一種氣體介質的儲能特征與放電電壓預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及氣體放電領域，尤其涉及一種氣體介質的儲能特征與放電電壓預測方 法。
【背景技術】
[0002] 氣體介質(如空氣、六氟化硫等)是電氣設備常用的絕緣介質。目前，電氣設備的絕 緣設計主要依賴于試驗驗證，缺乏完善的絕緣設計理論體系，其根本原因是各類電介質的 放電機理尚未完全被揭示，無法完全通過理論計算獲取電介質的絕緣強度，許多實際的絕 緣問題還必須通過高電壓試驗來解決。試驗研究存在代價高、周期長的問題，且得出的放電 電壓與間隙距離等因素之間的經驗公式往往只適用于特定的絕緣結構，對于復雜的絕緣結 構，難以采用簡單的幾何參數對其進行完整的表征，一旦絕緣結構發生改變就需重復進行 試驗驗證。此外，各類電介質在不同電壓作用下的擊穿機理各不相同，其放電物理過程都極 其復雜，影響因素多種多樣，且隨機性極強，難以形成統一而準確的數學模型，現有的放電 機理研究大都基于各種假說(對放電現象的解釋)而展開，由于研究對象缺乏工程的可測可 控性，研究結論難以直接指導電氣設備的絕緣設計。
[0003] 因此，探索電介質放電理論研究的新途徑，以工程可測、可控的變量為研究對象， 建立一般性的電介質放電電壓預測模型，對于指導電氣設備的絕緣設計，節省開發費用，縮 短開發周期，提高電工裝備的制造水平具有重要意義。
【發明內容】
[0004] 鑒于此，本發明的目的在于，提出一種氣體介質的儲能特征與放電電壓預測方法， 通過計算手段獲取氣體介質的放電電壓，從而支撐電氣設備的絕緣設計。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：
[0006] -種氣體介質的儲能特征與放電電壓預測方法，其特征在于，基于以下定義：
[0007] 氣體介質的儲能特征包括：
[0008] 特征一:空間尺度特征，所述的空間尺度特征為絕緣結構的電場分布特征量，
[0009] 特征二:時間尺度特征，時間尺度特征為加載電壓的波形特征量，
[0010] 特征三:環境因素特征，環境因素特征為氣體介質的氣壓、溫度、濕度；
[0011] 所述的氣體介質包括空氣、六氟化硫、氮氣。
[0012] 該預測方法具體包括：
[0013] 步驟1，基于支持向量機建立預測模型，將空間尺度特征、時間尺度特征和環境因 素特征經過歸一化后作為支持向量機模型的輸入，將絕緣結構在加載電壓下是否擊穿（1 或-1)作為支持向量機模型的輸出。通過試驗獲取少量典型電極(球、棒、板)絕緣結構的放 電電壓Ub，分別定義[(l_a%)Ub，Ub)和[Ub，（l+a%)Ub]為放電區間（1)和未放電區間（-1)，其 中，a%根據允許誤差范圍設定，采用上述典型電極絕緣結構的儲能特征及其對應的輸出（1 或-1)對支持向量機模型進行訓練，并通過優化算法對支持向量機模型進行參數優化。
[0014] 步驟2,采用經過訓練和優化后的支持向量機模型對待預測絕緣結構的放電電壓 進行預測，加載電壓初值Uo,將空間尺度特征、時間尺度特征和環境因素特征作為輸入，得 出對應輸出從-1到1跳變的電壓U，即為待預測絕緣結構的放電電壓。若在加載電壓初值Uo 下的輸出均為-1或均為1，則進一步加載電壓Uo+dU或Uo-dU，直至輸出-1到1的跳變。
[0015] 在上述的一種氣體介質的儲能特征與放電電壓預測方法，所述的空間尺度特征根 據絕緣結構高、低壓端的空間位置，包括放電通道和放電路徑兩大類，所述的放電通道為高 壓端與低壓端之間的空間區域，所述的放電路徑為高壓端與低壓端之間最短距離所在的路 徑。具體地，放電通道類特征量包括放電通道內的場強最大值E m、場強平均值Ea、場強畸變率 Ed、電場能量W、能量密度Wd、超過X %最大場強區域所占體積的比例Vrx及其所占能量的比例 Wrx、超過24kV/cm和7kV/cm的區域所占體積的比例Vr24、Vr7和所占能量的比例Wr24、W r7;放電 路徑類特征量包括放電路徑上的電場梯度最大值E' max、最小值E' min和平均值E' _、超過X% 電場梯度最大值的路徑長度所占間距的比例E' rx、場強值超過24kV/cm、7kV/cm的路徑長度 L24、L7及其所占間距的比例Lr24、Lr7。上述的X%分別取90%、75%、50%和25%。
[0016] 在上述的一種氣體介質的儲能特征與放電電壓預測方法，所述的時間尺度特征包 括電壓波形基本特征量和附加特征量，所述的電壓波形為模擬雷電沖擊或操作沖擊的雙指 數波。具體地，基本特征量包括沖擊電壓幅值IW、波前時間Tf、半峰值時間T2、電壓波形上升 率dU/dt、電壓波形積分S;附加特征量包括波前階段x%U max時刻的斜率kx、超過x%Umax的時 間間隔Tx、超過X % IW的波前時間間隔Tfx、超過X % 的波形區域電壓積分Sx、超過X % IW 的波前部分電壓積分Sfx。上述的X%分別取90%、75%和60%。
[0017] 因此，本發明具有如下優點：本發明采用支持向量機建立氣體介質的放電電壓預 測模型，將可控、可計算的儲能特征作為模型的輸入參量，通過支持向量機模型預測得到絕 緣結構的放電電壓，避免了復雜的氣體放電過程研究，有助于指導電氣設備的絕緣優化設 計。
【附圖說明】
[0018] 附圖1是本發明的方法流程示意圖。
[0019] 附圖2是本發明實施例中棒-板空氣間隙放電通道與放電路徑示意圖。
[0020] 附圖3是本發明實施例中一組棒-線空氣間隙操作沖擊50%放電電壓預測值與試 驗值對比圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0022] 實施例：
[0023] 圖1所示為本發明實施例的氣體介質放電電壓預測方法流程示意圖，本發明包括 如下步驟：
[0024] 步驟1:選取若干典型電極絕緣結構放電電壓試驗數據作為訓練樣本，對其進行電 場仿真計算并提取空間尺度特征（電場特征量），對加載電壓波形進行計算機模擬并提取時 間尺度特征(電壓波形特征量），將空間尺度特征和時間尺度特征進行歸一化。
[0025] 本實施例中，選取棒-導線空氣間隙作為待預測絕緣結構，即測試樣本，對其在正 極性80/2500ys操作沖擊電壓波形作用下的50%放電電壓進行預測;選取棒-板空氣間隙和 棒-棒空氣間隙兩種典型電極絕緣結構的50%放電電壓試驗數據作為訓練樣本。其中，高壓 棒電極為長15m、直徑6cm的圓鋼棒，其頭部為一直徑8cm的圓球;板電極為邊長20m的正方形 鋼板，并置于邊長50m的接地扁鋼網上;低壓棒電極為長4.5m、直徑6cm的圓鋼棒，其底部良 好接地;導線電極采用縮比后的8分裂導線，子導線直徑為2.7_，子導線間隔距離為3.2cm， 距地面高度為4.5m，線電極良好接地。
[0026] 表1為本實施例中選取的訓練樣本和測試樣本集，其50 %放電電壓試驗值來源于 文獻《長間隙放電特性試驗研究及在防雷中的應用》(武漢大學博士學位論文，作者:王羽）。 首先，根據各個絕緣結構尺寸參數，定義放電通道和放電路徑。對于本實施例中的棒-板、 棒-棒、棒-導線空氣間隙，放電路徑為高、低壓電極之間最短距離所在的路徑，放電通道為 高、低壓電極之間的圓柱形空間區域，該圓柱的軸線為高、低壓電極之間的中心軸線，截面 半徑為高、低壓電極中直徑較小的電極半徑，例如，棒-板空氣間隙的放電通道為棒、板電極 之間以棒電極端部球半徑為半徑的圓柱形空間區域，如圖2所示。然后，采用ANSYS軟件建立 上述絕緣結構在各個間隙距離下的有限元模型，對其進行靜電場仿真計算，對電場計算結 果進行后處理并提取絕緣結構的空間尺度特征（電場特征量），包括放電通道和放電路徑上 的特征量，共28個，如表2所示。
[0027] 表1為訓練樣本和測試樣本集
[0028]