- 頭條計算效率提高61.68倍！電氣設備局部放電電磁傳播計算的新方法2021-01-09 作者：楊旗 楊帆 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 、深圳供電局有限公司的研究人員楊旗、楊帆、高兵、黃鑫、余鵬，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于惠更斯原理的電氣設備局部放電電磁傳播計算方法”），為解決放電源大小與設備尺寸不可比擬網格剖分帶來的數值計算效率低和內存消耗大的問題，提出一種基于惠更斯原理的計算電氣設備局部放電電磁傳播方法。 第一步將包圍放電源的近場空間進行精細化剖分計算得到閉合表面電磁場值；第二步將該電磁場數據作為等效源導入目標域，由于等效源極大地提高了最小空間網格尺寸，從而快速計算得到無源區電磁場傳播特性。該文首先以自由空間局部放電電磁傳播為例，驗證了所提出的等效源模型的準確性與計算效率。最后，利用該方法實現大尺寸、復雜結構的干式變壓器內部局部放電電磁傳播計算，并得到基于惠更斯原理計算的峰值內存消耗降低為非均勻網格計算的35.45%，計算效率提高了61.68倍。 通過算例表明，采用惠更斯原理的計算方法為計算大尺寸電氣設備內部局部放電電磁傳播規律提供了參考。
電氣設備絕緣性能作為電網運行可靠性關鍵要素之一，在設備的制造、安裝以及運行過程中，往往產生一些不可逆的缺陷，導致局部電場集中，引發局部放電。如果局部放電沒有被及時發現和處理，極易導致發生絕緣擊穿等故障。圍繞電氣設備局部放電，學者們提出了化學診斷、溫度檢測、超聲波檢測以及超高頻檢測等方法。其中超高頻法因其抗干擾、靈敏度高的優點成為近年來研究的熱點。
獲取局部放電超高頻電磁信號傳播規律是開展超高頻檢測的前提。為研究電氣設備內部局部放電超高頻電磁信號傳播特征，學者們主要采用時域有限差分方法開展了局部放電信號在氣體絕緣開關設備、變壓器等設備中的傳播規律研究。
但在數值計算過程中，一方面考慮到局部放電源的大小與電氣設備尺寸不可比擬，難以構建精確放電源模型，其被簡化為適應色散條件下最小網格的硬源，這樣構建的放電源大小也在cm級。同時超高頻電磁波信號波長在有限尺寸的電氣設備內傳播往往處于近場范疇。
在這種情況下，采用硬源模型忽略了放電源本身的方向性與傳播近場范圍的波動特征，從而降低了數值計算的準確性。另一方面，如果直接采用較小網格剖分電氣設備目標空間，往往會造成網格數量激增，計算機內存溢出等問題；而采用非均勻網格方法，即在放電源等局部目標區域采用細網格剖分，全局采用粗網格，盡管該方法在一定程度上降低了網格數量，但在計算大尺寸復雜結構的設備電磁傳播時由于仿真時間步長取決于最小網格尺寸，依然存在內存消耗過多，計算時間冗長等問題。
為提高大尺寸空間中波源到目標空間傳播計算效率，國內許多學者率先根據地震波傳播過程的運動學和動力學特征，利用惠更斯原理實現了復雜介質中地震波場的快速計算。同樣地，在生物醫電領域為提高三維聲場仿真計算效率，基于惠更斯原理快速獲取了輻射空間中聲場分布。在計算電磁學中，惠更斯原理主要被用于實現電大尺寸天線陣列和低頻電磁波遠距離傳播的快速計算。
針對目前電氣設備內部局部放電超高頻電磁傳播計算的局限性和惠更斯原理計算的優越性，本文將惠更斯原理引入電氣設備內部局部放電電磁傳播計算。文中通過將該方法與直接采用非均勻網格計算自由空間中的電磁仿真結果進行對比，驗證了采用寬頻等效源計算方法的有效性與準確性。
以干式變壓器內部放電電磁傳播計算為例，通過對比計算結果表明：采用基于惠更斯原理的計算方法顯著提高了仿真計算效率并降低了計算內存需求。該方法為實現計算大尺寸、復雜結構的電氣設備內部放電電磁傳播特性提供了重要參考。
圖1 局部放電傳播的惠更斯計算示意圖
結論
本文提出了一種基于惠更斯原理的計算大尺寸、復雜結構的電氣設備內部局部放電電磁傳播效率的方法。該方法通過對包含放電源的近場區域進行精細化剖分并計算得到表面空間電磁場分布，再將該電磁場值作為等效源導入目標空間，計算電磁波傳播規律。
文中通過對自由空間中放電電磁傳播算例驗證了該方法的準確性，提高計算效率和降低內存消耗的優勢。將該方法應用于大尺寸干式變壓器內部局部放電電磁傳播計算，得到采用惠更斯原理的間接計算方法的內存消耗降低為非均勻網格計算的35.45%，計算時間效率提高了61.68倍。該方法為計算大尺寸、復雜結構的電氣設備內部放電電磁傳播中仿真效率的提高和內存消耗的降低提供了參考。
