试验成本。
【IPC分类】G01R31-12
【公开号】CN104880650
【申请号】CN201510276083
【发明人】阮江军, 邱志斌, 黄道春, 廖一帆, 张福增, 魏梦婷, 唐烈峥, 黄从鹏, 徐闻婕
【申请人】武汉大学, 南方电网科学研究院有限责任公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月26日