[发明专利]一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法

权利要求书

1.一种大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)搭建正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台，采集放电过程高电位电流i(t)和空间电场强度E(t)数据；

S2)对所述高电位电流i(t)中的放电电流i_f(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQ_f(t)；

S3)统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQ_s(t)导致的电场强度跃升增量ΔE_s(t)；

S4)利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律；

步骤S1)中所述正极性操作冲击下大尺寸电极放电过程高电位电流、空间电场强度联合监测平台包括大尺寸-板电极(1)、高电位电流测量系统(2)和空间电场强度测量系统，其中：

所述大尺寸-板电极(1)包括大尺寸电极(1-1)和板电极(1-2)，所述大尺寸电极(1-1)与所述板电极(1-2)之间形成长空气间隙，所述大尺寸电极(1-1)为高电位且所述板电极(1-2)为低电位，用于放电击穿长空气间隙；

所述高电位电流测量系统(2)包括依次连接的采样电阻、NI数据采集卡、电-光-电转换装置、同轴光纤以及计算机端(4)，在间隙放电过程中，所述采样电阻将流经间隙的高电位电流信号转化为电压信号，由所述NI数据采集卡对所述电压信号进行采集，通过所述电-光-电转换装置，由所述同轴光纤将信号传输至所述计算机端(4)，所述计算机端(4)利用计算机软件读取和分析所述高电位电流测量系统传输过来的高电位电流数据；

所述空间电场强度测量系统包括光电集成电场传感器(3)、保偏光纤，所述光电集成电场传感器(3)通过所述保偏光纤与示波器(5)电性连接，所述光电集成电场传感器(3)以Mach-Zehnder干涉仪为基本结构，根据铌酸锂LiNbO3晶体的光电效应进行大尺寸电极长间隙放电的空间电场强度测量，并通过所述保偏光纤将光信号传送至所述示波器(5)，所述示波器(5)用于收集和储存空间电场强度数据；

所述高电位电流测量系统(2)串联在放电间隙高压侧，光电集成电场传感器(3)放置高度位于放电间隙内部；

步骤S2)所述对所述高电位电流i(t)中的放电电流i_f(t)进行分时积分，获得初始流注阶段各时刻注入正电极端自由电荷增量ΔQ_f(t)，具体包括：

计算所述高电位电流i(t)中的容性位移电流i_d(t)：

其中，C_g表示放电电极间的几何电容，u(t)表示外施电压，t表示不同时刻；

计算放电电流i_f(t)为：

i_f(t)＝i(t)-i_d(t)；

在初始流注阶段对放电电流i_f(t)在不同时刻单位时间Δt内进行积分获得各时刻注入自由电荷增量ΔQ_f(t)：

步骤S3)所述统计初始流注阶段各时刻空间电场强度跃升增量ΔE(t)，根据电荷守恒原理获得各时刻空间电荷增量ΔQ_s(t)导致的电场强度跃升增量ΔE_s(t)，具体包括：

在初始流注阶段空间电场强度跃升由空间滞留的正电荷和外施电压的增加产生，计算各时刻空间电荷增量ΔQ_s(t)导致的电场强度跃升增量ΔE_s(t)：

ΔE_s(t)＝ΔE(t)-ΔE_e(t)；

其中，ΔE(t)表示各时刻空间电场强度跃升增量，ΔE_e(t)表示各时刻外施电压产生的电场强度跃升；

初始流注阶段，强烈碰撞电离产生大量正电荷和自由电子，正电荷相对自由电子质量较大，向负极板移动缓慢，而自由电子质量较轻，在电场力的作用下快速通过流注丝汇聚于流注丝根部即流注茎后迅速注入正电极端，空间滞留的正电荷，导致空间电场强度迅速跃升，根据电荷守恒原理，各时刻空间电荷增量ΔQ_s(t)与注入自由电荷增量ΔQ_f(t)相等，则获得各时刻空间电荷增量ΔQ_s(t)导致的电场强度跃升增量ΔE_s(t)：

ΔQ_s(t)＝ΔQ_f(t)，

其中，ε表示介电常数，取值为8.85×10-12F/m，R表示初始流注头部到光电集成电场传感器的距离。

2.根据权利要求1所述的大尺寸电极初始流注阶段空间电荷动态分布计算方法，其特征在于，步骤S4)所述利用模拟电荷法反演各时刻空间电荷分布情况，获得正极性大尺寸电极放电初始流注阶段空间电荷动态分布变化规律，具体包括：

根据计算得到的所述各时刻空间电荷增量ΔQ_s(t)，在放电间隙内部配置模拟电荷的数量和位置，使用模拟电荷法等效计算空间电场强度模拟增量ΔE_s'(t)与试验获得的所述各时刻空间电场强度增量ΔE_s(t)进行匹配，实时调整模拟电荷的位置以及数量，从而获得空间电荷动态分布规律。