CN110909497B - 一种高压开关设备在冲击电压下的暂态电场计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压开关设备在冲击电压下的暂态电场计算方法，属于高压开关设备绝缘设计与数值仿真领域，包括如下步骤：对雷电、操作冲击电压波形进行傅里叶分解，确定冲击电压波形的直流分量与各次谐波分量峰值、频率等参数；拟合分析高压开关设备绝缘材料介电频谱测量数据，得出绝缘材料直流电导率、直流分量及各谐波分量下对应的相对介电常数；建立高压开关设备电场有限元分析模型，计算直流分量及各谐波分量作用下的电场分布并进行线性叠加，得出高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布。本发明综合考虑了高压开关设备绝缘材料转向极化过程，与传统方法相比，高压开关设备在雷电、操作冲击电压下暂态电场计算的准确度提高了4.46％。

Description

一种高压开关设备在冲击电压下的暂态电场计算方法

技术领域

本发明属于高压开关设备绝缘设计与数值仿真领域，具体涉及一种高压开关设备在雷电、操作等冲击电压下的暂态电场计算方法。

背景技术

盆式绝缘子等绝缘件是高压开关设备的关键部件，起着电气绝缘、机械支撑以及隔离气室的作用，在交流输电工程中的使用量大，实际运行中因绝缘件潜伏性缺陷所引发的故障在高压开关设备故障中占有较大比重，影响电力系统的安全可靠运行。

雷电、操作冲击电压的上升沿极短，雷电冲击电压波前时间仅为1.2μs(±30％)，操作冲击电压波前时间仅为250μs(±20％)。因此雷电、操作冲击电压能够在极短的时间内在高压开关设备上产生极高的电压，是高压开关设备绝缘系统的重大威胁。

目前，针对高压开关设备在冲击电压下的暂态电场，一般均忽略冲击电压下高压开关设备绝缘材料转向极化的建立时间，采用工频电压下的静电场来近似替代。采用这种方法对高压开关设备进行设计校核时，一方面会增大绝缘件以及屏蔽罩表面电场，使得该处场强值的裕度偏大；另一方面会降低绝缘件与中心导体界面处电场，可能会使得该处场强值未能满足控制要求。特别是当高压开关设备由两种或多种绝缘材料构成时，传统方法可能会引起比较大的计算误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压开关设备在雷电、操作等冲击电压下的暂态电场计算方法，目的是更准确的掌握高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布，为高压开关设备制造厂家的绝缘设计提供计算分析依据。

为达到上述目的，本发明提供了一种高压开关设备在冲击电压下的暂态电场计算方法，利用高压开关设备的暂态电场数学模型，联合基于智能优化算法的介电谱分析方法，在计算时间成本可接受的前提下，计算高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布，其步骤如下：

步骤1，采集高压开关设备在雷电、操作状态下冲击电压的实时数据，并对高压开关设备在雷电、操作状态下的冲击电压的波形进行傅里叶分解，得出分解后的冲击电压直流分量和冲击电压交流分量，再以分解后获得的直流分量的1/600作为筛选标准，选取所有峰值大于直流分量1/600的谐波分量，得到筛选后的冲击电压各次谐波分量峰值；将分解后的冲击电压直流分量记为直流分量U_dc，筛选后的冲击电压各次谐波分量峰值中的任一个谐波分量峰值记为谐波分量峰值U_k、谐波分量峰值U_k的谐波角频率记为谐波角频率ω_k，k为筛选出的谐波分量峰值编号，k＝1，2，3，4……；

步骤2，测量高压开关设备绝缘件环氧氧化铝复合材料的宽频介电谱，得到以下三个参数的试验数据：复介电常数ε^* _HN(ω_k)、复介电常数的实部ε′_HN(ω_k)和复介电常数的虚部ε″_HN(ω_k)，分析材料弛豫峰的个数m，建立各绝缘材料的H-N函数模如下：

ε^* _HN(ω_k)＝ε′_HN(ω_k)-iε″_HN(ω_k)

式中：i为虚数单位；

步骤3，以复介电常数的虚部ε″_HN(ω_k)为对象，建立目标函数如下式所示，利用智能优化算法拟合分析，重构环氧氧化铝复合材料对应H-N方程；

式中，ε_k″(ω_k)为复介电常数的虚部拟合数据，ω_k为谐波角频率，min为优化的目标函数值，控制在0.001以内；

步骤4，根据下式计算得出高压开关设备环氧氧化铝复合材料的直流电导率γ_d及环氧氧化铝复合材料各谐波分量对应频率的介电弛豫强度Δε(ω_k)；

式中，ε_s为静态介电常数，ε_∞为光频介电常数，τ_HN表示弛豫时间常数；β为描述弛豫峰的形状因子1，γ为描述弛豫峰的形状因子2；j为累加求和下界；

步骤5，利用有限元分析软件建立高压开关设备的电场有限元分析模型，调用高压开关设备环氧氧化铝复合材料的直流电导率γ_d、环氧氧化铝复合材料各谐波分量对应频率的介电弛豫强度Δε(ω_k)、静态介电常数ε_s、光频介电常数ε_∞，提取得到各次谐波分量对应的单元编号s；

步骤6，对步骤5建立的电场有限元分析模型施加直流分量U_dc，运用有限元法计算得到直流稳态环境下各单元随时间变化的电位值，并记为直流电位值

对步骤5建立的电场有限元分析模型模型分别施加谐波分量峰值U_k，运用有限元法计算得到各次谐波分量下各单元随时间变化的电位值，记为谐波分量峰值电位值

所述施加谐波分量峰值U_k的步长采用分段时间设置；

步骤7，根据下式计算直流分量与各谐波分量共同作用时各单元电位值随时间变化关系并记为单元电位

根据单元电位

得到高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布情况。

优选地，所述施加谐波分量峰值U_k的步长采用分段时间设置的具体内容如下：

对于雷电冲击电压，在0μs＜波前时间≤3μs时，设置0.01μs≤时间步长≤0.1μs；当3μs＜半峰值时间≤50μs时，设置0.5μs≤时间步长≤2μs；

对于操作冲击电压，当0μs＜波前时间≤300μs时，设置1μs≤时间步长≤10μs；当300μs＜半峰值时间≤2500μs时，设置5μs≤时间步长≤20μs。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)通过分段时间步长设置，暂态电场计算实现时间可控，即根据实际情况要求确定对应的时间步长可以有效缩短了暂态电场计算时间，使得计算时间成本可接受。

(2)考虑了高压开关设备绝缘材料转向极化的建立时间，使得高压开关设备在雷电、操作等冲击电压下暂态电场计算的准确度提高4.46％。

附图说明

图1为本发明暂态电场计算方法流程图；

图2为本发明中环氧复合材料材料复介电常数虚部介电谱拟合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种高压开关设备在冲击电压下暂态电场计算方法，该方法利用高压开关设备的暂态电场数学模型，联合基于智能优化算法的介电谱分析方法，在计算时间成本可接受的前提下，计算高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布，其步骤如下：

步骤1，采集高压开关设备在雷电、操作状态下冲击电压的实时数据，并对高压开关设备在雷电、操作状态下的冲击电压的波形进行傅里叶分解，得出分解后的冲击电压直流分量和冲击电压交流分量，再以分解后获得的直流分量的1/600作为筛选标准，选取所有峰值大于直流分量1/600的谐波分量，得到筛选后的冲击电压各次谐波分量峰值；将分解后的冲击电压直流分量记为直流分量U_dc，筛选后的冲击电压各次谐波分量峰值中的任一个谐波分量峰值记为谐波分量峰值U_k、谐波分量峰值U_k的谐波角频率记为谐波角频率ω_k，k为筛选出的谐波分量峰值编号，k＝1，2，3，4……。

步骤2，测量高压开关设备绝缘件环氧氧化铝复合材料的宽频介电谱，得到以下三个参数的试验数据：复介电常数ε^* _HN(ω_k)、复介电常数的实部ε′_HN(ω_k)和复介电常数的虚部ε″_HN(ω_k)，分析材料弛豫峰的个数m，建立各绝缘材料的H-N函数模如下：

ε^* _HN(ω_k)＝ε′_HN(ω_k)-iε″_HN(ω_k)

式中：i为虚数单位。

步骤3，以复介电常数的虚部ε″_HN(ω_k)为对象，建立目标函数如下式所示，利用智能优化算法拟合分析，重构环氧氧化铝复合材料对应H-N方程；

式中，ε_k″(ω_k)为复介电常数的虚部拟合数据，ω_k为谐波角频率，min为优化的目标函数值，控制在0.001以内。

图2给出了本发明中环氧复合材料材料复介电常数虚部介电谱拟合状态。

步骤4，根据下式计算得出高压开关设备环氧氧化铝复合材料的直流电导率γ_d及环氧氧化铝复合材料各谐波分量对应频率的介电弛豫强度Δε(ω_k)；

式中，ε_s为静态介电常数，ε_∞为光频介电常数，τ_HN表示弛豫时间常数；β为描述弛豫峰的形状因子1，γ为描述弛豫峰的形状因子2；j为累加求和下界。

步骤5，利用有限元分析软件建立高压开关设备的电场有限元分析模型，调用高压开关设备环氧氧化铝复合材料的直流电导率γ_d、环氧氧化铝复合材料各谐波分量对应频率的介电弛豫强度Δε(ω_k)、静态介电常数ε_s、光频介电常数ε_∞，提取得到各次谐波分量对应的单元编号s。

步骤6，对步骤5建立的电场有限元分析模型施加直流分量U_dc，运用有限元法计算得到直流稳态环境下各单元随时间变化的电位值，并记为直流电位值

对步骤5建立的电场有限元分析模型模型分别施加谐波分量峰值U_k，运用有限元法计算得到各次谐波分量下各单元随时间变化的电位值，记为谐波分量峰值电位值

所述施加谐波分量峰值U_k的步长采用分段时间设置，具体设置如下：

对于雷电冲击电压，在0μs＜波前时间≤3μs时，设置0.01μs≤时间步长≤0.1μs；当3μs＜半峰值时间≤50μs时，设置0.5μs≤时间步长≤2μs；

对于操作冲击电压，当0μs＜波前时间≤300μs时，设置1μs≤时间步长≤10μs；当300μs＜半峰值时间≤2500μs时，设置5μs≤时间步长≤20μs。

步骤7，根据下式计算直流分量与各谐波分量共同作用时各单元电位值随时间变化关系并记为单元电位

根据单元电位

得到高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布。

Claims (2)

1.一种高压开关设备在冲击电压下的暂态电场计算方法，其特征在于，利用高压开关设备的暂态电场数学模型，联合基于智能优化算法的介电谱分析方法，在计算时间成本可接受的前提下，计算高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布，其步骤如下：

步骤1，采集高压开关设备在雷电、操作状态下冲击电压的实时数据，并对高压开关设备在雷电、操作状态下的冲击电压的波形进行傅里叶分解，得出分解后的冲击电压直流分量和冲击电压交流分量，再以分解后获得的直流分量的1/600作为筛选标准，选取所有峰值大于直流分量1/600的谐波分量，得到筛选后的冲击电压各次谐波分量峰值；将分解后的冲击电压直流分量记为直流分量U_dc，筛选后的冲击电压各次谐波分量峰值中的任一个谐波分量峰值记为谐波分量峰值U_k、谐波分量峰值U_k的谐波角频率记为谐波角频率ω_k，k为筛选出的谐波分量峰值编号，k＝1，2，3，4……；

步骤2，测量高压开关设备绝缘件环氧氧化铝复合材料的宽频介电谱，得到以下三个参数的试验数据：复介电常数ε^* _HN(ω_k)、复介电常数的实部ε′_HN(ω_k)和复介电常数的虚部ε″_HN(ω_k)，分析材料弛豫峰的个数m，建立各绝缘材料的H-N函数模如下：

ε^* _HN(ω_k)＝ε′_HN(ω_k)-iε″_HN(ω_k)

式中：i为虚数单位；

步骤3，以复介电常数的虚部ε″_HN(ω_k)为对象，建立目标函数如下式所示，利用智能优化算法拟合分析，重构环氧氧化铝复合材料对应H-N方程；

式中，ε_k″(ω_k)为复介电常数的虚部拟合数据，ω_k为谐波角频率，min为优化的目标函数值，控制在0.001以内；

步骤4，根据下式计算得出高压开关设备环氧氧化铝复合材料的直流电导率γ_d及环氧氧化铝复合材料各谐波分量对应频率的介电弛豫强度Δε(ω_k)；

式中，ε_s为静态介电常数，ε_∞为光频介电常数，τ_HN表示弛豫时间常数；β为描述弛豫峰的形状因子1，γ为描述弛豫峰的形状因子2；j为累加求和下界，m为弛豫峰的个数；

步骤5，利用有限元分析软件建立高压开关设备的电场有限元分析模型，调用高压开关设备环氧氧化铝复合材料的直流电导率γ_d、环氧氧化铝复合材料各谐波分量对应频率的介电弛豫强度Δε(ω_k)、静态介电常数ε_s、光频介电常数ε_∞，提取得到各次谐波分量对应的单元编号s；

步骤6，对步骤5建立的电场有限元分析模型施加直流分量U_dc，运用有限元法计算得到直流稳态环境下各单元随时间变化的电位值，并记为直流电位值

对步骤5建立的电场有限元分析模型分别施加谐波分量峰值U_k，运用有限元法计算得到各次谐波分量下各单元随时间变化的电位值，记为谐波分量峰值电位值

所述施加谐波分量峰值U_k的步长采用分段时间设置；

步骤7，根据下式计算直流分量与各谐波分量共同作用时各单元电位值随时间变化关系并记为单元电位

根据单元电位

得到高压开关设备在冲击电压下的暂态电场分布情况。

2.根据权利要求1所述的一种高压开关设备在冲击电压下的暂态电场计算方法，其特征在于，所述施加谐波分量峰值U_k的步长采用分段时间设置的具体内容如下：

对于雷电冲击电压，在0μs＜波前时间≤3μs时，设置0.01μs≤时间步长≤0.1μs；当3μs＜半峰值时间≤50μs时，设置0.5μs≤时间步长≤2μs；

对于操作冲击电压，当0μs＜波前时间≤300μs时，设置1μs≤时间步长≤10μs；当300μs＜半峰值时间≤2500μs时，设置5μs≤时间步长≤20μs。

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