CN105866646A - 一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，建立单一电极结构的情况下的绝缘拉杆电场的几何仿真模型，具体步骤为；步骤2，进行分段加压模型的建模计算；步骤3，优化电极位置参数l_i；步骤4，优化电极个数参数n_k；步骤5，按照上述1‑4步进行优化后得到一些列的设定参数后，利用上述参数进行实验，对实际的绝缘拉杆进行测试。能够解决现有技术中存在的检测区域不够大的问题。

Description

一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法

技术领域

本发明属于绝缘拉杆检测技术领域，具体涉及一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法。

背景技术

电力系统因绝缘拉杆的问题导致断路器发生故障已多次出现。绝缘拉杆属于断路器中的连动机构，是实现操动机构控制灭弧室进行分合闹操作的连动部分。触头的开合过程都需要通过绝缘拉杆来实现机构的运动，因此绝缘拉杆在断路器中占据很重要的位置。

目前，绝缘拉杆出厂试验(如局放、耐压等)无法完全检测出绝缘拉杆内部缺陷，在一些绝缘拉杆发生炸裂的事故中，调取之前的型式试验报告，均显示绝缘拉杆型式试验合格。但是，通过之后对绝缘拉杆进行解剖实验发现，绝缘拉杆存在夹层中气隙，微裂纹等内部缺陷。一般而言，绝缘拉杆是通过局部放电试验来进行内部缺陷的检测。但是，传统的绝缘拉杆局部放电检测中存在的几个问题：1)在绝缘拉杆局部放电检测试验过程中，较难检测出处于拉杆中部的缺陷；2)在绝缘拉杆局部放电检测试验过程中，较难检测出尺寸较小的微裂纹；3)在绝缘拉杆局部放电检测试验过程中，较难定位局部放电发生的位置。

绝缘拉杆在制造过程中由于工艺控制不良等原因会在内部出现气隙、杂质、粘合不佳等缺陷。这些缺陷在外部运行电压或过电压作用下会发生局部放电，使绝缘拉杆老化、绝缘强度下降，当局部放电发展到一定程度后则会形成贯穿性的放电，导致拉杆整体绝缘失效。

常规的局部放电检测手段对绝缘拉杆的缺陷检测灵敏度较差、效率较低，研究不同加压方式、不同检测方法对绝缘拉杆局部放电检测的影响对于提高绝缘拉杆的缺陷检测效率、提高检测可靠性、保障电网安全运行具有重要意义。至今未见到对绝缘拉杆采用分段加压的检测方式来测量拉杆局部放电现象的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，能够解决现有技术中存在的检测区域不够大的问题，

本发明采用以下技术方案：一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立单一电极结构的情况下的绝缘拉杆电场的几何仿真模型，具体步骤为；

步骤2，进行分段加压模型的建模计算；

步骤3，优化电极位置参数l_i；

步骤4，优化电极个数参数n_k；

步骤5，按照上述1-4步进行优化后得到一些列的设定参数后，利用上述参数进行实验，对实际的绝缘拉杆进行测试。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，根据绝缘拉杆的尺寸参数，利用有限元分析软件建立绝缘拉杆几何仿真模型时，涉及的参数包括：绝缘拉杆绝缘部分总长度，即高压电极与地电极之间的距离为l；

绝缘拉杆绝缘材料的相对介电常数ε_r；

绝缘拉杆的外径Φ₁和内径Φ₂，即绝缘拉杆的绝缘层壁厚为0.5*(Φ₁-Φ₂)；

高压电极上外施电压大小为U，即进行绝缘拉杆局放检测试验电压是根据国标或行业标准规定的；

绝缘拉杆模型中绝缘层内某点距表面距离为y(y＝c*(Φ₁-Φ₂)，0≤c≤1)；

根据用户提出的目标设定有效检测区域(长度)大于b％*l，0≤b％≤1；

步骤1.2，利用有限元分析方法对绝缘拉杆模型中与表面的距离为y的位置的电场分布进行仿真计算，其中，y＝c*(Φ₁-Φ₂),0≤c≤1，表示位于绝缘层内距离表面处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；

设E₀为能够检测到局放信号的最低场强，则将绝缘层内距离表面y处的电场强度超过E₀(kV/mm)的定义为有效的缺陷检测区域；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L₀(L≤l)，即有效检测区域长度。

步骤2具体为：

步骤2.1，在步骤1建模的基础上，进行多电极结构进行分段加压，即，即，在原本的高压电极和地极之间添加n_k个中间电极，n_k表示增加的电极的个数，n＝1,2,3，…，k；k表示增加电极的次数，k＝1,2,3，…，M，则n_k个中间电极把绝缘拉杆分成了n_k+1段，

此时，第i(i＝1…n_k)个中间电极的位置能够用其与高压端的距离来表示，即设定为l_i＝i*l/(n_k+1)(0<l_i≤l)，并且l_i+1>l_i，第i个中间电极与第i+1个中间电极之间的距离为(l_i+1—l_i)；

第i个电极加压大小为U_i，此时，当n_k≥1时，U_i满足等式(U_i-1—U_i)/(l_i—l_i-1)＝U/l，其中,i＝1，2，3，……,n_k,且令l₀＝0,U₀＝U,l_n,k＝l,U_n,k＝0，相邻两个电极(包括中间电极和原始电极)之间的电位差与相邻两个电极间距离成比例，该比例等于U/l；这个条件限定的是进行绝缘拉杆局放检测试验电压不能高于国标或行业标准规定的绝缘拉杆的绝缘耐受场强；

步骤2.2，中间电极个数的初始值为，当k＝1时，n₁＝1，根据步骤2.1计算拉杆的多电极结构的各个参量，通过电场仿真软件对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，利用有限元分析方法对该绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，

设当中间电极个数为n_k，则建模时候沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L(n_k)；

步骤2.3，判断L(n_k)是否符合要求，将L(n_k)与b％*l进行对比，从而判断此时的优化效果，

若L(n_k)>b％*l，则符合要求，结束优化过程，记录此时的优化结果，用于步骤6进行测试，其中，0≤b％≤1，b％*l表示的是有效检测区域的长度；

若L(n_k)<b％*l，则进入步骤3，进行进一步优化。

步骤3具体为：

步骤3.1，将第i(i＝1…n_k)个中间电极的位置l_i增大c％，设调整的次数为j，(j＝1,2,3，…，m)；

即，第i个电极进行了j次调整后的电极位置参数l_i，j’＝l_i，j-1*(1+j*c％)＝i*l/(n+1)*(1±j*c％)，

其中l_i，0＝l_i，一般取0<c％≤1/2(n_k+1)，j为进行第i个中间电极位置调整的次数；

步骤3.2，将调整后的l_i，j’重新代入步骤2，令步骤2中的对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，然后再利用有限元分析方法对新建成的绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，中间电极个数为n_k且当此n_k个电极位置调整次数为j的时候，沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L’(n_k,j)，并令L’(n_k,0)＝L(n_k)；

步骤3.3，判断是否符合优化要求：

当L’(n_k,j)>L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)>b％*l，则结束优化过程，记录此时的优化结果，应用于步骤5的正式测量实验中；

若L’(n_k,j)>L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)<b％*l，此时说明有效检测长度L’(n_k,j)仍然不满足客户要求，则重复步骤3.1～3.2的方法进行电极位置的循环计算和模型修正；

若L’(n_k,j)<L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)<b％*l，，则说明通过调整电极位置这一手段无法进行合理的优化，故转入步骤4通过优化电极个数进行优化；

中间电极个数为n_k时对电极位置的调整总次设为J，在调整过程中，将出现的最大值设为L’(n_k)_max，则L’(n_k)_max＝Max{L’(n_k,j)，j＝0,1,2…J}。

步骤4具体为：

令k’＝k+1，则中间电极个数增加1个，重新进行步骤2.1和2.2中对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，利用有限元分析方法对该绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，中间电极个数为n_k’首次建模时候沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L(n_k’)；

若L(n_k’)>L’(n_k)_max，且L(n_k’)>b％*l，则结束优化过程，记录此时的各个参数；

若L(n_k’)>L’(n_k)_max，且L(n_k’)<b％*l，若有效检测长度L(n_k’)仍然不满足要求，则停止步骤4，进入步骤3对n_k’个中间电极的位置进行优化，此时的k’对应的是步骤4中的k；

若L(n_k’)<L’(n_k)_max，且L(n_k’)<b％*l，，则停止步骤4，进入步骤3对n(k’)个中间电极的位置进行优化，此时的k’对应的是步骤4中的k。

本发明的有益效果是，本发明针对断路器绝缘拉杆因其沿杆方向电场衰减过快使得绝缘杆中部和尾部的缺陷不易发生局部放电而无法通过局放检测手段被发现，容易发生故障的问题。通过改进绝缘拉杆的电极结构和电极位置，选择更加有效的加压方式，能够更容易通过局部放电检测出绝缘拉杆内部的缺陷，即扩大绝缘拉杆内部缺陷的局部放电检测范围。

附图说明

图1(a)为本发明方法中用于测试的绝缘拉杆采用单一电极结构整体加压的示意图；

图1(b)为本发明方法中用于测试的绝缘拉杆采用多电极结构进行分段加压时的示意图；

图2本发明方法的流程图；

图3(a)为进行测试时对绝缘拉杆采用传统的整体加压方式时的仿真模型；

图3(b)为利用本方法对测试中的绝缘拉杆进行两段加压时的仿真模型；

图3(c)利用本方法对测试中的绝缘拉杆进行三段加压时的仿真模型；

图4为进行测试时对绝缘拉杆进行整体加压时绝缘拉杆表面电场三维分布图；

图5为进行测试时对绝缘拉杆进行整体加压时沿环氧杆表面的电场一维分布图；

图6(a)为两段加压(中间电极个数为1)时，中间电极距离A电极124.33mm时的电场一维分布图；

图6(b)为两段加压(中间电极个数为1)时，中间电极距离A电极186.50mm时的电场一维分布图；

图6(c)为两段加压(中间电极个数为1)时，中间电极距离A电极248.67mm时的电场一维分布图；

图7(a)为三段加压(中间电极个数为2)时，中间电极距离A电极分别为124.33和248.67mm时的电场一维分布图；

图7(b)为三段加压(中间电极个数为2)时，中间电极距离A电极分别为62.17和248.67mm时的电场一维分布图；

图7(c)为三段加压(中间电极个数为2)时，中间电极距离A电极分别为186.5和248.67mm时的电场一维分布图；

图7(d)为三段加压(中间电极个数为2)时，中间电极距离A电极分别为124.33和300mm时的电场一维分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，如图2，具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立单一电极结构的情况下的绝缘拉杆电场的几何仿真模型，具体步骤为，

步骤1.1，根据绝缘拉杆的尺寸参数，利用有限元分析软件建立绝缘拉杆几何仿真模型时，涉及的参数包括：绝缘拉杆绝缘部分总长度，即高压电极与地电极之间的距离为l；

绝缘拉杆绝缘材料的相对介电常数ε_r；

绝缘拉杆的外径Φ₁和内径Φ₂，即绝缘拉杆的绝缘层壁厚为0.5*(Φ₁-Φ₂)；

高压电极上外施电压大小为U，即进行绝缘拉杆局放检测试验电压是根据国标或行业标准规定的；

绝缘拉杆模型中绝缘层内某点距表面距离为y(y＝c*(Φ₁-Φ₂)，0≤c≤1)

根据用户提出的目标设定有效检测区域(长度)大于b％*l，0≤b％≤1。

建立好的绝缘拉杆仿真模型如图3(a)所示。

步骤1.2，利用有限元分析方法对绝缘拉杆模型中与表面的距离为y的位置的电场分布进行仿真计算，其中，y＝c*(Φ₁-Φ₂),0≤c≤1，表示位于绝缘层内距离表面处的电场分布进行仿真计算。通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线。

设E₀为能够检测到局放信号的最低场强，则将绝缘层内距离表面y处的电场强度超过E₀(kV/mm)的定义为有效的缺陷检测区域。根据仿真计算出的电场强度分布曲线，沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L₀(L≤l)，即有效检测区域长度。

步骤2，进行分段加压模型的建模计算。

步骤2.1，在步骤1建模的基础上，进行多电极结构进行分段加压，即，即，在原本的高压电极和地极之间添加n_k个中间电极，n_k表示增加的电极的个数，n＝1,2,3，…，k；k表示增加电极的次数，k＝1,2,3，…，M，则n_k个中间电极把绝缘拉杆分成了n_k+1段，

此时，第i(i＝1…n_k)个中间电极的位置能够用其与高压端的距离来表示，即设定为l_i＝i*l/(n_k+1)(0<l_i≤l)，并且l_i+1>l_i，第i个中间电极与第i+1个中间电极之间的距离为(l_i+1—l_i)。

第i个电极加压大小为U_i，此时，当n_k≥1时，U_i满足等式(U_i-1—U_i)/(l_i—l_i-1)＝U/l，其中,i＝1，2，3，……,n_k,且令l₀＝0,U₀＝U,l_n,k＝l,U_n,k＝0，相邻两个电极(包括中间电极和原始电极)之间的电位差与相邻两个电极间距离成比例，该比例等于U/l。这个条件限定的是进行绝缘拉杆局放检测试验电压不能高于国标或行业标准规定的绝缘拉杆的绝缘耐受场强。

步骤2.2，中间电极个数的初始值为，当k＝1时，n₁＝1，根据步骤2.1计算拉杆的多电极结构的各个参量，通过电场仿真软件对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，如图3(b)和3(c)所示，利用有限元分析方法对该绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算。通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线。根据仿真计算出的电场强度分布曲线，

设当中间电极个数为n_k，则建模时候沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L(n_k)。

步骤2.3，判断L(n_k)是否符合要求，将L(n_k)与b％*l进行对比，从而判断此时的优化效果，

若L(n_k)>b％*l，则符合要求，结束优化过程，记录此时的优化结果，用于步骤6进行测试，其中，0≤b％≤1，b％*l表示的是有效检测区域的长度。

若L(n_k)<b％*l，则进入步骤3，进行进一步优化。

步骤3，优化电极位置参数l_i：

具体实施方法为，

步骤3.1，将第i(i＝1…n_k)个中间电极的位置l_i增大c％，设调整的次数为j，(j＝1,2,3，…，m)；

即，第i个电极进行了j次调整后的电极位置参数l_i，j’＝l_i，j-1*(1+j*c％)＝i*l/(n+1)*(1±j*c％)，

其中l_i，0＝l_i，一般取0<c％≤1/2(n_k+1)，j为进行第i个中间电极位置调整的次数；

步骤3.2，将调整后的l_i，j’重新代入步骤2，令步骤2中的对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，然后再利用有限元分析方法对新建成的绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算。通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线。根据仿真计算出的电场强度分布曲线，中间电极个数为n_k且当此n_k个电极位置调整次数为j的时候，沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L’(n_k,j)，并令L’(n_k,0)＝L(n_k)。

步骤3.3，判断是否符合优化要求：

当L’(n_k,j)>L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)>b％*l，则结束优化过程，记录此时的优化结果，应用于步骤5的正式测量实验中。

若L’(n_k,j)>L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)<b％*l，此时说明有效检测长度L’(n_k,j)仍然不满足客户要求，则重复步骤3.1～3.2的方法进行电极位置的循环计算和模型修正。

若L’(n_k,j)<L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)<b％*l，，则说明通过调整电极位置这一手段无法进行合理的优化，故转入步骤4通过优化电极个数进行优化。

中间电极个数为n_k时对电极位置的调整总次设为J，在调整过程中，将出现的最大值设为L’(n_k)_max，则L’(n_k)_max＝Max{L’(n_k,j)，j＝0,1,2…J}。

步骤4，优化电极个数参数n_k。令k’＝k+1，则中间电极个数增加1个，重新进行步骤2.1和2.2中对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，利用有限元分析方法对该绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算。通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线。根据仿真计算出的电场强度分布曲线，中间电极个数为n_k’首次建模时候沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L(n_k’)。

若L(n_k’)>L’(n_k)_max，且L(n_k’)>b％*l，则结束优化过程，记录此时的各个参数。

若L(n_k’)>L’(n_k)_max，且L(n_k’)<b％*l，若有效检测长度L(n_k’)仍然不满足要求，则停止步骤4，进入步骤3对n_k’个中间电极的位置进行优化，此时的k’对应的是步骤4中的k。

若L(n_k’)<L’(n_k)_max，且L(n_k’)<b％*l，，则停止步骤4，进入步骤3对n(k’)个中间电极的位置进行优化，此时的k’对应的是步骤4中的k。

步骤5，按照上述1-4步进行优化后得到一些列的设定参数后，利用上述参数进行实验，对实际的绝缘拉杆进行测试。

本发明的方法中，最重要的一个改进点是电极形式，传统方法是采取单一电极结构，如图1(a)所示，即通过绝缘拉杆一侧端部加压，另一侧端部接地的形式。本发明拟采用多电极结构进行加压，如图1(b)所示，即是在绝缘拉杆中间部分根据需要分别增加若干电极进行分段加压。考虑到多电极结构下绝缘拉杆中间部位不存在金属接线端子，不能直接与高压电极相连接，为保证两种电极结构下绝缘拉杆与高压电极之间接触方式的一致性。同时为避免均压环与绝缘杆之间因存在缝隙而产生局部放电影响测量，在绝缘杆与高压电极接触处设置一层金属铝箔，以使电极与绝缘杆紧密接触。

本发明的原理是，一般情况下，对绝缘拉杆进行局部放电检测，首先将绝缘拉杆装入试验罐内，将试品两端加压并进行局部放电的检测。在额定电压下，绝缘拉杆的电场分布呈现两端高，中间低的一种分布，特别是高压端电场较高，最高为1.1kV/mm，中间电场最低为0.06kV/mm，接地端电场略有回升为0.14kV/mm，如果绝缘拉杆的内部缺陷位于中下部(靠近接地极)，则很难检测出局部放电。整体加压下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场三维分布图如图4所示，图5为整体加压下沿环氧杆表面的电场一维分布图。

因此，本方法在进行局部放电检测的时候采用多电极结构，或称为分段加压方式，即将试品套上多个电极环，在电极环加一定电压并进行局部放电的检测，相当于把试品中下部的电场强度提高，从而更容易的检测出局部放电及判断其放电位置。

两段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图6所示。

其原理是：分段式加压可以提高沿绝缘拉杆局部电场强度，进而引发该位置附近的电子碰撞电离，使局部放电信号达到可测的目的。这样，绝缘拉杆中下部的局部放电在较低的电压下即可发生，于是局部放电缺陷测量方法的检测区域被扩展了。

本发明方法中涉及的仿真原理：标准状态下均匀电场中空气的击穿场强为3kV/mm，但是若试品中存在气隙、尖端、裂缝等微小缺陷，其周围的最高电场强度会远大于其附近区域的平均电场强度，从而在平均电场强度在3kV/mm以下时便会发生局部放电。根据实验经验，缺陷部位的平均电场强度在1kV/mm左右时便能检测到局放信号，通过测量该局部放电信号便可对该气隙缺陷进行检测分析。因此将电极之间电场强度超过1kV/mm的区域定义为有效的缺陷检测区域，反之电场强度低于1kV/mm的区域则不能对缺陷进行有效的检测。

本发明的方法，在进行优化前确定一个y值，通过步骤1-5进行循环操作之后，即能得到优化后绝缘拉杆加压方式和分段参数的结果，然后即可将其应用于实际的测试中；若改变y值，按照上述的步骤1～5重新进行优化，即可以得到对应不同取值的y的大小而得到不同的测试优化结果。从而，将优化后绝缘拉杆加压方式和分段参数的结果应用于实际测试中。

结合附图，以110kV开关的绝缘拉杆为例，具体对发明进行详细说明。

首先建模，根据绝缘拉杆的尺寸参数，利用有限元分析软件建立绝缘拉杆几何仿真模型，涉及的参数取值为，绝缘拉杆总长l＝66.6cm，分为两端的金属电极和中间的绝缘杆三部分；A端金属铝电极分为I、II、III三段，三段的外径分别为40mm、32mm和31.5mm，长度分别为45mm、25mm和116.5mm，仿真时A端边界条件为电压U；B端金属铝电极也分为I、II、III三段，三段的外径分别为40mm、32mm和31.5mm，长度分别为45mm、25mm和39mm，仿真时B端边界条件为接地；绝缘杆材质为环氧树脂，外径3.3cm，长37.3cm，壁厚5mm，建模后的仿真模型图如图3(a)和图3(b)所示，其中仿真时相对介电常数设为5，边界条件为连续，无电荷；

当加入1个中间电极时，分段加压时采用图3所示的方式2进行建模，中间电极个数为n(n＝1，2)，即在绝缘杆中间位置增加金属铝电极，宽度为10mm。

因本发明的方法涉及绝缘拉杆绝缘部分的表面电场分布情况，为方便叙述，将绝缘拉杆与A端金属电极交界处的坐标定义为起始位置0mm，相应的绝缘拉杆与B端地电极交界处的坐标则为373mm，即l＝373mm，如图3所示。

(1)首先令中间电极位于绝缘拉杆靠近高压电极1/3处，即l₁＝1/3*l≈124.33mm，施加电压应该为U₁＝2/3*U≈101.33kV。

由仿真可得两段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图6(a)所示。此时，其最高电场强度位于中间电极附近为4.14kV/mm，在小于35.36mm的区域均大于1kV/mm；中间电极附近110.81mm～129.03mm以及131.66mm～161.35mm的区域其电场强度均大于1kV/mm，为有效检测区域(假定中间电极覆盖处均为有效检测部位)，该中加压方式下的整体有效检测范围为35.36+(129.03-110.81)+(161.35-131.66)＝83.27mm。

(2)令中间电极位于绝缘拉杆正中间l₁＝0.5l＝186.5mm，施加电压应该为U₁＝1/2*U＝76kV。

由仿真可得两段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图6(b)所示。此时，其高压电极附近的最高电场强度为3.70kV/mm，在小于41.99mm的区域均大于1kV/mm；中间电极附近的最高电场强度为3.15kV/mm，中间电极附近171.96mm～217.53mm的区域其电场强度均大于1kV/mm，为有效检测区域(假定中间电极覆盖处均为有效检测部位)，该中加压方式下的整体有效检测范围为41.99+(217.53-171.96)＝87.56mm

(3)令中间电极位于绝缘拉杆靠近高压电极2/3处，即l₁＝2/3*l≈248.67mm，施加电压应该为U₁＝1/3*U≈50.67kV。

由仿真可得两段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图6(c)所示。此时，其高压电极附近的最高电场强度为3.69kV/mm，在小于42.62mm的区域均大于1kV/mm；中间电极附近的最高电场强度为2.18kV/mm，中间电极附近243.59mm～251.10mm以及258.74mm～269.07mm的区域其电场强度均大于1kV/mm，为有效检测区域(假定中间电极覆盖处均为有效检测部位)，该中加压方式下的整体有效检测范围为42.62+(251.10-243.59)+(269.07-258.74)＝60.46mm。

表1所示的只有一个中间电极的两段式加压方式下绝缘拉杆的有效检测区域表。由表1可知，当中间电极位于正中间施加的电压为76kV时的有效检测区域最大为87.56mm。

表1 两段加压方式下绝缘拉杆有效检测区域表

当加入2个中间电极时，对比整体加压和分两段加压方式下的仿真结果可知，中间电极个数为1的分两段加压方式下的有效检测区域约为整体加压方式下的两倍，未验证分段数对检测效果的影响，继续对中间电极个数为2的分三段加压时的绝缘拉杆表面电场分布进行了仿真计算。图3(c)所示为其仿真模型图。

根据前面的原理，当第i个电极加压大小为U_i，此时，当n＝2时，U_i满足等式(U_i-1—U_i)/(l_i—l_i-1)＝U/l，其中(i＝1，2,且令l₀＝0,U₀＝U,l_n＝l,U_n＝0)，即相邻两个电极(包括中间电极和原始电极)之间的电位差与相邻两个电极间距离成比例，该比例等于U/l。第一个中间电极施加电压应该为101.33kV，第二个中间电极施加电压为50.67kV。

(1)令中间电极1位于绝缘拉杆靠近高压电极1/3处，中间电极2位于绝缘拉杆靠近高压电极2/3处。即l₁＝1/3*l≈124.33mm，l₂＝2/3*l≈248.67mm，施加电压应该为U₁＝2/3*U≈101.33kV，U₂＝1/3*U≈50.67kV。

由仿真可得三段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图7(a)所示。此时，其最高电场强度位于中间电极1附近为4.01kV/mm，其中高压电极A附近电场强度在小于35.36mm的区域均大于1kV/mm；中间电极1附近110.78mm～129.01mm和131.64mm～158.42mm的区域以及中间电极2附近248.49mm～249.13mm以及258.76mm～266.06mm其电场强度均大于1kV/mm，为有效检测区域(假定中间电极覆盖处均为有效检测部位)，该加压方式下的整体有效检测范围为35.36+(129.01-110.78)+(158.42-131.64)+(249.13-248.49)+(266.06-258.76)＝88.31mm。

(2)令中间电极1的位置向高压端A移动c＝50％，中间电极的位置2保持不变。即l’₁＝(1-50％)*124.33≈62.17mm，l’₂＝2/3*l≈248.67mm，施加电压应该为U’₁＝(373-62.17)/373*U≈126.67kV，U’₂＝1/3*U≈50.67kV。

由仿真可得三段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图7(b)所示。此时，在中间电极1附近的最高电场强度为3.91kV/mm，在高压电极A附近小于22.13mm的区域均大于1kV/mm；中间电极1附近51.83mm～66.75mm和69mm.39～106.04mm以及中间电极2附近246.14mm～251.13mm和258.76～269.09mm的区域其电场强度均大于1kV/mm，为有效检测区域(假定中间电极覆盖处均为有效检测部位)，该加压方式下的整体有效检测范围为22.13+(66.75-51.83)+(106.04-69.39)+(251.13-246.14)+(269.09-258.76)＝89.02mm。

(3)令中间电极1的位置向低压端方向移动c＝50％，中间电极的位置2保持不变。即l”₁＝(1+50％)*124.33≈186.5mm，l”₂＝2/3*l≈248.67mm，施加电压应该为U”₁＝(373-62.17)/373*U≈76kV，U”₂＝1/3*U≈50.67kV。由仿真可得三段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图7(c)所示。此时，其最高电场强度3.68kV/mm出现在高压电极A附近，距离A电极小于42.00mm的区域均大于1kV/mm；中间电极1附近175.21mm～188.82mm和194.45mm～209.63mm以及中间电极2附近258.76mm～266.06mm的区域其电场强度均大于1kV/mm，为有效检测区域(假定中间电极覆盖处均为有效检测部位)，该加压方式下的整体有效检测范围为42.00+(188.82-175.21)+(209.63-194.45)+(266.06-258.76)＝78.09mm。

(4)令中间电极1的位置保持不变，中间电极的位置2向低压电极方向移动约20％。即l”’₁＝124.33mm，l”₂＝(1+20％)*2/3*l≈300mm，施加电压应该为U”₁≈101.33kV，U”₂＝(373-300)/373*U≈29.75kV。由仿真可得三段加压方式下沿绝缘拉杆环氧树脂部分表面电场一维分布图，如图7(d)所示。此时，其最高电场强度3.48kV/mm出现在高压电极A附近，距离A电极小于35.31mm的区域均大于1kV/mm；中间电极1附近110.67mm～128.87mm和131.50mm～161.52mm以及中间电极2附近310.08mm～311.99mm的区域其电场强度均大于1kV/mm，为有效检测区域(假定中间电极覆盖处均为有效检测部位)，该加压方式下的整体有效检测范围为35.31+(128.87-110.67)+(161.52-131.50)+(311.99-310.08)＝85.12mm。

表2所示为三段加压(即有两个中间电极)方式下绝缘拉杆的有效检测区域表。根据表2，在中间电极1的电压较高时，分三段加压的有效检测区域相比较分两段加压(中间电极个数为1)的情况时要大，但当中间电极1的电压较小时，有效检测区域反而会有所减小。这说明增加分段数并不是在任意情况下均能增加有效检测区域的范围。

由表2可知，当中间电极1位置与高压端A的距离为62.17mm所加的电压为76kV，中间电极2位置与高压端A的距离为248.67mm所加的电压为50.67kV，此种加压方式下其有效检测区域范围为89.02mm，依然显著大于整体加压方式下的有效检测区域范围，也大于两段加压方式下的有效检测区域范围。由于用户对此拉杆局放的有效检测区域范围设定为80mm，故两段加压和三段加压方式均满足设定的目标，由于两段加压仅需要一个中间电极，结构更简单，故推荐采用两段加压的方式进行实验。

分析认为，当中间电极所加的电压较小时，其本身附近的电场强度较小，不能达到1kV/mm的阈值，同时中间电极的存在使得中间电极与高压电极之间的平均电场显著降低，在一定程度上会减小高压电极附近的有效检测区域。可以看出，在选取合适的电压值下，分三段(中间电极个数为2)局放检测法比分两段局放检测效果要好。但是在实际检测过程中增大分段数对于试验电源的要求较高，应根据试验电源、绝缘拉杆结构、尺寸等实际因素综合分析来确定分段数(中间电极个数)，以达到最优的检测效果。

表2 三段加压方式下绝缘拉杆有效检测区域表

Claims (5)

1.一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立单一电极结构的情况下的绝缘拉杆电场的几何仿真模型，具体步骤为；

步骤2，进行分段加压模型的建模计算；

步骤3，优化电极位置参数l_i；

步骤4，优化电极个数参数n_k；

步骤5，按照上述1-4步进行优化后得到一些列的设定参数后，利用上述参数进行实验，对实际的绝缘拉杆进行测试。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，其特征在于，所述的步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，根据绝缘拉杆的尺寸参数，利用有限元分析软件建立绝缘拉杆几何仿真模型时，涉及的参数包括：绝缘拉杆绝缘部分总长度，即高压电极与地电极之间的距离为l；

绝缘拉杆绝缘材料的相对介电常数ε_r；

绝缘拉杆的外径Φ₁和内径Φ₂，即绝缘拉杆的绝缘层壁厚为0.5*(Φ₁-Φ₂)；

高压电极上外施电压大小为U，即进行绝缘拉杆局放检测试验电压是根据国标或行业标准规定的；

绝缘拉杆模型中绝缘层内某点距表面距离为y(y＝c*(Φ₁-Φ₂)，0≤c≤1)

根据用户提出的目标设定有效检测区域(长度)大于b％*l，0≤b％≤1；

步骤1.2，利用有限元分析方法对绝缘拉杆模型中与表面的距离为y的位置的电场分布进行仿真计算，其中，y＝c*(Φ₁-Φ₂),0≤c≤1，表示位于绝缘层内距离表面处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；

设E₀为能够检测到局放信号的最低场强，则将绝缘层内距离表面y处的电场强度超过E₀(kV/mm)的定义为有效的缺陷检测区域；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L₀(L≤l)，即有效检测区域长度。

3.根据权利要求1所述的一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：

步骤2.1，在步骤1建模的基础上，进行多电极结构进行分段加压，即，即，在原本的高压电极和地极之间添加n_k个中间电极，n_k表示增加的电极的个数，n＝1,2,3，…，k；k表示增加电极的次数，k＝1,2,3，…，M，则n_k个中间电极把绝缘拉杆分成了n_k+1段，

此时，第i(i＝1…n_k)个中间电极的位置能够用其与高压端的距离来表示，即设定为l_i＝i*l/(n_k+1)(0<l_i≤l)，并且l_i+1>l_i，第i个中间电极与第i+1个中间电极之间的距离为(l_i+1—l_i)；

第i个电极加压大小为U_i，此时，当n_k≥1时，U_i满足等式(U_i-1—U_i)/(l_i—l_i-1)＝U/l，其中,i＝1，2，3，……,n_k,且令l₀＝0,U₀＝U,l_n,k＝l,U_n,k＝0，相邻两个电极(包括中间电极和原始电极)之间的电位差与相邻两个电极间距离成比例，该比例等于U/l；这个条件限定的是进行绝缘拉杆局放检测试验电压不能高于国标或行业标准规定的绝缘拉杆的绝缘耐受场强；

步骤2.2，中间电极个数的初始值为，当k＝1时，n₁＝1，根据步骤2.1计算拉杆的多电极结构的各个参量，通过电场仿真软件对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，利用有限元分析方法对该绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，

设当中间电极个数为n_k，则建模时候沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L(n_k)；

步骤2.3，判断L(n_k)是否符合要求，将L(n_k)与b％*l进行对比，从而判断此时的优化效果，

若L(n_k)>b％*l，则符合要求，结束优化过程，记录此时的优化结果，用于步骤6进行测试，其中，0≤b％≤1，b％*l表示的是有效检测区域的长度；

若L(n_k)<b％*l，则进入步骤3，进行进一步优化。

4.根据权利要求1所述的一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：

步骤3.1，将第i(i＝1…n_k)个中间电极的位置l_i增大c％，设调整的次数为j，(j＝1,2,3，…，m)；

即，第i个电极进行了j次调整后的电极位置参数l_i，j’＝l_i，j-1*(1+j*c％)＝i*l/(n+1)*(1±j*c％)，

其中l_i，0＝l_i，一般取0<c％≤1/2(n_k+1)，j为进行第i个中间电极位置调整的次数；

步骤3.2，将调整后的l_i，j’重新代入步骤2，令步骤2中的对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，然后再利用有限元分析方法对新建成的绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，中间电极个数为n_k且当此n_k个电极位置调整次数为j的时候，沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L’(n_k,j)，并令L’(n_k,0)＝L(n_k)；

步骤3.3，判断是否符合优化要求：

当L’(n_k,j)>L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)>b％*l，则结束优化过程，记录此时的优化结果，应用于步骤5的正式测量实验中；

若L’(n_k,j)>L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)<b％*l，此时说明有效检测长度L’(n_k,j)仍然不满足客户要求，则重复步骤3.1～3.2的方法进行电极位置的循环计算和模型修正；

若L’(n_k,j)<L’(n_k,j-1)，且L’(n_k,j)<b％*l，，则说明通过调整电极位置这一手段无法进行合理的优化，故转入步骤4通过优化电极个数进行优化；

中间电极个数为n_k时对电极位置的调整总次设为J，在调整过程中，将出现的最大值设为L’(n_k)_max，则L’(n_k)_max＝Max{L’(n_k,j)，j＝0,1,2…J}。

5.根据权利要求1所述的一种绝缘拉杆分段式局部放电检测的方法，其特征在于，所述的步骤4具体为：

令k’＝k+1，则中间电极个数增加1个，重新进行步骤2.1和2.2中对绝缘拉杆的分段加压模型进行仿真建模，利用有限元分析方法对该绝缘拉杆模型中绝缘层内距离表面y处的电场分布进行仿真计算；通过分析数据后最终得到绝缘层内距离表面y处每点的电场强度沿绝缘长度的分布曲线；根据仿真计算出的电场强度分布曲线，中间电极个数为n_k’首次建模时候沿绝缘拉杆找到所有距离表面y处的电场强度超过E₀的总长度，记为L(n_k’)；

若L(n_k’)>L’(n_k)_max，且L(n_k’)>b％*l，则结束优化过程，记录此时的各个参数；

若L(n_k’)>L’(n_k)_max，且L(n_k’)<b％*l，若有效检测长度L(n_k’)仍然不满足要求，则停止步骤4，进入步骤3对n_k’个中间电极的位置进行优化，此时的k’对应的是步骤4中的k；

若L(n_k’)<L’(n_k)_max，且L(n_k’)<b％*l，，则停止步骤4，进入步骤3对n(k’)个中间电极的位置进行优化，此时的k’对应的是步骤4中的k。