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電氣設(shè)備絕緣性能作為電網(wǎng)運(yùn)行可靠性關(guān)鍵要素之一，在設(shè)備的制造、安裝以及運(yùn)行過程中，往往產(chǎn)生一些不可逆的缺陷，導(dǎo)致局部電場(chǎng)集中，引發(fā)局部放電。如果局部放電沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，極易導(dǎo)致發(fā)生絕緣擊穿等故障。圍繞電氣設(shè)備局部放電，學(xué)者們提出了化學(xué)診斷、溫度檢測(cè)、超聲波檢測(cè)以及超高頻檢測(cè)等方法。其中超高頻法因其抗干擾、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)成為近年來研究的熱點(diǎn)。

獲取局部放電超高頻電磁信號(hào)傳播規(guī)律是開展超高頻檢測(cè)的前提。為研究電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電超高頻電磁信號(hào)傳播特征，學(xué)者們主要采用時(shí)域有限差分方法開展了局部放電信號(hào)在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備、變壓器等設(shè)備中的傳播規(guī)律研究。

但在數(shù)值計(jì)算過程中，一方面考慮到局部放電源的大小與電氣設(shè)備尺寸不可比擬，難以構(gòu)建精確放電源模型，其被簡(jiǎn)化為適應(yīng)色散條件下最小網(wǎng)格的硬源，這樣構(gòu)建的放電源大小也在cm級(jí)。同時(shí)超高頻電磁波信號(hào)波長(zhǎng)在有限尺寸的電氣設(shè)備內(nèi)傳播往往處于近場(chǎng)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(chǎng)范圍的波動(dòng)特征，從而降低了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。另一方面，如果直接采用較小網(wǎng)格剖分電氣設(shè)備目標(biāo)空間，往往會(huì)造成網(wǎng)格數(shù)量激增，計(jì)算機(jī)內(nèi)存溢出等問題；而采用非均勻網(wǎng)格方法，即在放電源等局部目標(biāo)區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格剖分，全局采用粗網(wǎng)格，盡管該方法在一定程度上降低了網(wǎng)格數(shù)量，但在計(jì)算大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)備電磁傳播時(shí)由于仿真時(shí)間步長(zhǎng)取決于最小網(wǎng)格尺寸，依然存在內(nèi)存消耗過多，計(jì)算時(shí)間冗長(zhǎng)等問題。

為提高大尺寸空間中波源到目標(biāo)空間傳播計(jì)算效率，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者率先根據(jù)地震波傳播過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，利用惠更斯原理實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜介質(zhì)中地震波場(chǎng)的快速計(jì)算。同樣地，在生物醫(yī)電領(lǐng)域?yàn)樘岣呷S聲場(chǎng)仿真計(jì)算效率，基于惠更斯原理快速獲取了輻射空間中聲場(chǎng)分布。在計(jì)算電磁學(xué)中，惠更斯原理主要被用于實(shí)現(xiàn)電大尺寸天線陣列和低頻電磁波遠(yuǎn)距離傳播的快速計(jì)算。

針對(duì)目前電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電超高頻電磁傳播計(jì)算的局限性和惠更斯原理計(jì)算的優(yōu)越性，本文將惠更斯原理引入電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電電磁傳播計(jì)算。文中通過將該方法與直接采用非均勻網(wǎng)格計(jì)算自由空間中的電磁仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了采用寬頻等效源計(jì)算方法的有效性與準(zhǔn)確性。

以干式變壓器內(nèi)部放電電磁傳播計(jì)算為例，通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果表明：采用基于惠更斯原理的計(jì)算方法顯著提高了仿真計(jì)算效率并降低了計(jì)算內(nèi)存需求。該方法為實(shí)現(xiàn)計(jì)算大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電氣設(shè)備內(nèi)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(jì)算示意圖

結(jié)論

本文提出了一種基于惠更斯原理的計(jì)算大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電電磁傳播效率的方法。該方法通過對(duì)包含放電源的近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化剖分并計(jì)算得到表面空間電磁場(chǎng)分布，再將該電磁場(chǎng)值作為等效源導(dǎo)入目標(biāo)空間，計(jì)算電磁波傳播規(guī)律。

文中通過對(duì)自由空間中放電電磁傳播算例驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，提高計(jì)算效率和降低內(nèi)存消耗的優(yōu)勢(shì)。將該方法應(yīng)用于大尺寸干式變壓器內(nèi)部局部放電電磁傳播計(jì)算，得到采用惠更斯原理的間接計(jì)算方法的內(nèi)存消耗降低為非均勻網(wǎng)格計(jì)算的35.45%，計(jì)算時(shí)間效率提高了61.68倍。該方法為計(jì)算大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電氣設(shè)備內(nèi)部放電電磁傳播中仿真效率的提高和內(nèi)存消耗的降低提供了參考。