[发明专利]基于有限元方法考虑套管油纸绝缘不均匀热老化效应的复合绝缘状态评估方法

说明书

本发明涉及电气设备故障诊断技术领域，具体公开了一种基于有限元方法考虑套管油纸绝缘不均匀热老化效应的复合绝缘状态评估方法，包括：构建等效物理复合模型；获得不同老化状态的绝缘纸板样本的FDS数据；搭建实验室复合模型，测试该模型的FDS曲线；搭建复合绝缘仿真模型，采用多面体网格对计算区域进行网格剖分；确定复合绝缘仿真模型的材料参数，得到套管油纸绝缘的仿真FDS曲线；将复合绝缘仿真模型扩展至3‑D仿真模型，对3‑D仿真模型进行仿真计算；验证两种仿真模型的可行性。本发明结合FDS和FEM技术构建不均匀热老化效应的套管油纸绝缘的仿真模型，克服FDS测试过程中存在较大实验误差问题，为分析不均匀热老化效应下套管油纸绝缘系统的FDS提供基础。

技术领域

本发明属于电气设备故障诊断技术领域，特别涉及一种基于有限元方法考虑套管油纸绝缘不均匀热老化效应的复合绝缘状态评估方法。

背景技术

随着电力行业的飞速发展，电力系统对其运行的电气设备的绝缘水平要求越来越严格，绝缘性能直接影响电力系统运行的稳定性与安全性。高压套管作为配合高压电气设备使用的关键结构部件，其绝缘性能成为了高压电力领域的重要课题。目前，油浸电容式套管被广泛用作连接变压器和外部设备的核心部件。油浸电容式套管的绝缘系统在运行过程中会受到热、氧、湿气、电场、有机酸和其他因素的影响。套管油纸绝缘引起的事故约占变压器故障总数的30％，带来的经济损失十分巨大。因此，套管油纸绝缘的状态评估具有重要的工程意义。频域介电谱(FDS)测试具有抗干扰能力强，携带绝缘信息丰富，无损测试等优点。研究表明，FDS通过在更宽的频域范围内测量油纸绝缘的介质损耗和复电容，往往能反映出油纸绝缘的老化状态、含水量和几何结构的变化，因此近年来采用FDS对套管油纸绝缘的状态进行评估受到了广泛的关注。

传统X模型可用于评估电力设备(如油浸电容式套管)的绝缘状况，然而传统X模型没有考虑绝缘层之间的电场畸变问题，其准确性需要进一步提高。有限元方法(FEM)作为一种多物理场仿真技术，其精度较高，应用领域广。使用FEM技术进行频域介电响应研究可以有效地节省研究周期和实验成本，减少实验误差对研究结果的影响。此外，基于FEM的仿真模型考虑了电场畸变的问题，有效降低了局部电场变化对频域介电谱的计算影响。

事实上，由于套管导杆金属的焦耳发热与介质损耗引起的焦耳发热，这会导致套管油纸绝缘系统在径向上产生温度梯度，而温度会影响绝缘纸的老化速率从而使绝缘纸层在径向上会呈现不同的老化程度，前人基于FEM的套管仿真模型主要研究套管的均匀老化状态，对套管油纸绝缘不均匀老化状态鲜有报道。因此，为了考虑不均匀热老化对套管油纸绝缘系统的介电响应特性的影响，本发明提出了一种基于FEM方法考虑套管油纸绝缘不均匀热老化效应的复合绝缘状态评估方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有限元方法考虑套管油纸绝缘不均匀热老化效应的复合绝缘状态评估方法，通过改进传统X模型的局限性，构建了不均匀热老化影响下的套管油纸绝缘的复合绝缘仿真模型和3-D仿真模型，应用于考虑不均匀热老化效应的实际套管油纸绝缘状态的分析。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种基于有限元方法考虑套管油纸绝缘不均匀热老化效应的复合绝缘状态评估方法，包括以下步骤：

(1)考虑套管中径向不均匀热老化的影响，在传统X模型的基础上构建油纸绝缘系统等效物理复合模型；

(2)制备不同老化状态的绝缘纸板样本，测得绝缘油以及不同老化状态的绝缘纸板样本的FDS数据；

(3)将等效物理复合模型径向方向上温度变化较小的区域定义为一个等温区，按照径向温度梯度将油纸绝缘系统划分为n个等温区，即用不同老化程度的纸板叠加，得到实验室复合模型，并测得实验室复合模型对应介损因子(tanδ)的FDS曲线；

(4)根据实验室复合模型，搭建考虑不均匀热老化效应的复合绝缘仿真模型，并采用多面体网格对计算区域进行网格剖分；