CN107967396B - 高压复合套管在风偏下的电场计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压复合套管在风偏下的电场计算方法，包括对高压复合套管进行有限元仿真的步骤；所述有限元仿真包括以下步骤S1至S4：S1、将高压复合套管置于一流体域中，并设置多组不同的流体参数进行流体作用仿真；S2、分别计算每组流体参数对应的流体在所述高压复合套管表面产生的压强，形成对应于每组流体参数的压强数据文件；S3、基于各组所述压强数据文件以及高压复合套管的机械参数，生成高压复合套管对应于各组流体参数的基频模态振型；S4、构建每一基频模态振型所对应的高压复合套管形变模型，对每一形变模型内的导电管施加工作电压，并输入高压复合套管的电气参数，进行电场仿真，得到高压复合套管在各组流体参数下的场强分布云图。

Description

高压复合套管在风偏下的电场计算方法

技术领域

本发明涉及高压绝缘技术领域，尤其涉及基于模态分析的高压复合套管在风偏下的电场计算方法。

背景技术

高压套管作为高压引出装置，是变电站的关键设备之一。复合空心套管凭借高抗拉强度、不易爆炸、抗污闪等优点得到广泛的应用，当然，其使用过程中的安全可靠性必然是业界关注的重中之重，业界都在致力于提高复合高压套管抵抗极端天气环境的能力，谨防电气事故的发生。

有限元分析技术的应用极大程度压缩了高压复合套管的研发成本，对设计和生产环节都具有指导意义。现阶段，有限元分析技术在本领域的应用主要是用于分析复合高压套管的电气绝缘性能和机械支撑性能。高压套管的绝缘分为内部绝缘和外部绝缘，内部具有玻璃钢管、硅橡胶固体并填充惰性气体六氟化硫，外部暴露于空气中。目前利用有限元分析技术可以实现高压套管内外电场分布的计算以及确定最小爬电比距；优化均压环和内屏蔽结构，使内外电场分布更加均匀；辅助完成套管的结构尺寸如伞裙参数的设计等。

然而，目前对套管电气性能方面的分析、计算和优化设计只局限于套管未发生形变的工况，未考虑套管在强风下风偏弯曲等情况可能引起的电场畸变；而机械仿真分析只考虑了对材料的破坏，未考虑机械损伤的同时，造成材料承受电场的增大。即目前对复合高压套管的分析和优化设计技术中，电气特性和机械特性的分析是分离的，针对电气绝缘性能作出的优化设计没有兼顾套管形变、弯曲等工况，鲁棒性有待提高。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术中电气分析和优化设计只考虑静态工况，未能考虑高压复合套管在弯曲振动等工况下的电场变化，提出了电气特性和机械特性耦合的有限元分析方法，来仿真得到高压复合套管在强风暴雨等极端天气造成的风偏下套管的场强分布，以找出套管的绝缘薄弱点以及安全运行的风速阈值。

本发明为达上述目的提出了以下技术方案：

一种高压复合套管在风偏下的电场计算方法，包括对高压复合套管进行有限元仿真的步骤；

所述有限元仿真包括以下步骤S1至S4：

S1、将高压复合套管置于一流体域中，并设置多组不同的流体参数进行流体作用仿真；

S2、分别计算每组流体参数对应的流体在所述高压复合套管表面产生的压强，形成对应于每组流体参数的压强数据文件；

S3、基于各组所述压强数据文件以及高压复合套管的机械参数，生成高压复合套管对应于各组流体参数的基频模态振型；

S4、构建每一基频模态振型所对应的高压复合套管形变模型，对每一形变模型内的导电管施加工作电压，并输入高压复合套管的电气参数，进行电场仿真，得到高压复合套管在各组流体参数下的场强分布云图。

本发明提供的上述技术方案，将复合高压套管的有限元仿真分析进行了流体、固体和电气的耦合，即分析作为固体的套管在流体作用(例如强风)下发生弯曲形变的模态，又分析在相应的模态下带来的套管电场变化，从而将套管在风压下的机械性能和电气性能的分析结合到一起，模拟仿真套管在风压下的电场变化情况，得出在不同风速下套管各处及其周围的场强分布云图。从场强分布云图中，我们可以获知套管各处的场强大小，基于此：1)我们可以得知在某种风速下发生形变的套管的场强变大且接近于许用场强的部位，该部位即是该套管的绝缘薄弱点，从而针对性地进行优化设计；2)还可得知，若在某一风速下，出现某一部位的场强已经畸变(变大)到非常接近许用场强(再大就会出现击穿而失效)，则可以认为该风速就是该套管安全使用的风速上限。

高压复合套管在投运以来发生过电气事故，但是出厂检验(不包括形变后的耐压试验)均无问题，这说明型式试验不能涵盖实际运行中遇到的复杂情况。而本发明的方法对高压套管进行的有限元仿真分析，考虑了套管在实际运行环境中发生机械形变的动态工况，可模拟计算出不同风速下套管的电场分布，能够直观表现风对套管绝缘性能的影响；并且，基于模拟计算结果，对套管进行相应的优化设计和使用预警，具有很大的价值；另一方面，相比风洞实验的方法，本发明具有更低的实施成本。

附图说明

图1是通过建模软件建立的750KV级的高压复合套管的仿真模型；

图2是图1所示套管模型在风速10m/S的垂直风压下的基频模态振型；

图3是图1所示例的套管模型在某一特定风速下仿真得到的场强分布云图；

图4是从套管模型的多个场强分布云图中提取得到的导电管表面场强沿轴向的分布随套管最大偏移量的关系图；

图5是从套管模型的多个场强分布云图中提取得到的套管内部玻璃钢芯体场强沿轴向的分布随套管最大偏移量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施方式提供了高压复合套管(后述简称“套管”)在风偏下的电场计算方法，该方法通过将套管的机械性能和电气性能进行耦合分析，来获取套管在风偏形变的情况下电场的分布情况，以获知套管在实际运行环境中的绝缘薄弱点和可安全运行的风速上限阈值。该方法主要通过对套管进行有限元仿真来实现，包括以下步骤S1至S4：

步骤S1、将高压复合套管置于一流体域中，并设置多组不同的流体参数(包括风速、风向、湍流度和空气密度等)进行流体作用仿真；此处的高压复合套管即是指通过软件建立的套管的三维模型；流体域即空气域，具体是通过有限元仿真软件建立空气包，将套管模型包裹，模拟套管在空气中受到风力作用的环境。然后设定进风口、出风口和壁面等参数，以及在多组不同的流体参数下分别进行仿真，模拟套管受到不同风力作用的情形。此步骤优选地可通过有限元仿真软件ANSYS中的CFX模块来实现，具体是在geometry环节建立空气包；当然，也不排除可采用其它具有同样功能的仿真软件。

S2、分别计算每组流体参数对应的流体在所述高压复合套管表面产生的压强，形成对应于每组流体参数的压强数据文件。在此步骤还可生成直观的压强分布云图，每一组流体参数下都可得到对应的一压强分布云图，每一压强分布云图又对应于一组压强数据。此步骤依然可采用CFX模块来实现，生成压强分布云图和压强数据文件，其中，压强数据文件可供其它模块调用，详见后续步骤。

S3、基于各组所述压强数据文件以及高压复合套管的机械参数，生成高压复合套管对应于各组流体参数的基频模态振型。此步骤可采用ANSYS中的Modal模块实现，选择调用CFX模块所产生的压强数据文件，作为此步骤施加到套管模型的预应力，设置模态振型的阶数为1阶，通过Modal模块求解对应的基频模态振型，以得到不同风速下的基频模态振型。

S4、构建每一基频模态振型所对应的高压复合套管形变模型，对每一形变模型内的导电管施加工作电压，并输入高压复合套管的电气参数，进行电场仿真，得到高压复合套管在各组流体参数下的场强分布云图。此步骤可在一电场仿真软件例如COMSOL中进行，构建所述形变模型后，对所述形变模型设置响应的边界条件和电场分布方程，然后输入相应的电气参数(例如介电常数、电导率等)、给导电管施加工作电压(例如750KV等级的套管则施加460KV左右的工作电压)，进行电场的仿真，得到场强分布云图。从场强分布云图中可以查看相应风速下形变的套管任意部位的场强大小。

下面以750KV等级、长度约10m的高压复合套管作为仿真分析对象，来对本发明的方法作更详细的说明。

首先，通过三维建模软件例如SolidWorks建立750KV等级、长度约10米的高压复合套管的三维模型(后续也可简称“套管”或“套管模型”)，如图1所示，套管模型包括硅橡胶护套10、玻璃钢芯体20(内填充惰性气体30)、导电管40、悬浮屏蔽电极50、接地屏蔽电极60、均压环70和上法兰81、下法兰82。其中，可以通过与相应套管厂家沟通、自行将材料送检以及查阅绝缘材料手册等三种方式，确定各种涉及材料的电气和机械参数，包括硅橡胶、玻璃钢的机械参数以及所用金属的介电常数、导电率、密度、弹性模量、泊松比等。

其次，在ANSYS中，利用CFX模块，在geometry环节建立空气包作为流体域对上述建立的套管模型进行流体仿真，以模拟套管在实际运行环境中被风吹的情形。可根据实验需要设定多组不同的风场参数，例如某一组风场参数是风速10m/S、风向为垂直于套管轴向并选择湍流模式为k-epsilon模型，其它多组分别是风速15m/S、20m/S……等等，每组风场参数(流体参数)之间主要以风速作为区别。在每一风速设定条件下，分别进行流体作用仿真，通过CFX模块来计算风力对套管表面每一处产生的压强，可以生成一个压强数据文件，也可以输出一对应的压强分布云图。

假设上述设定了七组风场参数来进行仿真，每种设定的风速下都进行仿真后，可以得到对应的七个压强数据文件以及七个压强分布云图。

其中，全部表面的压强会产生一个合力，合力会使套管发生弯曲，低频振动，发生弯曲形变的套管的场强会有所变化甚至较大的畸变，这属于物体在存在预应力情况下的振动问题，具体套管在风中会以何种姿态弯曲、什么地方弯曲最严重，需要在预应力下进行模态分析，提取出套管的模态振型。不同的风速大小，会产生不同的合力，影响复合空心套管的最大偏移量，而不会影响套管的模态振型。

由于风的功率谱主要集中在低频区域，而且实际中高频模态振型往往需要很高的能量才能触发，所以套管振动弯曲多是基频模态振型，所以只需研究套管在风压下的基频模态振型。当然也可通过在软件中设置模态振型的阶数，来仿真获取高阶模态振型。

然后，在ANSYS workbench界面共享CFX和Modal的数据，利用ANSYS中的Modal模块，在设置施加给套管的预应力的时候，选择导入CFX模块所生成的压强数据文件，即将风对套管的作用力作为预应力。通过Modal模块进行模态分析的求解，生成各风速下对应的基频模态振型，例如10m/S的风速下的套管基频模态振型如图2所示，其基本还原了套管在10m/S的风力作用下的弯曲形变状态，接上例，得到了对应于七组不同风速的七个基频模态振型。由于高压套管伞裙等径、密集、伞伸出短，故在求解流场产生的风压时可以忽略，将伞裙质量沿轴向均匀分布即可，因此得到的模态振型近似为光滑的棍状。

由于套管是三维旋转对称结构，可以利用AutoCAD将套管基频模态振型转换为2D的套管弯曲形变图，来进行场强的求解，其中可近似忽略伞裙的形变量，着重考虑处于中心的导电管不同阶数模态振型的形变。参考ANSYS软件可视化结果，选取离散点，测量偏移值，利用AutoCAD软件中的样条曲线拟合实际弯曲形状，得到弯曲形变的二维套管图，即构建了套管基频模态振型所对应的套管形变模型。接上例，可得到对应于七组不同风速的七个形变模型。

最后，利用COMSOL软件对每一形变模型进行电场仿真。在COMSOL软件中打开相应的形变模型，输入套管各种材料的电气参数(介电常数、电导率等)，设置导电管的施加电压(例如750等级的套管则输入相应的导电管正常电压)，剖分网格，进行场强的计算。可生成例如图3所示的场强分布云图，图3例如是表示套管在10m/S的风速下发生弯曲形变，形变模型如图2所示，在这种情况下，套管的场强分布云图。图3中，x、y轴的单位均是mm，y轴即表示从套管底部(下法兰一端)向顶部(即轴向)的长度，x轴表示套管的周围，图中的深浅表示不同的电场模。图3的示例中，距离套管底部3～4米(大约在悬浮屏蔽电极和地屏蔽电极的顶部)的地方场强最大，说明这部分在套管形变时场强增大的量最大，场强畸变最严重的部位，即是绝缘薄弱点，最容易发生击穿。从图3中，我们可以选取套管任意部位，调出该部位及其附近的场强分布，例如，我们可以对不同风速的场强分布云图查看套管表面场强沿轴向的分布，提取并融合可制作得到如图4所示的曲线关系图，其中，每一条曲线代表了不同的套管最大偏移量，参考值是指没有偏移，是其中最为平缓的一条，例如，偏移280mm所对应的曲线是最尖的一条，它代表了最大偏移量为280mm的形变模型的电场强度沿轴向的分布，偏移228mm所对应的曲线是第二尖的一条，它代表了最大偏移量为228mm的形变模型的电场强度沿轴向的分布，依此类推。从图4我们可以获知，套管表面距离套管底部4m左右的部位，在套管形变时，场强最容易发生畸变(只考虑变大，不管变小的情况)，则，该部位即可认为是套管表面的绝缘薄弱点。假设图4中偏移280mm的曲线对应于风速40m/S仿真得到的形变模型，且假设该曲线的最尖峰之处的场强大小3500000V/m已经非常接近套管的许用场强，则我们可以认为该套管安全运行的风速不宜超过40m/S，风速再大的话，则距离底部4m左右的这个部位很可能会被击穿而使得套管失效，发生电气事故。

再比如，我们也可以从场强分布云图中调取套管内的玻璃钢芯体的场强沿轴向的分布，例如，我们可以对不同风速的场强分布云图查看玻璃钢芯体场强沿轴向的分布，提取并融合可制作得到如图5所示的曲线关系图，其中，每一条曲线代表了不同的套管最大偏移量，参考值是指没有偏移，是其中最为平缓的一条，例如，偏移280mm所对应的曲线是最尖的一条，它代表了最大偏移量为280mm的形变模型的电场强度沿轴向的分布，偏移228mm所对应的曲线是第二尖的一条，它代表了最大偏移量为228mm的形变模型的电场强度沿轴向的分布，依此类推。可以看出，对于玻璃钢芯体而言，其场强畸变最大之处是距离底部约1.5m的部位。

以上仅仅是举例，本发明不限于上述的示例性仿真，总之，通过本发明的方法可以得到套管在不同的风速下发生不同的形变时所对应的场强分布情况，查看场强大小以寻找绝缘薄弱点，以及可获知安全运行的最大风速。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高压复合套管在风偏下的电场计算方法，其特征在于：包括对高压复合套管进行有限元仿真的步骤；

所述有限元仿真包括以下步骤S1至S4：

S1、将高压复合套管置于一流体域中，所述流体域为空气域，即建立空气包将所述高压复合套管包裹；然后设定进风口、出风口和壁面，并设置多组不同的流体参数进行流体作用仿真；其中，所述流体参数包括风速、风向、湍流度和空气密度；

S2、分别计算每组流体参数对应的流体在所述高压复合套管表面产生的压强，形成对应于每组流体参数的压强数据文件；

S3、基于各组所述压强数据文件以及高压复合套管的机械参数，生成高压复合套管对应于各组流体参数的基频模态振型；

S4、构建每一基频模态振型所对应的高压复合套管形变模型，对每一形变模型内的导电管施加工作电压，并输入高压复合套管的电气参数，进行电场仿真，得到高压复合套管在各组流体参数下的场强分布云图。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中的高压复合套管是通过建模软件建立的三维模型。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中通过计算每组流体参数下所述高压复合套管所受压强，还形成对应于每组流体参数的压强分布云图。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4在一电场仿真软件中进行，其中包括对所述形变模型设置响应的边界条件和电场分布方程。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中的所述形变模型为二维模型。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：通过对基频模态振型进行二维样条曲线拟合而还原得到相应的二维形变模型。

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