学术简报︱电气设备局部放电电磁传播计算的新方法，计算效率提高61.68倍
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学） 、深圳供电局有限公司的研究人员杨旗、杨帆、高兵、黄鑫、余鹏，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于惠更斯原理的电气设备局部放电电磁传播计算方法”），为解决放电源大小与设备尺寸不可比拟网格剖分带来的数值计算效率低和内存消耗大的问题，提出一种基于惠更斯原理的计算电气设备局部放电电磁传播方法。
第一步将包围放电源的近场空间进行精细化剖分计算得到闭合表面电磁场值；第二步将该电磁场数据作为等效源导入目标域，由于等效源极大地提高了最小空间网格尺寸，从而快速计算得到无源区电磁场传播特性。该文首先以自由空间局部放电电磁传播为例，验证了所提出的等效源模型的准确性与计算效率。最后，利用该方法实现大尺寸、复杂结构的干式变压器内部局部放电电磁传播计算，并得到基于惠更斯原理计算的峰值内存消耗降低为非均匀网格计算的35.45%，计算效率提高了61.68倍。
通过算例表明，采用惠更斯原理的计算方法为计算大尺寸电气设备内部局部放电电磁传播规律提供了参考。
电气设备绝缘性能作为电网运行可靠性关键要素之一，在设备的制造、安装以及运行过程中，往往产生一些不可逆的缺陷，导致局部电场集中，引发局部放电。如果局部放电没有被及时发现和处理，极易导致发生绝缘击穿等故障。围绕电气设备局部放电，学者们提出了化学诊断、温度检测、超声波检测以及超高频检测等方法。其中超高频法因其抗干扰、灵敏度高的优点成为近年来研究的热点。
获取局部放电超高频电磁信号传播规律是开展超高频检测的前提。为研究电气设备内部局部放电超高频电磁信号传播特征，学者们主要采用时域有限差分方法开展了局部放电信号在气体绝缘开关设备、变压器等设备中的传播规律研究。
但在数值计算过程中，一方面考虑到局部放电源的大小与电气设备尺寸不可比拟，难以构建精确放电源模型，其被简化为适应色散条件下最小网格的硬源，这样构建的放电源大小也在cm级。同时超高频电磁波信号波长在有限尺寸的电气设备内传播往往处于近场范畴。
在这种情况下，采用硬源模型忽略了放电源本身的方向性与传播近场范围的波动特征，从而降低了数值计算的准确性。另一方面，如果直接采用较小网格剖分电气设备目标空间，往往会造成网格数量激增，计算机内存溢出等问题；而采用非均匀网格方法，即在放电源等局部目标区域采用细网格剖分，全局采用粗网格，尽管该方法在一定程度上降低了网格数量，但在计算大尺寸复杂结构的设备电磁传播时由于仿真时间步长取决于最小网格尺寸，依然存在内存消耗过多，计算时间冗长等问题。
为提高大尺寸空间中波源到目标空间传播计算效率，国内许多学者率先根据地震波传播过程的运动学和动力学特征，利用惠更斯原理实现了复杂介质中地震波场的快速计算。同样地，在生物医电领域为提高三维声场仿真计算效率，基于惠更斯原理快速获取了辐射空间中声场分布。在计算电磁学中，惠更斯原理主要被用于实现电大尺寸天线阵列和低频电磁波远距离传播的快速计算。
针对目前电气设备内部局部放电超高频电磁传播计算的局限性和惠更斯原理计算的优越性，本文将惠更斯原理引入电气设备内部局部放电电磁传播计算。文中通过将该方法与直接采用非均匀网格计算自由空间中的电磁仿真结果进行对比，验证了采用宽频等效源计算方法的有效性与准确性。
以干式变压器内部放电电磁传播计算为例，通过对比计算结果表明：采用基于惠更斯原理的计算方法显著提高了仿真计算效率并降低了计算内存需求。该方法为实现计算大尺寸、复杂结构的电气设备内部放电电磁传播特性提供了重要参考。
图1 局部放电传播的惠更斯计算示意图
本文提出了一种基于惠更斯原理的计算大尺寸、复杂结构的电气设备内部局部放电电磁传播效率的方法。该方法通过对包含放电源的近场区域进行精细化剖分并计算得到表面空间电磁场分布，再将该电磁场值作为等效源导入目标空间，计算电磁波传播规律。
文中通过对自由空间中放电电磁传播算例验证了该方法的准确性，提高计算效率和降低内存消耗的优势。将该方法应用于大尺寸干式变压器内部局部放电电磁传播计算，得到采用惠更斯原理的间接计算方法的内存消耗降低为非均匀网格计算的35.45%，计算时间效率提高了61.68倍。该方法为计算大尺寸、复杂结构的电气设备内部放电电磁传播中仿真效率的提高和内存消耗的降低提供了参考。