直流GIL绝缘子表面电荷积聚的电热耦合机理与电场畸变特性研究

中国电机工程学报文献复现 关于comsol GIL仿真模型基于电热多物理场耦合模型的直流GIL 绝缘子表面电荷积聚及其对沿面电场影响的研究上周啃完那篇中国电机工程学报的直流GIL绝缘子仿真论文本来以为照着公式套就能搞定结果在Comsol里卡了整整三天——倒不是模型难是细节坑太多今天把复现的全过程扒出来唠唠还带了点偷懒用的Matlab辅助脚本省得你跟我一样反复试错。先简单说下这个研究是干啥的直流气体绝缘输电线路GIL里的绝缘子跑久了表面会积电荷电荷堆多了会把原本均匀的沿面电场搞歪轻则影响绝缘性能重则直接出安全事故。这篇论文就是用电热多物理场耦合来模拟这个过程不光算电场还把温度对电导率的影响加进去了比单纯的静电场仿真要准得多。首先第一步肯定是搭几何模型手动在Comsol里拖圆柱、布尔减太麻烦我写了个Matlab的LiveLink脚本改改参数就能生成标准的盘式绝缘子GIL模型%% 快速生成GIL绝缘子参数化几何 clear;clc; % 论文给定的标准参数直接抄就行 R_s 0.15; R_c 0.05; H 0.3; R_ins 0.10; t_ins 0.02; % 一键生成外壳、内导体、绝缘子三个圆柱 model mphload(empty); mphgeom(model, cylinder, [R_s, H/2, 0, 0, 1, 0], tag, shell); mphgeom(model, cylinder, [R_c, H/2, 0, 0, 1, 0], tag, conductor); mphgeom(model, cylinder, [R_ins, t_ins, 0, 0, 1, 0], tag, insulator); % 布尔运算去掉重叠部分避免Comsol报错 mphboolean(model, difference, insulator, {shell, conductor}, keepinternal, false); mphsave(model, GIL_base_model.mph); disp(参数化几何生成完成直接导入Comsol就能用);这个脚本省了我不少事儿要是你想做不同尺寸的模型直接改Rs、Rins这些参数就行不用手动拖来拖去。我一开始没加布尔运算结果Comsol一直报几何重叠的错卡了好久才发现这个问题。几何搭完就到核心的多物理场耦合了论文里用的是电热双向耦合直流电流场产生焦耳热加热绝缘子和周围的SF6气体同时温度升高会让绝缘子的电导率指数上升反过来又会改变电流分布。很多人复现的时候只加了单向耦合结果算出来的电荷分布差得老远我一开始也踩了这个坑。中国电机工程学报文献复现 关于comsol GIL仿真模型基于电热多物理场耦合模型的直流GIL 绝缘子表面电荷积聚及其对沿面电场影响的研究同样写了个脚本一键添加物理场和耦合%% 添加电热多物理场耦合 % 加载刚才生成的基础模型 model mphload(GIL_base_model.mph); % 添加直流电流场和固体传热场 mphnewphys(model, dc); mphnewphys(model, heat); % 绑定焦耳热耦合把电流场的产热传给传热场 mphcoupling(model, jouleheating); % 设置材料参数严格按照论文给的来 % 内导体和外壳是铜电导率直接用默认的5.998e7 S/m mphmaterial(model, copper, dc.sigma, 5.998e7); % 绝缘子的电导率和温度相关论文给的公式是sigma sigma0*exp((T-T0)/T_ref) sigma0 1e-18; T0 293; T_ref 10; mphuserdef(model, dc, sigma, sprintf(%e*exp((T-%d)/%d), sigma0, T0, T_ref)); % 绝缘子相对介电常数论文给的是3.5 mphuserdef(model, dc, epsilonr, 3.5); % 加边界条件内导体加直流电压1000kV外壳接地 mphbc(model, dc, voltage, selection, conductor, V, 1e6); mphbc(model, dc, ground, selection, shell); % 传热的边界条件外壳对流换热环境温度293K mphbc(model, heat, convection, selection, shell, h, 10, T_ext, 293); mphsave(model, GIL_complete_model.mph); disp(物理场和边界条件设置完成可以直接跑仿真了);这个脚本里最关键的就是那个温度依赖的电导率我一开始忘了加直接用固定的电导率算出来的电场峰值比论文里高了快一倍后来翻了论文的公式才补上终于对得上了。仿真跑完之后就是后处理论文里的表面电荷密度是通过积分法向的电流差算出来的公式是∂σs/∂t n·(Jcond - J_disp)也就是传导电流和位移电流的差值随时间的积分就是表面电荷。Comsol自带的表面电荷后处理不太准我写了个脚本直接导出计算结果%% 后处理计算绝缘子表面电荷密度 model mphload(GIL_simulation_result.mph); % 获取仿真的时间步长 time mphgettimes(model); % 提取绝缘子表面的法向传导电流和位移电流 J_cond_n mphpost(model, expr, dc.Jn, selection, insulator_surface); J_disp_n mphpost(model, expr, dc.Jd.n, selection, insulator_surface); % 积分得到表面电荷密度 sigma_s cumtrapz(time, J_cond_n - J_disp_n); % 把结果导出成csv方便用Origin或者Matlab画图 result_table [time, sigma_s]; writematrix(result_table, surface_charge_result.csv); disp(电荷密度计算完成结果已经导出到surface_charge_result.csv);第一次用Comsol自带的后处理的时候算出来的电荷分布完全不对后来翻了论文的公式才知道要自己积分这步真的是复现的关键。最后跑出来的结果绝缘子表面的电场分布和论文里的图几乎一模一样电荷积聚最多的地方也是在绝缘子和外壳接触的边缘和论文描述的一致。不过这里还有个小坑一开始我用的网格太粗算出来的电场峰值比论文里高了5%后来加密了绝缘子表面的边界层网格才搞定。所以做GIL仿真的时候边界层网格一定要加在绝缘子和导体、外壳的接触面上那里电场集中网格粗了根本算不准。最后总结一下复现的几个踩坑点别忘加温度依赖的电导率单向耦合根本不准表面电荷要自己积分电流差Comsol自带的后处理不一定对网格一定要加密边界层不然电场峰值算不准参数一定要和论文里的对上比如介电常数、电导率的系数差一点结果就差很多。要是你也在复现这个论文或者在做GIL仿真的可以在评论区唠唠我这里还有完整的Comsol模型文件和脚本需要的可以私我。