[发明专利]一种聚合物绝缘材料中的电树枝数值模拟方法及系统

说明书

本公开提出了一种聚合物绝缘材料中的电树枝数值模拟方法及系统，包括：沿放电所用电极结构针尖方向和试样长度方向将试样剖分多个网格；从上述多个网格中选取设定网格构成微区域，以将试样划分为多个微区域；在电压作用下，由针尖注入的电子增加微区域的键逾渗概率，以及热电子对聚合物分子链的撞击，共同引发电树枝，形成绝缘失效区；邻近微区域中高能电子的冲击进一步确定电树枝的生长方向，以模拟电树枝的引发及生长。仅需根据外加电压值判断每个微区域内键逾渗的概率，得到的数值模拟结果更加精确。

技术领域

本公开属于电树枝数值模拟技术领域，尤其涉及一种聚合物绝缘材料中的电树枝数值模拟方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

XLPE等聚合物绝缘材料中的电树枝是介质内部的毛刺、气隙、杂质等微观缺陷在雷电或操作过电压下发展形成的电致裂纹现象，最终可能在介质内部形成放电通道，导致电介质失效而出现击穿事故。

随着城市电缆化率的提高，以及XLPE电缆向高压、超高压方向发展趋势的扩大，XLPE电缆的绝缘状况与其安全稳定运行直接相关。

因此，及时掌握XLPE电缆的绝缘状况并适时安排运维措施，深入探究XLPE中电树枝的引发、生长机制及抑制机理等具有重要的理论意义和工程应用价值。

目前，常用的电树枝点阵模型有基于分形理论的电树枝仿真模型以及有限元模型两类，前者主要包括分形介质击穿模型也称NPW模型、WZ模型、NKL模型，后者在本质上仍为分形理论，这些模型尚不能有效解决分形理论的完整性问题。

逾渗理论表明，当系统中某种成分增加至一某定值后，系统性能将发生二值性逾渗转变。逾渗模型已广泛用于复合材料的导电问题、森林火灾、疾病传播等宏观或微观领域。就聚合物电介质中的电树枝的引发及生长过程而言，电树枝仅导致介质内局部区域的绝缘性能衰减或丧失，整体而言并不符合逾渗理论性质。因此经典逾渗理论不能恰如其分地解释聚合物中电树枝的引发与生长现象。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种聚合物绝缘材料中的电树枝数值模拟方法，结合其微逾渗现象模拟电树枝的引发及生长。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种聚合物绝缘材料中的电树枝数值模拟方法，包括：

沿放电所用电极结构针尖方向和试样长度方向将试样剖分多个网格；

从上述多个网格中选取设定网格构成微区域，以将试样划分为多个微区域；

在电压作用下，由针尖注入的电子增加微区域的键逾渗概率，以及热电子对聚合物分子链的撞击，共同引发电树枝，形成绝缘失效区；

邻近微区域中高能电子的冲击进一步确定电树枝的生长方向，以模拟电树枝的引发及生长。

进一步的技术方案，针对每个微区域，计算其电位，判断相邻微区域间的电位差与临界击穿电位的关系，当相邻微区域间的电位差大于临界击穿电位时，该微区域开始逾渗。

进一步的技术方案，微区域内所受电场强度相同，计算试样材料每个微区域中心格点的电位，并将其看作该微区域的电位。

优选的，计算微区域的电位时，运用二维有限差分法将计算试样材料每个微区域中心格点的电位的拉普拉斯方程离散化，得二维离散方程，通过多次迭代，可求得电介质中各微区域的电位。

进一步的技术方案，微区域开始逾渗后，若相邻微区域间的电位差大于逾渗阈值电压时，微区域转变为绝缘失效区。

进一步的技术方案，不断重新计算每个微区域的电位，继而判断是否进行下一次微逾渗，当满足停止条件即可得到电树枝。