本发明属于高压绝缘材料，特别是涉及到一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法。
背景技术：
1、随着社会经济的飞速发展，我国的用电量需求逐年递增。气体封闭金属开关是目前特高压直流变电线路的关键设备，但随着输电等级的提升，gis的故障率显著提升。盆式绝缘子是gis的支撑和绝缘部件，其气-固界面易发生表面电荷积聚，引发盆式绝缘子沿面放电，从而导致gis绝缘失效。
2、在低温环境下，由于gis内外温差较大，会在盆式绝缘子上形成温度梯度，而绝缘子的电导率会随着温度发生变化，会加剧盆式绝缘子表面电荷积聚，从而导致gis绝缘失效。
3、因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，为gis低温环境下运维提供理论依据，解决在低温环境下gis盆式绝缘子绝缘失效的技术问题。
2、一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
3、s1：以gis盆式绝缘子为研究对象绘制几何模型；
4、s2：根据gis母线材料参数和绝缘气体参数，选择几何模型材料，设定初始参数；
5、s3：根据盆式绝缘子表面电荷密度诱发因素及影响过程，选择相关的物理场模块；
6、s4：根据工频运行条件，给物理场模块设置相对应的边界条件；
7、s5：根据各个物理场模块之间的耦合原理和方程，选择多物理场耦合方式，形成gis多物理场耦合模型；
8、s6：根据gis多物理场耦合模型中各部分物理场的分布与边界条件，进行网格剖分；
9、s7：根据gis多物理场耦合模型中物理场模块之间的耦合方式选择求解器，设置求解步骤；
10、s8：求解gis多物理场耦合模型，获得盆式绝缘子电-热-机械场和上下表面电荷密度分布特性。
11、所述步骤s1和s2中的几何模型包括高压导体、接地极、绝缘气体以及盆式绝缘子，绝缘气体为sf6气体，盆式绝缘子的材料为环氧树脂，高压导体和接地极的材料为铝合金6082-t6，且设置盆式绝缘子的电导率随温度变化。
12、所述步骤s3中，选择的物理场模块有：电流场、固体和流体传热场、层流场、表面对表面辐射场、稀物质传递场、偏微分方程场和固体力学场。
13、所述步骤s4中，边界条件设置如下：
14、在电流场中，设置高压极为高电位，接地极设置为零电位；
15、在固体和流体传热场中，设置高压极为热源，设定热源值，接地极外壁为环境温度，gis内部各元件表面为热辐射边界；
16、在层流场中，设置gis内部各元件表面为壁面,并添加重力条件与压力约束点，设定压力值；
17、在表面对表面辐射场中，设置盆式绝缘子上下表面、高压极表面和接地极内表面为漫反射表面；
18、在稀物质传递场中，设置盆式绝缘子表面为流入电流，高压极为流出电流；
19、在偏微分方程场中，设置盆式绝缘子表面电荷密度公式；
20、在固体力学场中，设置接地极为固定约束。
21、所述步骤s5中，选择如下多物理场耦合：
22、非等温流动，由固体和流体传热场中的温度与层流场中的速度耦合；
23、表面对表面辐射传热，由固体和流体传热中的温度与表面对表面辐射中的温度耦合；
24、电位耦合，由电流场中的电势与稀物质传递场的电势耦合；
25、热膨胀，由固体与流体传热场中的温度与固体力学场中的热膨胀系数耦合。
26、所述步骤s6中网格剖分是对高压导体、接地极、绝缘气体、盆式绝缘子通过扫掠的方式进行剖分，绝缘气体网格大小设置为超细化，并且对盆式绝缘子表面进行角细化，在盆式绝缘子表面进行边界层网格设置：包括设置层数和拉伸因子。
27、所述步骤s7中，求解器选择分离式求解器，分离步骤1为压力、速度场、温度；分离步骤2为温度；分离步骤3为表面辐射度上侧和表面辐射度下侧；分离步骤4为位移场；分离步骤5为电势和温度。
28、所述步骤s8中求解gis多物理场耦合模型，包括以下步骤：
29、s81、根据所设的电流场边界条件，求解的变量为电势，并进一步求解电场分布，电场控制方程如下：
30、
31、j＝σe
32、
33、式中：为哈密顿算子；j为电流密度；e为电场；v为电势；
34、s82、根据所设的固体和流体传热场、层流场以及表面对表面辐射场的边界条件，求解的变量为温度：
35、(1)固体传热控制方程：
36、
37、式中：ρs为固体密度；cps为固体比热容；t为温度；qs为热流密度；q为热源；ks为固体导热系数；
38、(2)流体传热控制方程：
39、
40、式中：ρg为流体密度；cpg为流体比热容；u为速度矢量；qg为热流密度；i为单位矩阵；μ为动力粘度；ρref为参考压力下密度；kg为流体导热系数；
41、(3)辐射传热控制方程：
42、
43、式中：φ为表面之间的换热量；ε为表面辐射率；a为表面面积；o为常数；t1为辐射热材料的表面温度；t2为吸热材料的表面温度；
44、s83、根据所设的稀物质传递和偏微分方程边界条件，求解的变量为表面电荷密度：
45、
46、式中：ρs为表面电荷密度；jv为体传导电流密度；jg为气体传导电流密度；js为表面传导电流密度；
47、s84、根据所设的固体力学边界条件，求解的变量为应力：
48、
49、s＝s0+c:[ε-(ε0+εth)]
50、式中：s为应力；fv为体载荷；s0为预应力；c为弹性矩阵；ε为弹性应变；ε0为预应变；εth为热应变。
51、所述获得盆式绝缘子电-热-机械场和上下表面电荷密度分布特性的具体方法如下：
52、(1)体电流密度计算公式：
53、jv＝σven
54、式中：σv为盆式绝缘子体电导率；en为法向电场；
55、(2)气体电流密度计算公式：
56、
57、式中：e为元电荷；en为法向电场；n+为正离子浓度；b+为正离子迁移率；n—为负离子浓度；b—为负离子迁移率；d+为正离子扩散系数；d—为负离子扩散系数；nip为离子生成速率；kr为离子对复合率；kb为玻尔兹曼常数；tg为气体温度；
58、(3)表面电流密度计算公式：
59、
60、式中：σs为盆式绝缘子表面电导率；et为切向电场。
61、所述步骤s84中，弹性应变ε的公式如下：
62、
63、式中：u2为位移分量。
64、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
65、本发明提供的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，对gis低温运行时盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场分布特性进行模拟计算，可以为gis低温环境下运维提供理论依据，对gis低温下的安全可靠运行具有重要意义。
1.一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
2.根据权利要求1所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s1和s2中的几何模型包括高压导体、接地极、绝缘气体以及盆式绝缘子，绝缘气体为sf6气体，盆式绝缘子的材料为环氧树脂，高压导体和接地极的材料为铝合金6082-t6，且设置盆式绝缘子的电导率随温度变化。
3.根据权利要求1所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s3中，选择的物理场模块有：电流场、固体和流体传热场、层流场、表面对表面辐射场、稀物质传递场、偏微分方程场和固体力学场。
4.根据权利要求1所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s4中，边界条件设置如下：
5.根据权利要求1所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s5中，选择如下多物理场耦合：
6.根据权利要求1所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s6中网格剖分是对高压导体、接地极、绝缘气体、盆式绝缘子通过扫掠的方式进行剖分，绝缘气体网格大小设置为超细化，并且对盆式绝缘子表面进行角细化，在盆式绝缘子表面进行边界层网格设置：包括设置层数和拉伸因子。
7.根据权利要求1所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s7中，求解器选择分离式求解器，分离步骤1为压力、速度场、温度；分离步骤2为温度；分离步骤3为表面辐射度上侧和表面辐射度下侧；分离步骤4为位移场；分离步骤5为电势和温度。
8.根据权利要求1所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s8中求解gis多物理场耦合模型，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述获得盆式绝缘子电-热-机械场和上下表面电荷密度分布特性的具体方法如下：
10.根据权利要求8所述的一种寒冷地区gis盆式绝缘子表面电荷密度和电-热-机多物理场联合仿真方法，其特征是：所述步骤s84中，弹性应变ε的公式如下：
