CN115308543B - 对空气绝缘故障风险率影响最大的波形参数范围的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对空气绝缘故障风险率影响最大的波形参数范围的确定方法，首先得到不同波形参数衰减振荡波作用下的短间隙空气绝缘击穿特性；结合10kV电力系统实际过电压的概率密度分布计算综合失效概率；根据单参数拟合将二维失效概率特性进行升维处理得到双参数影响下的短间隙空气绝缘3D失效特性表征图；利用二元限制模型，结合3D拟合公式找到影响因素最大的衰减振荡波参数范围，从而确定系统典型高危入侵波形。本发明的绝缘配合方法通过实际系统侵入波分布以及短间隙空气绝缘冲击试验，得到更为可靠的击穿概率值，并以此为依据提出更具体的电力系统中的新型绝缘配合方法，在电力系统领域中具有广泛的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明属于绝缘配合领域，具体涉及一种基于短间隙空气绝缘击穿特性的绝缘配合方法。
背景技术
目前电网发展迅速，未来的电网极有可能具有大量的可再生能源、新型电力电子设备以及新材料制成的新装备，而这些变革有可能会造成设备绝缘和绝缘特性颠覆性的改变，那么越发完善的电网和不完善的冲击电压统计分布便会形成矛盾，容易发生设计绝缘时没有理论依据的情况。所以为了配合迅速发展的电网，需要探求不同种类的冲击电压波形对典型绝缘 (譬如针-板空气间隙)的失效概率特性，为未来电网提供可靠直接的理论、方法和数据支撑。
当前制约绝缘配合选择的重要因数是缺乏很多不同波形的过电压失效概率分布，当下国内外学者对非标准侵入波进行了研究，但对典型绝缘的失效概率特性研究较少，未能为复杂大电网的绝缘配合提供理论依据或有效的方法；由于缺乏实测过电压概率统计分布，现行的绝缘配合标准GBT 311.2-2013中的统计法不能进行概率计算，导致现有的绝缘配合依然是以惯用法为主。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，本发明基于短间隙空气绝缘的击穿试验以及实测过电压概率统计分布，提供了一种统计绝缘配合方法，为复杂大型电网的绝缘配合提供理论和数据支持。
技术方案：
一种对空气绝缘故障风险率影响最大的波形参数范围的确定方法，包括以下步骤：
S1、以空气绝缘为研究对象，并施加非标准冲击波形进行高压冲击试验，基于获得的“电压-击穿概率”实验数据得到不同波形作用下的故障风险率曲线，所述故障风险率曲线的横纵坐标分别对应电压和击穿概率；
S2、计算得到不同波形作用下的故障风险率计算公式为：
其中，d(x)表示试验得到的故障风险率方程，由故障风险率曲线获得；D(x)表示实测过电压概率密度方程，x1、x2表示两种振荡衰减冲击电压幅值，其中：x1为空气间隙击穿概率为0的电压值，x2为系统中出现的最大过电压电压值；
S3、分别绘制频率f和衰减常数α对故障风险率的影响曲线，得到单参数-故障风险率映射方程；
S4、基于单参数-故障风险率映射方程，通过方程参数拟合控制方法进行参数估计，从而得到双参数-故障风险率映射方程，即三维表征方程；
S5、将三维表征方程进行偏导处理，得到参数对故障风险率的影响因子，并通过找到最大的影响因子对应得到对空气绝缘故障风险率影响最大的波形参数范围。
优选的，S1中，基于高压冲击试验平台产生标准双指数波和非标准冲击波，所述高压冲击试验平台包括：测制系统、冲击电压发生器、试验罐体三大部分，其中：冲击电压发生器包括：电源模块、标准指数波模块、衰减振荡波模块；测制系统包括：电脑控制台、示波器；具体的：
电脑控制台连接冲击电压发生器向其发送触发信号和控制信号，冲击电压发生器接收到触发信号后开启电源模块，冲击电压发生器根据控制信号选择接入标准指数波模块或衰减震荡波模块，标准指数波模块和衰减震荡波模块连接试验罐体；试验罐体中设置有针电极和板电极，针电极和板电极间隙设置以模拟空气绝缘；针电极和板电极两端并联有高压分压器，高压分压器连接示波器进行显示，示波器还连接电脑控制台进行数据汇总。
优选的，S1中，将“电压-击穿概率”数据换算在标准大气压条件下，采用玻尔兹曼函数拟合制得不同波形作用下短间隙空气绝缘的故障风险率曲线。
优选的，S1中，采用多次击穿求概率的试验方法：每产生一种冲击波形，将其作用在空气间隙上，通过调整加压时间找到击穿概率为0的电压幅值，进而以固定步长调大电压，记录每一个电压幅值下对应的击穿概率；
每确定一个电压幅值，进行m次冲击试验，将击穿次数n除以m以得到次波形次电压幅值作用下的击穿概率。
优选的，S2中，实测过电压概率密度方程D(x)通过下式获得：
式中，x表示电压的幅值，a表示比例系数，c表示第一形状参数，k表示第二形状参数。
优选的，S3中，频率-故障风险率映射方程表达式为：
F(f)＝α0+α1f+α2f2+α3f3+α4f4+α5f5
式中，α0-α0表示拟合参数，f表示频率，F(f)表示频率对应的故障风险率。
优选的，S3中，衰减常数-故障风险率映射方程表达式为：
F(α)＝f0+f1α+f2α2+f3α3
式中，f0-f3表示拟合参数，α表示衰减常数，F(α)表示衰减常数对应的故障风险率。
优选的，S4中，具体过程如下：通过中间函数作为“双参数-故障风险率”影响解析式的过度式：
式中，通过衰减常数的变化调控三维解析式的系数A、B、C、D，得到如下解析式：
通过此式描绘出双参数影响下的三维图，其中，为过度式，/>表示三维空间下频率和衰减常数所对应的故障风险率。
优选的，S5中，具体过程如下：将进行偏导处理，并摘取其最大的一段区间，即可在过电压波形参数分布里映射到一定的波形参数范围，从而找到影响较大的波形，数学过程如下：
上式中的α1和f1即为造成系统风险率影响最大的影响因子系统应该重点防御波形的衰减常数和频率。
本发明的有益效果
1)本发明充分结合了绝缘配合统计法在实际运用中所欠缺的实际过电压概率密度分布，将之结合试验所得失效概率曲线，定量地得到空气绝缘故障风险率，以此作为绝缘配合的依据，具有适配性，即一站一算，针对不同地区的变电站得到适用本站的空气绝缘故障风险率。
2)本发明的绝缘方法结合了二元约束，其原理为通过试验得到击穿特性，再进行二元约束得到具体的影响因子，从而判定对系统造成风险较大的波形范围，并对之加以防范。
附图说明
图1为高压冲击试验平台连接示意图
图2为高压冲击试验平台连接框图
图3为不同波形作用下击穿概率曲线变化规律图
图4为统计绝缘配合法故障风险率计算原理图
图5为“单参数(频率或衰减常数)-故障风险率”曲线图
图6为“双参数-故障风险率”三维图
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
搭建以marx回路为主体的高压冲击试验平台，波尾电阻取用范围为10-10000Ω，电感范围40μH-1.011mH，振荡电容为0.15μF，产生的标准双指数波和非标波，双指数波衰减常数为0.2-0.8，频率为4-18.38kHz，将多种波形作用于针板间隙上进行高压冲击试验，如图1 (1-MARX回路；2-升压器；3-接地片；4-罐体阀门；5-针电极；6-板电极；7-气隙高压端接口；8-分压器；9-示波器；10-电脑控制台；D-高压硅堆；C0-充电电容器；Rf、Rw-波头电阻；Rt-波尾电阻；C1-波头电容；L-振荡电感)和图2所示；所述高压冲击试验平台包括：测制系统、冲击电压发生器、试验罐体三大部分，其中：冲击电压发生器包括：电源模块、标准指数波模块、衰减振荡波模块；测制系统包括：电脑控制台、示波器；具体的：
电脑控制台连接冲击电压发生器向其发送触发信号和控制信号，冲击电压发生器接收到触发信号后开启电源模块，冲击电压发生器根据控制信号选择接入标准指数波模块或衰减震荡波模块(衰减震荡波的波形样貌由波头时间、振荡频率以及衰减常数进行描述)，标准指数波模块和衰减震荡波模块连接试验罐体；试验罐体中设置有针电极和板电极(优选的，所述针-板间隙正负极均为铜制电极；所述针-板间隙放置于屏蔽金属罩里，以减小外部干扰及对外辐射)，针电极和板电极间隙设置以模拟空气绝缘；针电极和板电极两端并联有高压分压器，高压分压器连接示波器进行显示，示波器还连接电脑控制台进行数据汇总。
优选的，所述s1中，采用多次击穿求概率的试验方法，即每产生一种冲击波形，将其作用在空气间隙(20mm)上，通过调整加压时间找到击穿概率为0的电压幅值，进而以 1kV为步长调大电压，记录每一个电压幅值下对应的击穿概率。每确定一电压幅值，进行 20次冲击试验，将击穿次数n除以20以得到次波形次电压幅值作用下的击穿概率。
其中，每次击穿试验需间隔0.5-1min，保证空气介质完全自恢复再进行下一次加压冲击试验。
实施例1
本实施例绝缘配合方法包括以下步骤：
s1、将高压冲击试验得到的数据换算在标准大气压条件下，并采用玻尔兹曼函数拟合得到不同波形作用下的失效概率特性曲线；
s2、根据国标以及实测过电压概率密度分布，计算得到不同波形作用下的故障风险率，计算公式为；
s3、绘制频率和衰减常数对故障风险率的影响曲线，得到频率、衰减常数-故障风险率映射方程，展示如下；
s4、基于单参数(频率、衰减常数)-故障风险率方程，通过方程参数拟合控制方法进行参数估计，从而得到双参数-故障风险率映射方程，并绘制三维影响图；
s5、将三维表征方程进行偏导处理，得到参数对故障风险率的影响因子，并通过找到最大的影响因子对应得到对空气绝缘故障风险率影响最大的波形参数范围。
具体地，将实验数据进行标准大气压换算后，用origin中的玻尔兹曼函数进行拟合，得到不同波形下20mm空气间隙的失效特性曲线，即“电压-击穿概率”曲线，如图3所示，为衰减常数0.2、不同频率的衰减振荡波作用下得到的失效特性曲线。
s2：将s1中每一个波形作用下得到的失效概率解析式D(x)和实测过电压概率密度分布解析式的d(x)进行积分计算。本例过电压数据测自10kV变电站，d(x)解析式如下：
其中a,c,k均为形状参数。如图2橙框所示，首先，在电压范围内任意取一个电压值x，在x处取微元dx。在所选的无穷小dx中，失败概率按下条件概率方法计算：
Pdx＝d(x1)·D(x1)·dx
此式意义为出现此类过电压并击穿的概率。在x1-x2范围内进行积分，即：
此式即可计算出电压值x1-x2范围内该波形造成的故障风险率，即“故障风险率”曲线，如图4所示，为衰减常数0.2、不同频率的衰减振荡波作用下得到的故障风险率曲线。
s3：将每种波形下得到的故障风险率进行解析拟合，进而获得单参数对空气绝缘的故障风险率影响规律，即“单参数(频率或衰减常数)-故障风险率”曲线，如图5所示。
s4：将“频率-故障风险率”解析式中的多项式参数根据衰减常数进行拟合，即通过中间函数作为“双参数-故障风险率”影响解析式的过度式：
式中α为衰减常数，通过衰减常数的变化调控三维解析式的系数，得到如下解析式：
通过此式即可描绘出双参数影响下的三维图，如图6所示。
s5：将进行偏导处理，并摘取其最大的一段区间，即可在过电压波形参数分布里映射到一定的波形参数范围，从而找到影响较大的波形，数学过程如下：
上式中的α1和f1即为造成系统风险率影响最大的影响因子。在该实施例中，α1范围0.2～0.8；f1范围2.7kHZ～20.8kHZ，是系统应该重点防御波形的衰减常数和频率。
综上所述，结合实测过电压概率密度分布算出的故障风向率，并基于此提供的绝缘配合方法，相对于仅仅通过经验判断、留有裕度的绝缘配合方法更准确，在电力系统领域中具有工业应用价值。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (4)
1.一种对空气绝缘故障风险率影响最大的波形参数范围的确定方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、以空气绝缘为研究对象，并施加非标准冲击波形进行高压冲击试验，基于获得的“电压-击穿概率”实验数据得到不同波形作用下的故障风险率曲线，所述故障风险率曲线的横纵坐标分别对应电压和击穿概率；
S2、计算得到不同波形作用下的故障风险率计算公式为：
其中，d(x)表示试验得到的故障风险率方程，由故障风险率曲线获得；D(x)表示实测过电压概率密度方程，x1、x2表示两种振荡衰减冲击电压幅值，其中：x1为空气间隙击穿概率为0的电压值，x2为系统中出现的最大过电压电压值；
S2中，实测过电压概率密度方程D(x)通过下式获得：
式中，x表示电压的幅值，a表示比例系数，c表示第一形状参数，k表示第二形状参数；
S3、分别绘制频率f和衰减常数α对故障风险率的影响曲线，得到单参数-故障风险率映射方程；S3中，频率-故障风险率映射方程表达式为：
F(f)＝a0+a1f+a2f2+a3f3+a4f4+a5f5
式中，a0-a5表示拟合参数，f表示频率，F(f)表示频率对应的故障风险率；
衰减常数-故障风险率映射方程表达式为：
F(α)＝f0+f1α+f2α2+f3α3
式中，f0-f3表示拟合参数，α表示衰减常数，F(α)表示衰减常数对应的故障风险率；
S4、基于单参数-故障风险率映射方程，通过方程参数拟合控制方法进行参数估计，从而得到双参数-故障风险率映射方程，即三维表征方程；具体过程如下：通过中间函数作为“双参数-故障风险率”影响解析式的过度式：
式中，通过衰减常数的变化调控三维解析式的系数A、B、C、D，得到如下解析式：
通过此式描绘出双参数影响下的三维图，其中，为过度式，/>表示三维空间下频率和衰减常数所对应的故障风险率；
S5、将三维表征方程进行偏导处理，得到参数对故障风险率的影响因子，并通过找到最大的影响因子对应得到对空气绝缘故障风险率影响最大的波形参数范围；具体过程如下：将进行偏导处理，并摘取其最大的一段区间，即可在过电压波形参数分布里映射到一定的波形参数范围，从而找到影响较大的波形，数学过程如下：
上式中的α1和f1即分别为造成系统风险率影响最大的影响因子系统应该重点防御波形的衰减常数和频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于S1中，基于高压冲击试验平台产生标准双指数波和非标准冲击波，所述高压冲击试验平台包括：测制系统、冲击电压发生器、试验罐体三大部分，其中：冲击电压发生器包括：电源模块、标准指数波模块、衰减振荡波模块；测制系统包括：电脑控制台、示波器；具体的：
电脑控制台连接冲击电压发生器向其发送触发信号和控制信号，冲击电压发生器接收到触发信号后开启电源模块，冲击电压发生器根据控制信号选择接入标准指数波模块或衰减震荡波模块，标准指数波模块和衰减震荡波模块连接试验罐体；试验罐体中设置有针电极和板电极，针电极和板电极间隙设置以模拟空气绝缘；针电极和板电极两端并联有高压分压器，高压分压器连接示波器进行显示，示波器还连接电脑控制台进行数据汇总。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于S1中，将“电压-击穿概率”数据换算在标准大气压条件下，采用玻尔兹曼函数拟合制得不同波形作用下短间隙空气绝缘的故障风险率曲线。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于S1中，采用多次击穿求概率的试验方法：每产生一种冲击波形，将其作用在空气间隙上，通过调整加压时间找到击穿概率为0的电压幅值，进而以固定步长调大电压，记录每一个电压幅值下对应的击穿概率；
每确定一个电压幅值，进行m次冲击试验，将击穿次数n除以m以得到次波形次电压幅值作用下的击穿概率。
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