[发明专利]一种多介质工频电场分布的自适应快速确定方法

摘要

本发明涉及一种多介质工频电场分布的自适应快速确定方法，步骤是：1.参数的获取：获取设置在变电站内工作走廊附近的各种介质的几何参数几何尺寸和空间坐标位置；测量各种介质的相对介电常数；2.工频电场的确定：包括工频电场物理模型的建立与剖分、构建数据存储结构、工频电场物理模型中各节点电场值的确定等；3.绘制空间电场等位线分布图。本发明可判定距离地面1.8米及以下区域工频电场值是否超过国家规定的限值4KV/m；本发明在内存需求量比常规法低至少70％；在计算时间上比常规法缩短50％；在计算精度上比常规法高5％。应用于对现场工频电场的快速确定与评估，及输变电安全设计。

主权项

一种多介质工频电场分布的自适应快速确定方法，其特征在于：方法包括以下步骤：1)、参数的获取a)、采用具有串口通信功能的红外测距仪获取设置在变电站内工作走廊附近的各种介质的几何尺寸和空间坐标位置；所述各种介质的几何尺寸和相对所述工作走廊起点的空间坐标位置，包括：含刀闸的设备的几何尺寸和空间坐标位置是设备总高度、支柱高度、绝缘高度、支柱半径、绝缘半径、横刀高度、绝缘片数、刀闸间距和刀闸支柱中心距离变电站工作走廊起点的水平和垂直距离；含断路器的设备的几何尺寸和空间坐标位置是设备总高度、支柱高度、绝缘高度、支柱半径、绝缘半径、绝缘片数和断路器支柱中心距离变电站工作走廊起点的水平和垂直距离；含电压互感器的设备的几何尺寸和空间坐标位置是设备总高度、支柱高度、绝缘高度、支柱半径、绝缘半径、绝缘片数和电压互感器支柱中心距离变电站工作走廊起点的水平和垂直距离；含母线的设备的几何尺寸和空间坐标位置是设备总高度、支柱高度、绝缘高度、支柱半径、绝缘半径和母线支柱中心距离变电站工作走廊起点的水平和垂直距离；含避雷器的设备的几何尺寸和空间坐标位置是设备总高度、支柱高度、绝缘高度、支柱半径、绝缘半径和避雷器支柱中心距离变电站工作走廊起点的水平和垂直距离；b)、采用具有串口通信功能的介电常数测量仪测量各种介质的相对介电常数；所述相对介电常数分别是：刀闸、断路器、电压互感器、母线或避雷器的设备中绝缘部分、支柱部分和设备部分的介电常数与空气的介电常数的比值，所述设备部分为刀闸、断路器、电压互感器、母线或避雷器本身；2)、工频电场的确定a)、工频电场物理模型的建立与剖分：将采集到的介质几何尺寸和空间坐标位置、以及各种介质的相对介电常数构建物理模型，即采用美国Altair公司的市售软件产品Hypermesh绘制包裹所述介质的支柱部分、绝缘部分及设备部分三维图形；由所述软件自动对所得三维图形进行自适应剖分；自动进行几何剖分得到构成物理模型的节点数(L)和单元数(M)，所述节点数(L)表示该模型运用了L个三维空间点来描述所有介质，所述单元数(M)表示该模型运用了M个三维空间平面来描述所有介质，分别用数组(A)和(B)存储节点和单元基本信息，数组(A)中的每一行对应一个节点的编号和该点相对前述工作走廊起点的三维空间的坐标值，数组(B)中的每一行对应一个单元的编号和前述3个不同节点的编号来描述某个介质的部分空间信息所有单元的信息构成整个求解区域；b)、构建数据存储结构：利用前述节点基本信息数组(A)和单元基本信息数组(B)构建八叉树结构，对前述整个求解区域进行分解，所述八叉树结构中每个点是一个正方体包含的介质的单元信息，分解的正方体的个数为N；每个正方体的多极子动量矩用数组(E)来表示，数组(E)的大小为N×10×10，其中N为分解的正方体的个数，c)、工频电场物理模型中各节点电场值的确定给定每个节点的电场值初始向量，并保存在数组(D)中，数组(D)的大小为L；工频电场物理模型中某节点电场值的确定由该节点所在立方体的近亲贡献Gji和远亲贡献Fjlm叠加而成；每个立方体的近亲贡献Gji通过(1)式进行确定 G ji = ∫ S i σ ( y ) G ( x , y ) dS - - - ( 1 ) 式中：si为第i个单元，G(x，y)为三维的格林函数；而远亲贡献Fjlm通过以下步骤进行确定：逐层聚合：逐层聚合是指从八叉树结构的叶子结点开始，逐层向上聚合。根据以上形成的节点信息数组A、单元信息数组B、以及节点电场强度初始值数组D，对于八叉树结构中任意一个叶子j由(2)式确定该单元在前述的叶子结点中心的多极子动量矩，并将叶子结点内其他单元在叶子结点中的多极子动量矩进行累加，形成该叶子结点内所有单元在叶子中心的多极子动量矩三维数组(E)； E jlm ( y 0 ) = Σ i = 1 N ∫ S i R lm ( y , y 0 ) σ ( y ) dS - - - ( 2 ) 其中y0为正方体的中心坐标，W为正方体内单元的个数，si为第i个单元，Ejlm(y0)为第j个立方体在中心y0的lm阶多极子动量矩，l和m的取值范围分别为0～9；然后从前述的八叉树的叶子结点开始，按照(3)式将前述的八叉树中每个立方体的多极子动量矩传递到其父结点中心的多极子动量矩Ejlm，直到八叉树结构的第二层结点的多极子动量矩确定完为止； E jlm ( y ′ ) = Σ l ′ = 0 l Σ m ′ = - l ′ l ′ ( - 1 ) R l ′ m ′ ( y 0 , y ′ ) E ( j ) ( l - l ′ ) ( m - m ′ ) ( y 0 ) - - - ( 3 ) 其中y′为父结点立方体中心坐标。逐层转移和发散：用数组F存储八叉树结构中每个立方体的转移和发散系数Fjlm，其大小为N×10×10；利用多极子动量矩三维数组E中的数据，对八叉树结构中大于两层的立方体，通过(4)式进行确定其远亲交互集转移系数Fjlm； F jlm ( x ′ ) = ( - i ) | m | ( l - m ) ! ( l + m ) ! Σ l ′ = 1 l Σ m ′ = 1 m V l ′ , m ′ ( x ′ ) e im - - - ( 4 ) 其中x′为转移立方体的中心。然后从第二层立方体开始，通过(5)式将前述的八叉树的每个立方体的远亲交互集转移系数发散到其子结点立方体中心，直到树结构的底层为止，形成每个立方体的发散系数Fjlm； F jlm ( x 0 ) = Σ l ′ = 0 ∞ Σ m ′ = - l ′ l ′ F jl ′ m ′ ( x ′ ) R ( l - l ′ ) ( m - m ′ ) ( x 0 , x ′ ) - - - ( 5 ) 其中x0表示前述的八叉树的叶子结点立方体中心；这样，由前面确定的结点所在立方体近亲贡献Gji和远亲贡献Fjlm叠加形成物理模型中各节点电场值向量X，如(6)式所示。 X = Σ q Σ i ∈ W q q i G ji + (6) Σ q Σ i ∈ W q 1 4 π Σ l = 0 ∞ Σ m = - l l R lm ( x , x 0 ) × F jlm ( x 0 ) d、通过前述的每个节点电场值初始向量D与前述的工频电场物理模型中各节点电场值向量X的差值，确定差值的范数，如果小于10-9，则达到计算精度，停止计算，否则重复步骤c)，直到差值的范数小于10-9为止；3)、绘制空间电场等位线分布图根据d)中满足确定精度的物理模型中各节点电场值向量X与步骤2)a)中节点信息数组A的一一对应关系，绘制出由工作走廊起点开始，沿工作走廊方向的竖直平面上的电场等位线分布图；判定距离地面1.8米及以下区域工频电场值是否超过国家规定的限值4KV/m，超过限值4KV/m即为工作走廊的工频电场超标。