基于相场模拟与的高电压技术可视化教学与仿真(2)

2 软件应用案例

2.1 应用案例1：不同电极结构电场分布

电场分布是影响绝缘介质击穿强度的主要因素，不同类型电场分布中击穿强度的排序为均匀电场＞稍不均匀电场＞极不均匀电场，且不对称的极不均匀电场中击穿存在极性效应[1-2]。仿真不同电极结构下的电场分布特征与击穿过程，有利于学生理解电场分布对击穿特性的影响规律，另外在相场模型中增加电荷注入和输运方程可辅助分析极不均匀电场中的极性效应。因此，本教学实验软件将电场分布与击穿过程模拟纳入其中。

本文仅给出不同电极结构下的电场分布结果，以平行平板电极、球-球电极与棒-棒电极的电场分布为例进行说明，3 种电极间距与外施电压相同，设置绝缘介质为空气、电荷密度为0，得到3 种情况下电场分布如图2 所示。x,y分别为空间横纵坐标。平行平板电极之间所有位置电场相等，产生的电场均匀分布；球-球电极中，球电极附近电场强度增大，产生的电场分布为稍不均匀电场；棒-棒电极中，棒电极处电场强度显著提高，产生的电场属于极不均匀电场分布。

图2 不同电极结构下电场分布的相场模拟结果

通过本部分模拟可使学生直观掌握不同类型电极结构的电场分布特征，了解高电压试验中选取典型电极结构的依据。通过与击穿过程仿真结果的对比分析，理解电场不均匀度与击穿强度的关联。

2.2 应用案例2：纯环氧树脂击穿过程的模拟

固体绝缘介质的击穿理论是高电压技术的重要内容之一，包括电击穿、热击穿与电化学击穿3 种理论。电击穿是由高电场下介质内的碰撞电离引起的，而热击穿是介质内热量累积导致的破坏过程，两种击穿过程的决定因素存在差异[1-2]。对不同介质损耗、温度等条件下击穿特性的模拟，有利于直观阐释不同击穿理论过程与击穿强度的差异。

设置绝缘介质为纯环氧树脂，根据实验数据分别设置介电常数和介质损耗角正切为3.6 和0.009，温度为30 ℃，外施电压频率为50 Hz，外施电场以1 kV/(mm·s)速率匀速上升，得到不同发展阶段的击穿路径如图3所示。当外施电场上升至约 21.0 kV/mm 时击穿路 径开始发展，击穿通道呈树枝状发展，当电场达到 41.0 kV/mm 时环氧树脂接近击穿。为了进一步说明电击穿与热击穿的异同，针对不同环境温度下环氧树脂的击穿特性进行了仿真分析，得到30 ℃和150 ℃下静电与热自由能密度分布如图4 和5 所示。结果表 明，静电自由能与温度关系不大，但高温下介质损耗迅速增加使热自由能显著提升，即热击穿逐渐起主导作用，导致击穿场强由30 ℃时的41.13 kV/mm 降低至22.45 kV/mm，因此高温下聚合物介质的击穿以热击穿为主。通过该案例的模拟，学生可以直观地理解不同情况下电场和热场在击穿过程中的作用，掌握不同击穿理论的异同点。

图3 不同发展阶段下的击穿路径形貌

2.3 应用案例3：环氧树脂复合材料击穿过程的模拟

实际电力设备通常采用由多种绝缘介质构成的复合绝缘系统，比如绝缘子的气-固复合绝缘、变压器内的油纸复合绝缘。即使在单种绝缘介质内也存在有意或无意引入的异种介质，比如为了提升绝缘性能添加的纳米填料、因制备工艺不佳在固体与液体绝缘介质 内引入的气泡与杂质[1-2,14]。在分析复合绝缘系统的击穿特性时，需要考虑电场分布的重新分配以及不同介质电气强度的配合，因此本教学实验软件将复合绝缘系统击穿模拟纳入其中。对应的虚拟仿真实验有助于学生理解高电压技术中绝缘沿面闪络、介电常数与电导率在电场分布中的作用、液体介质的气泡与杂质击穿、固体介质气泡内局部放电等内容。

图4 30 ℃下静电与热自由能密度分布

图5 150 ℃下静电与热自由能密度分布

以环氧树脂内掺杂Al2O3纳米填料为例说明复合绝缘结构的击穿特性，Al2O3填料介电常数设置为9.3；由于纳米填料对电荷起到散射与加深陷阱深度的作用，选取填料的临界自由能密度fth高于环氧树脂，得到电场分布与击穿路径仿真结果如图6 和7 所示。由于Al2O3纳米填料介电常数高于环氧树脂，其内部电场强度更低，且填料两侧沿外施电场方向的电场增强。由于纳米填料对电荷的散射及入陷作用，填料对击穿路径起到阻挡作用，如图7 所示，击穿路径绕过填料在基体内发展。

通过改变复合绝缘系统的结构与材料参数，可以分析绝缘配合条件对击穿过程的影响规律，使学生理解不同复合绝缘结构中的击穿特性。比如，将环氧树脂/Al2O3复合材料内的填料替换为气泡时，气泡内电场强度增大，有利于在气泡内产生放电，可以辅助理解局部放电过程与理论的学习。

文章来源：《高电压技术》 网址: http://www.gdyjszzs.cn/qikandaodu/2021/0710/659.html