CN114004187B - 雷电冲击电压下含缺陷的gis盆式绝缘子电场仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，该方法包括：步骤1：建立GIS系统暂态计算电路模型并确定相关参数，利用电磁暂态分析程序求解得到雷电冲击电压下各部件的电压波形；步骤2：建立母线‑盆式绝缘子模型；步骤3：划分不同数量网格并计算，当计算所得绝缘子最大场强和沿面最大切向场强开始随网格数量变化小于0.5％时，选取此时网格作为后续计算网格参考；步骤4：构建绝缘子缺陷模型，并计算获得电场分布；步骤5：提取绝缘子最大场强，将最大场强值与预设击穿电场值比较；如果大于击穿场强，则该位置发生击穿。与现有技术相比，本发明具有能够较为准确的计算雷电冲击电压过程中含缺陷绝缘子瞬时电场分布情况等优点。

Description

雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法
技术领域
本发明涉及GIS电场计算领域，尤其是涉及一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法。
背景技术
由于GIS结构紧凑、占地面积小、可靠性高等优点，自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。其广泛应用于高压、超高压和特高压输电领域。绝缘子作为GIS核心部件，起着支撑、隔离以及绝缘作用，盆式绝缘子对GIS整体运行安全具有决定性影响。研究表明，盆式绝缘子的故障率达到了26.6％。其主要原因在于内部缺陷，一方面盆式绝缘子在制作时内部可能出现气泡，裂缝等缺陷；另一方面在安装运输过程中的各种机械振动、受力不均所产生的机械应力、长期运行时各种外界环境因素及运行状态的恶化等均可能导致盆式绝缘子产生裂缝甚至损坏。在高电压下，绝缘子内部气隙缺陷引起绝缘电场畸变，并且在场强达到一定数值且有起始电荷产生时，将导致绝缘子内部绝缘击穿，严重危害电网运行安全。
GIS工作过程中，不仅要长期承受额定电压，有时还要承受过电压。雷电过电压具有幅值高、持续时间短、陡度大等特点，据统计，雷电过电压是引起GIS设备发生故障乃至产生事故的主要原因之一。对于含缺陷的盆式绝缘子，正常承受额定电压时可能不会发生击穿，但当发生雷电冲击时极有可能发生击穿放电。在已发表的专利文献中，尚未有雷电冲击电压下GIS含缺陷盆式绝缘子电场仿真方法提出。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，旨在对雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场进行计算研究，预防含缺陷GIS盆式绝缘子在雷电冲击电压下击穿，保障GIS设备的安全运行。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立GIS系统暂态计算电路模型并确定相关参数，其中相关参数包括对地电容、波阻抗、电阻、电感，利用电磁暂态分析程序求解得到雷电冲击电压下各部件的电压波形；
步骤2：建立母线-盆式绝缘子模型，在母线导体上施加雷电冲击下的电压，外壳外表面接地；
步骤3：划分不同数量网格并计算，当计算所得绝缘子最大场强和沿面最大切向场强开始随网格数量变化小于0.5％时，选取此时网格作为后续计算网格参考；
步骤4：构建绝缘子缺陷模型，包括缺陷形状、大小和位置，并计算获得电场分布；
步骤5：提取绝缘子最大场强，将最大场强值与预设击穿电场值比较；如果大于击穿场强，则该位置发生击穿。
作为优选的技术方案，所述的步骤1中的GIS系统暂态计算电路模型包括断路器、隔离开关、套管、母线。
作为优选的技术方案，所述的步骤2中母线-盆式绝缘子模型比例为1：1三维模型，部件包括：盆式绝缘子、导体、壳体、绝缘气体。
作为优选的技术方案，所述的步骤2中的母线-盆式绝缘子模型长度为壳体外直径2-3倍，绝缘子位于模型长度方向上中央。
作为优选的技术方案，所述的步骤2中的导体上施加雷电冲击下的电压为步骤1暂态计算电压结果通过非线性拟合所得。
作为优选的技术方案，所述的步骤3中的网格为自由四面体网格，划分4-5组，网格数量以2倍递增。
作为优选的技术方案，所述的步骤4中的缺陷形状包括气泡、裂纹、金属悬浮物。
作为优选的技术方案，所述的气泡为球形，裂纹为长方体，金属悬浮物为长方体或圆柱体。
作为优选的技术方案，所述的步骤4中的缺陷位置包括：缺陷距中心导体距离和缺陷距盆式绝缘子表面的距离。
作为优选的技术方案，所述的步骤5中的提取绝缘子最大场强包括绝缘子最大场强和沿面最大切向场强。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的方法可对于含缺陷盆式绝缘子在雷电冲击电压下引起电场强度畸变进行仿真研究，通过提取绝缘子内部最大场强和沿面最大切向场强，将所述值与预设击穿电场值比较来判别是否击穿，保证GIS安全运行。同时通过改变缺陷形状、大小、位置，利于揭示缺陷对电场畸变的影响规律。本发明适用性强，可用于不同电压等级，为含缺陷盆式绝缘子在雷电冲击电压下击穿放电提供了理论支持。
附图说明
图1是本发明实施例中的雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法流程示意图；
图2是本发明实施例中的母线-盆式绝缘子模型切面示意图；
其中1为壳体，2为盆式绝缘子，3为缺陷，4为导体，5为绝缘气体；
图3是本发明实施例中含气泡缺陷盆式绝缘子在雷电冲击下不同时刻电场强度示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明能够较为准确的计算雷电冲击电压过程中含缺陷绝缘子瞬时电场分布情况，从而为预防含缺陷GIS盆式绝缘子的击穿提供计算分析依据。
如图1所示，本发明实施例的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，包括以下步骤：
(1)根据GIS系统的实际情况建立GIS系统暂态计算电路模型并确定相关参数，参数包括对地电容、波阻抗、电阻、电感，GIS系统暂态计算电路模型包括断路器、隔离开关、套管、母线，并利用电磁暂态分析程序(例如ATP-EMTP)求解得到雷电冲击电压下各部件的电压波形。
(2)提取中心导体电压波形，并进行非线性曲线拟合，获得中心导体电压拟合公式。
(3)如图2所示，建立母线-盆式绝缘子模型，部件包括：盆式绝缘子、导体、壳体、绝缘气体，在母线导体上施加雷电冲击电压下的电压，外壳外表面接地。
(4)划分不同数量网格并计算，当计算所得绝缘子最大场强和沿面最大切向场强开始随网格数量变化小于0.5％时，选取此时网格设置作为后续网格划分参考。
(5)构建绝缘子缺陷模型，包括缺陷形状、大小、位置等，进行暂态计算(例如comsol)，获得电场分布。
(6)结果后处理，包括提取绝缘子内部最大场强和沿面最大切向场强，将所述值与预设击穿电场值比较；其中，如果大于击穿场强，则该位置发生击穿放电。
本发明实施例中，步骤(3)中，母线-盆式绝缘子模型比例为1：1模型，在保证精度情况下为节约计算资源，模型截取母线室一段，模型长度为壳体外直径2-3倍，绝缘子位于模型长度方向上中央，并忽略微小部件。
本发明实施例中，步骤(4)中，网格为自由四面体网格，划分4-5组，网格数量以约2倍递增，计算结果选取绝缘子最大场强和沿面最大场强作为特征值，当其随网格数增加变化小于0.5％时，认为计算结果与网格无关，选取此时网格的设置作为后续网格划分参考。
本发明实施例中，步骤(5)中，缺陷位置具体包括缺陷距中心导体距离和缺陷距盆式绝缘子表面的距离。
本发明实施例中，步骤(5)中，暂态计算时间一般为50-100μs，为了节约计算资源，步长进行分段设置，0-5μs步长一般小于0.05μs，5-20μs步长一般小于0.1μs，20μs之后步长一般小于0.5μs。
综上，本发明实施例提出了一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法。本发明的方法适用性强，可用于不同电压等级、不同缺陷结构盆式绝缘子的雷电冲击瞬时电场分布的计算，对于研究雷电冲击电压对含缺陷的GIS盆式绝缘子电场影响机理、保证GIS设备的安全稳定运行具有重要的意义。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立GIS系统暂态计算电路模型并确定相关参数，其中相关参数包括对地电容、波阻抗、电阻、电感，利用电磁暂态分析程序求解得到雷电冲击电压下各部件的电压波形；
步骤2：建立母线-盆式绝缘子模型，在母线导体上施加雷电冲击下的电压，外壳外表面接地；
步骤3：划分不同数量网格并计算，当计算所得绝缘子最大场强和沿面最大切向场强开始随网格数量变化小于0.5％时，选取此时网格作为后续计算网格参考；
步骤4：构建绝缘子缺陷模型，包括缺陷形状、大小和位置，并计算获得电场分布；
步骤5：提取绝缘子最大场强，将最大场强值与预设击穿电场值比较；如果大于击穿场强，则该位置发生击穿。
2.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤1中的GIS系统暂态计算电路模型包括断路器、隔离开关、套管、母线。
3.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤2中母线-盆式绝缘子模型比例为1：1三维模型，部件包括：盆式绝缘子、导体、壳体、绝缘气体。
4.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤2中的母线-盆式绝缘子模型长度为壳体外直径2-3倍，绝缘子位于模型长度方向上中央。
5.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤2中的导体上施加雷电冲击下的电压为步骤1暂态计算电压结果通过非线性拟合所得。
6.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤3中的网格为自由四面体网格，划分4-5组，网格数量以2倍递增。
7.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤4中的缺陷形状包括气泡、裂纹、金属悬浮物。
8.根据权利要求7所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的气泡为球形，裂纹为长方体，金属悬浮物为长方体或圆柱体。
9.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤4中的缺陷位置包括：缺陷距中心导体距离和缺陷距盆式绝缘子表面的距离。
10.根据权利要求1所述的一种雷电冲击电压下含缺陷的GIS盆式绝缘子电场仿真方法，其特征在于，所述的步骤5中的提取绝缘子最大场强包括绝缘子最大场强和沿面最大切向场强。
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