一种山火条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法与流程

本发明一种山火条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法，涉及山火条件下输电线路间隙的放电机理和击穿特性研究领域。

背景技术：

输电线路走廊日益紧张，输电通道不可避免的经过植被茂盛的高森林火险地区，山火可能导致输电线路相地和相间绝缘强度下降而发生跳闸事故。据统计，近年来我国电网因山火跳闸事故达数百起，仅2014年春季，国家电网220kv以上线路受山火影响有47条次紧急停运、17条次降压运行、213条次退出重合闸，严重影响了电网的安全稳定运行。国家电网公司在2014年制定的重要输电通道风险评估工作方案中，山火作为首要考虑的技术要素。目前国内外对山火条件下间隙的放电机理和击穿特性研究尚不完善，对于输电线路因山火跳闸的风险评估、预警及防护缺乏理论指导。

火焰中的颗粒物和灰烬受火焰中离子影响而荷电，并在气流、电场力等作用下进入输电线路下方间隙并形成颗粒链，使空间电场畸变并发生局部放电，进一步造成整个间隙击穿。火焰上方的荷电颗粒和空气可看作气固两相体。有试验表明荷电颗粒链畸变电场并产生触发放电是导致整个间隙击穿的关键，分析空间合成电场畸变特性对于研究输电线路间隙在火焰条件下的击穿机理有重要作用。因此，提出一种火焰条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法。

技术实现要素：

本发明提供一种山火条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法，可为间隙的放电机理和击穿特性研究提供依据。

本发明采取的技术方案为：

一种山火条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法，包括以下步骤：

步骤1)：根据典型植被燃烧试验，观测火焰高度、温度、形态和火焰电导率，并根据上述燃烧特征选择稳定燃烧区域，将输电线路下方间隙划分火焰体等效区域和气固两相体区域，如图2所示。

步骤2)：采用差分运动颗粒粒径仪测量粒径＜1mm的颗粒，获得颗粒粒径与体积分布的统计规律；采用游标卡尺测量粒径≥1mm的颗粒，并结合燃烧试验的视频观测得到颗粒数与颗粒粒径的统计规律；

步骤3)：间隙中颗粒带电量计算方法如公式1，式中qk为颗粒的带电量，ε0为真空介电常数，εr为颗粒物的相对介电常数，dk为颗粒直径，e为颗粒所在处的电场值；

步骤4)：气固两相体中的温度分布和流体运动计算方法如下，根据颗粒对空气流体的作用，气体密度ρq、运动粘度μ需乘以修正系数α，利用公式2计算，式中k为颗粒序号，vk为第k个颗粒的体积，δv为单位体积，n为单位体积内的颗粒数。建立包括火焰体区域、气固两相体区域、地电极和导线电极的三维模型，气固两相体区域用修正了流体密度、运动粘度参数的流体区域模拟，火焰体区域为热源，根据植被燃烧热生成率设置发热功率，利用有限体积法求解瞬态温度分布和流体流速；

步骤5)：颗粒受力和运动计算方法如下，火焰间隙中的颗粒主要受电场力、流体曳力和重力作用，颗粒运动可按公式3计算，式中vk是颗粒速度矢量，mk是颗粒质量，fy是流体曳力，fe是颗粒所受电场力，fg是颗粒重力，ρk是颗粒密度，cc是cunningham修正系数，vq是气体速度，g是重力加速度，cc根据公式4计算得到，式中λ为分子自由程，e为自然对数的底数；

步骤6)：合成电场计算方法如下，建立包括火焰体区域、气固两相体区域、地电极和导线电极的三维模型，在导线电极上施加电压值，气固两相体区域中设置颗粒物及其荷电量，颗粒物的荷电量由公式1计算得到，火焰体根据测量结果设置电导率σ，地电极和边界都设置为0电位，利用有限元法求解空间合成电场值；

步骤7)：设置初始的颗粒分布，通过步骤3～步骤6步中的计算方法进行温度-流体-颗粒运动-电场的多场耦合计算，通过多次迭代计算，当两次电场计算的误差小于设置的目标误差值η％时，结束迭代计算，得到最终的空间合成电场。

本发明一种山火条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法，根据典型植被火焰燃烧试验观测火焰高度、形态、温度、火焰电导率、颗粒数据与粒径等参数，将火焰间隙划分为火焰体区域与气固两相体区域。提出颗粒荷电量计算方法，温度和流体场计算方法，颗粒受力及运动特性的计算方法，以及空间合成电场的计算方法。结合试验数据，进行温度-流体-颗粒运动-电场多场耦合迭代计算，得到最终的空间合成电场，可为间隙的放电机理和击穿特性研究提供依据。

本发明一种山火条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法，优点在于：

1)、提出了一种温度-流体-颗粒运动-电场多场耦合的火焰下输电线路空间合成电场计算方法，可方便获取并分析火焰条件下间隙电场的畸变情况，有利于火焰条件下间隙击穿理论的研究。

2)、大部分研究都只进行了定性分析，本专利提出了气固两相体中颗粒物观测统计方法和颗粒物荷电的计算方法，可实现初步的定量分析。

3)、利用修正系数修正流体密度、运动粘度参数的方法，简化了气固两相体运动的计算方法，使计算更加方便快速。

附图说明

图1为本发明计算流程图。

图2为本发明火焰间隙区域划分示意图。

图3为本发明测量的较小炭黑颗粒粒径与体积分布规律图。

图4为本发明仿真得到的火焰条件下间隙流体流速矢量图。

图5为本发明仿真得到的火焰间隙空间合成电场图。

具体实施方式

如图1所示，一种山火条件下输电线路间隙空间合成电场计算方法，包括以下步骤：

步骤1)：根据典型植被燃烧试验，观测火焰高度、温度、形态和火焰电导率，并根据上述燃烧特征选择稳定燃烧区域，将输电线路下方间隙划分火焰体等效区域和气固两相体区域，如图2所示。

步骤2)：采用差分运动颗粒粒径仪测量粒径＜1mm的颗粒，获得颗粒粒径与体积分布的统计规律，例如粒径43μm的颗粒体积浓度约为30μm³/cm³；采用游标卡尺测量粒径≥1mm的颗粒，并结合燃烧试验的视频观测得到颗粒数与颗粒粒径的统计规律，例如长度约为5～7mm的大尺寸灰烬在100cm间隙中约有30～40个；

步骤3)：间隙中颗粒带电量计算方法如公式1，式中qk为颗粒的带电量，ε0为真空介电常数，εr为颗粒物的相对介电常数，dk为颗粒直径，e为颗粒所在处的电场值；

步骤4)：气固两相体中的温度分布和流体运动计算方法如下，根据颗粒对空气流体的作用，气体密度ρq、运动粘度μ需乘以修正系数α，利用公式2计算，式中k为颗粒序号，vk为第k个颗粒的体积，δv为单位体积，n为单位体积内的颗粒数。建立包括火焰体区域、气固两相体区域、地电极和导线电极的三维模型，气固两相体区域用修正了流体密度、运动粘度参数的流体区域模拟，火焰体区域为热源，根据植被燃烧热生成率设置发热功率，利用有限体积法求解瞬态温度分布和流体流速；

步骤5)：颗粒受力和运动计算方法如下，火焰间隙中的颗粒主要受电场力、流体曳力和重力作用，颗粒运动可按公式3计算，式中vk是颗粒速度矢量，mk是颗粒质量，fy是流体曳力，fe是颗粒所受电场力，fg是颗粒重力，ρk是颗粒密度，cc是cunningham修正系数，vq是气体速度，g是重力加速度，cc根据公式4计算得到，式中λ为分子自由程，e为自然对数的底数；

步骤6)：合成电场计算方法如下，建立包括火焰体区域、气固两相体区域、地电极和导线电极的三维模型，在导线电极上施加电压值，气固两相体区域中设置颗粒物及其荷电量，颗粒物的荷电量由公式1计算得到，火焰体根据测量结果设置电导率σ，地电极和边界都设置为0电位，利用有限元法求解空间合成电场值；

步骤7)：设置初始的颗粒分布，通过步骤3～步骤6步中的计算方法进行温度-流体-颗粒运动-电场的多场耦合计算，通过多次迭代计算，当两次计算的误差小于设置的目标误差值η％时，结束迭代计算，得到最终的空间合成电场。

实施例:

以模拟导线电极的杉树木垛火焰试验为例：

本实例在模拟导线电极上加压40kv，采用21×21×10cm³的正方形杉树木垛燃烧模拟山火，间隙高度为100cm，进行火焰间隙空间合成电场计算。

1)、当杉树木垛稳定燃烧时，观测到火焰最大高度为60cm，稳定燃烧高度为55cm，利用热电偶测得火焰最高温度为747℃，火焰的稳定燃烧区域的等效直径为16cm，电导率为5.9×10⁹s/cm，燃烧热生成率为1.21g/s。此处简化选择直径16cm，高度为55cm的圆柱体作为火焰体区域，其它区域为颗粒与空气的气固两相体区域。

2)、采用差分运动颗粒粒径仪测量粒径＜1mm的炭黑颗粒，测量结果如图3，图中所示粒径范围从0.01μm到超过43μm，可看到曲线双峰值约为0.3μm和43μm，粒径0.3μm的颗粒体积浓度约为17μm³/cm³，粒径43μm的颗粒体积浓度约为30μm³/cm³；用游标卡尺测量粒径≥1mm的灰烬和木屑，直径一般为1～2mm，长度一般为1～7mm，通过录像的视频观测得到统计数据，例如长度约为5～7mm的大尺寸灰烬在100cm间隙中约有30～40个。

3)、根据公式1，计算火焰中颗粒的带电量qk，式中ε0为真空介电常数，εr为颗粒物的相对介电常数，dk为颗粒直径，e为颗粒所在处的电场值；通过编程即可实现在不同位置、不同大小颗粒都可计算其所带的电荷，例如颗粒直径为1mm的木屑，相对介电常数为2.8，所处位置电场强度为1kv/cm，则其带电量为4.86×10^-12c。

4)、根据气固两相体中颗粒的大小和分布的统计规律，计算颗粒所占体积的百分数，根据公式2计算修正系数α，将气体密度ρq、运动粘度μ都乘以α进行修正；建立火焰间隙的三维模型，设置修正后的流体密度、运动粘度参数，结合测得的植被燃烧热生成率为23.22kj/s，利用有限体积法求解瞬态温度分布和流体运动，可得到气固两相体区域不同位置的温度值和流体流速，得到流体流速矢量图如图4，可以看到导线电极对于流体也有一定的阻碍作用，导线电极上方流体流速最大约为2.8m/s。

5)将流体流速、颗粒分布、颗粒荷电量和质量等参数带入公式3，计算火焰间隙中颗粒的受力，火焰间隙中的颗粒主要受电场力、流体曳力和重力作用，颗粒运动可按公式3计算，式中vk是颗粒速度矢量，mk是颗粒质量，fy是流体曳力，fe是颗粒所受电场力，fg是颗粒重力，ρk是颗粒密度，cc是cunningham修正系数，vq是气体速度，g是重力加速度。cc根据公式4计算得到，式中λ为分子自由程，e为自然对数的底数。根据公式3仿真计算火焰间隙中颗粒受力及运动。例如一直径为1mm的颗粒，质量为3×10^-4g，所受重力大小约为3×10^-6n；所处位置电场强度为1kv/cm，带电量为4.86×10^-12c，则所受电场力大小为4.86×10^-7n；颗粒自身速度为1.5m/s，流体速度为2.5m/s，则受流体曳力大小为6.31×10^-7n，将这三个力矢量合成即可得到颗粒所受合力。

6)合成电场计算方法如下，建立包括火焰体区域、气固两相体区域、地电极和导线电极的三维模型，导线电极上施加电压40kv，气固两相体区域中设置颗粒物及其荷电量，颗粒物的荷电量由公式1计算得到，火焰体根据测量结果设置电导率为5.9×10⁹s/cm，地电极和边界都设置为0电位，利用有限元法求解空间合成电场值。

7)设目标误差值为1％，设置初始的颗粒分布，通过步骤3～6中的计算方法进行温度-流体-颗粒运动-电场的多场耦合计算，迭代得到新的颗粒分布和电场值，再次进行步骤3～6进行迭代计算，通过多次迭代后，当两次计算的误差小于1％时，结束迭代计算，将计算结果作为最终的空间电场分布。例如选取火焰间隙区域中一个直线段的电场强度值计算结果如图5所示，可看到荷电颗粒使空间电场严重畸变。