CN116151064A - 一种油纸绝缘套管芯体的介电参数多分区反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油纸绝缘套管芯体的介电参数多分区反演方法,属于电气技术领域。通过实验获取温度、水分分布对套管介电响应影响规律,并将套管芯体分为不同的区域,建立套管芯体多分区的有限元介电响应逆问题模型,并反演各分区的介电变量,从而获得套管芯体各区域的受潮情况。本发明所提出的方法能够根据多介质复合绝缘的整体介电响应反推得出其中每种介质单独的介电变量,能够弥补现有介电响应技术在应用中仅能得到整体介电响应,无法获知每部分单独介电特性的问题。
Description
技术领域
本发明属于电气技术领域,涉及一种油纸绝缘套管芯体的介电参数多分区反演方法。
背景技术
油纸绝缘套管是电网中使用较多的一类高压设备。套管中的油纸绝缘主体受潮将严重影响其安全稳定运行。受潮将导致严重的后果,例如加速绝缘纸老化、降低介电强度、产生气泡造成放电等。频域介电响应(Frequency Domain Spectroscopy,FDS)是一种近年来应用广泛的油纸绝缘无损受潮诊断方法,现有研究大多采用实验方法,初步建立了绝缘纸中的水分含量质量分数与介电响应各特性量之间的数值关联关系。但是,在介电响应技术的应用实践中,这些在实验室基于油纸绝缘样本得出的关系式却难以真正用于推断套管的微水含量信息,其原因在于套管是具有一定空间几何结构的实际设备,其内部的温度、水分必然具有非均匀分布特性,而套管仅能测得导杆与末屏之间的全局介电响应,其由油浸纸微观的介电响应特性及分布特性共同决定,存在固有的空间“平均效应”。因此,直接根据全局介电响应,并套用油纸绝缘样本的水分-介电关系式进行套管芯体的水分含量评估,其结果是不准确的。如何根据套管的介电响应,逆向解析获得其油纸绝缘芯体中的水分分布信息,是工程实际应用中的难点。
本发明针对这一问题,提出一种根据套管频域介电响应FDS,逆向解析套管芯体微水非均匀分布情况的方法。首先,通过实验获取温度、水分分布对套管FDS的影响规律,并将套管芯体分为不同的区域,建立套管芯体多分区的有限元介电响应逆问题模型,并反演各分区的介电变量,从而获得套管芯体各区域的受潮情况。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种油纸绝缘套管芯体的介电参数多分区反演方法。通过实验获取温度、水分分布对套管介电响应影响规律,并将套管芯体分为不同的区域,建立套管芯体多分区的有限元介电响应逆问题模型,并反演各分区的介电变量,从而获得套管芯体各区域的受潮情况。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种油纸绝缘套管芯体的介电参数多分区反演方法,该方法包括以下步骤:
S1:设计一个对应于真实套管的油纸绝缘套管模型,该套管模型的多个芯体极板带有引出端子,直接和外界测量装置相连;同时,采用多物理场分析软件,建立该套管模型的有限元分析模型;
S2:将套管模型中的芯体进行人工吸潮处理,得到具有不同水分分布的电容芯子;
S3:将电容芯子的导杆与大电流发生器相连,使得套管导杆流过不同大小的电流,用以模拟真实套管在运行中承受的负荷电流,并将套管置于可控温的温度箱中;通过调节负荷电流大小及温度箱的温度,控制套管中产生不同的温度场分布;
S4:采用介电响应测试仪,对S2制备的具有不同水分分布的电容芯子,在S3设定的温度分布情况下,在套管的全局端口进行频域介电响应FDS测量,分析不同的水分及温度分布对套管全局介电响应的影响规律;
S5:以电容芯体中的电容极板为分区,将电容芯体的引出端子进行排列组合,组成一系列n个子端口,分别测量各子端口的介电响应;
S6:对应于S4的全局端口,以及S5组合而成的各子分区端口,基于修正的Cole-Cole模型参量分别构建各自的介电变量集Xn:[ε∞,Δε,τ,σ,σho,γ],并采用该变量集对芯体全域,以及每一子分区的复介电常数进行表达:
其中,γ、n分别代表极化指数修正项;τ表示弛豫时间常数;σ、σho分别代表电导和跳跃电导;ε∞,Δε分别代表光频介电常数与介电常数增量;
S7:基于S1建立的有限元分析模型,开展宽频介电响应分析协同准静态场扫频分析,在仿真中改变各子端口间的介电变量,仿真计算得出对应的一系列全局端口介电变量,并结合此种情况下设定的各分区介电变量,组成分区模式研究的样本空间S;
S8:在样本空间S中,将主端口,以及各子端口的介电参量Xn进行相关性分析,相关性最高的几组介电参量X1…Xk对应的分区1…分区k为套管芯体非均匀受潮的最佳子分区组合模式,1≤k≤n;
S9:在S8确定的在最佳分区模式基础上,采用正交数值试验设计方法,基于极差分析对比X1…Xk中的不同介电变量组合对主端口变量的影响程度,并计算敏感性指标,确定出X1…Xk中的待反演变量;
S10:在S8确认的分区组合方式,以及S9确认的待反演变量的基础上,分别建立子分区及全局端口的介电参数反演逆问题模型,以非支配排序的多目标遗传算法NSGA-II同RBF神经网络的联合应用方法求解上述模型,建立水分分布-分区视在介电变量的首级映射关系模型,并以S1建立的套管限元分析模型,建立分区视在介电变量-大尺寸全局介电响应的次级映射模型;
S11:在S4-S9代表的正问题方向上,将S10中各子分区根据实测介电谱反演出的介电变量设定在S1的套管有限元模型中,进行有限元扫频分析,计算得出全局端口的介电响应,将其同全局端口的实测介电响应进行对比,获得次级映射的正向传递误差特性;
S12:S9所代表的逆问题方向上,对套管油纸绝缘在不同空间分区内取样绝缘纸,并采油样,采用宽频介电响应分析仪在对应分区平均温度下分别对纸样及油样进行介电响应测试,对次级映射特性进行试验验证;采用卡尔费休水分测试仪分别测试油浸纸及绝缘油中水分含量,对首级映射关系进行试验验证,对比分析两部分映射关系在不同温度及水分分布下的逆问题误差变化特性,验证本方法的正确性;
S13:根据反演出的各分区介电变量,基于油纸绝缘样本得出的微水含量-介电参量关系式,推断不同区域的微水含量,从而对套管芯体的非均匀受潮分布情况进行诊断和评估。
可选的,所述S2具体为:首先将未吸潮之前的芯体称重,吸潮一段时间后,通过控制增重从而确定电容芯子的水分含量质量分数;吸潮完成后,将套管芯体置于温度箱中,调节不同的温度,进行水分扩散;通过控制芯体的吸水量、温度、恒温时间,控制套管芯体产生不同的水分分布。
本发明的有益效果在于:
本发明所提出的方法能够根据多介质复合绝缘的整体介电响应反推得出其中每种介质单独的介电变量,能够弥补现有介电响应技术在应用中仅能得到整体介电响应,无法获知每部分单独介电特性的问题。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1为不同温度及水分分布下的套管多分区介电响应实验装置图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
1、设计一个对应于真实套管的套管模型,该套管模型的多个芯体极板带有引出端子,可直接和外界测量装置相连,如图1所示;同时,采用多物理场分析软件,建立该套管模型的有限元分析模型。
2、将套管模型中的芯体进行人工吸潮处理;首先将未吸潮之前的芯体称重,吸潮一段时间后,通过控制增重从而确定电容芯子的水分含量质量分数;吸潮完成后,将套管芯体置于温度箱中,调节不同的温度,进行水分扩散;通过控制芯体的吸水量、温度、恒温时间,即可控制套管芯体产生不同的水分分布。
3、将电容芯子的导杆与大电流发生器相连,从而使得套管导杆流过不同大小的电流,用以模拟真实套管在运行中承受的负荷电流,并将套管置于可控温的温度箱中;通过调节负荷电流大小及温度箱的温度,即可控制套管中产生不同的温度场分布。
4、采用介电响应测试仪,对上述第2步制备的具有不同水分分布的电容芯子,在第3步设定的温度分布情况下,在套管的全局端口(如图1中的主端口1)进行频域介电响应FDS测量,分析不同的水分及温度分布对套管全局介电响应的影响规律。
5、以电容芯体中的电容极板为分区,将电容芯体的引出端子(主端口1,端口2…端口n)进行排列组合,组成一系列子端口,分别测量各子端口的介电响应。
6、对应于第4步的全局端口,以及第5步组合而成的各子分区端口,基于修正的Cole-Cole模型参量分别构建各自的介电变量集Xn:[ε∞,Δε,τ,n,σ,σho,γ],并采用该变量集对芯体全域,以及每一子分区的复介电常数进行表达:
7、基于第1步建立的套管有限元模型,开展宽频介电响应分析协同准静态场扫频分析,在仿真中改变各子端口间的介电变量,仿真计算得出对应的一系列全局端口介电变量,并结合此种情况下设定的各分区介电变量,组成分区模式研究的样本空间S。
8、在样本空间S中,将主端口,以及各子端口的介电参量Xn进行相关性分析,相关性最高的几组介电参量X1…Xk对应的分区1…分区k即为套管芯体非均匀受潮的最佳子分区组合模式。
9、在第8步确定的在最佳分区模式基础上,采用正交数值试验设计方法,基于极差分析对比X1…Xk中的不同介电变量组合对主端口变量的影响程度,并计算敏感性指标,确定出X1…Xk中的待反演变量。
10、在第8步确认的分区组合方式,以及第9步确认的待反演变量的基础上,分别建立子分区及全局端口的介电参数反演逆问题模型,以非支配排序的多目标遗传算法NSGA-II同RBF神经网络的联合应用方法求解上述模型,从而建立水分分布-分区视在介电变量的首级映射关系模型,并以第1步建立的套管限元分析模型,建立分区视在介电变量-大尺寸全局介电响应的次级映射模型。
11、在第4-9步所代表的正问题方向上,将第10步中各子分区根据实测介电谱反演出的介电变量设定在第1步的套管有限元模型中,进行有限元扫频分析,计算得出全局端口的介电响应,将其同全局端口的实测介电响应进行对比,获得次级映射的正向传递误差特性。
12、第9步所代表的逆问题方向上,对套管油纸绝缘在不同空间分区内取样绝缘纸,并采油样,采用宽频介电响应分析仪在对应分区平均温度下分别对纸样及油样进行介电响应测试,对次级映射特性进行试验验证;采用卡尔费休水分测试仪分别测试油浸纸及绝缘油中水分含量,对首级映射关系进行试验验证,对比分析上述两部分映射关系在不同温度及水分分布下的逆问题误差变化特性,从而最终验证本方法的正确性。
13、根据反演出的各分区介电变量,依照现有文献在实验环境下,基于油纸绝缘样本得出的微水含量-介电参量关系式,即可推断不同区域的微水含量,从而对套管芯体的非均匀受潮分布情况进行诊断和评估。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种油纸绝缘套管芯体的介电参数多分区反演方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1:设计一个对应于真实套管的油纸绝缘套管模型,该套管模型的多个芯体极板带有引出端子,直接和外界测量装置相连;同时,采用多物理场分析软件,建立该套管模型的有限元分析模型;
S2:将套管模型中的芯体进行人工吸潮处理,得到具有不同水分分布的电容芯子;
S3:将电容芯子的导杆与大电流发生器相连,使得套管导杆流过不同大小的电流,用以模拟真实套管在运行中承受的负荷电流,并将套管置于可控温的温度箱中;通过调节负荷电流大小及温度箱的温度,控制套管中产生不同的温度场分布;
S4:采用介电响应测试仪,对S2制备的具有不同水分分布的电容芯子,在S3设定的温度分布情况下,在套管的全局端口进行频域介电响应FDS测量,分析不同的水分及温度分布对套管全局介电响应的影响规律;
S5:以电容芯体中的电容极板为分区,将电容芯体的引出端子进行排列组合,组成一系列n个子端口,分别测量各子端口的介电响应;
S6:对应于S4的全局端口,以及S5组合而成的各子分区端口,基于修正的Cole-Cole模型参量分别构建各自的介电变量集Xn:[ε∞,Δε,τ,σ,σho,γ],并采用该变量集对芯体全域,以及每一子分区的复介电常数进行表达:
其中,γ、n分别代表极化指数修正项;τ表示弛豫时间常数;σ、σho分别代表电导和跳跃电导;ε∞,Δε分别代表光频介电常数与介电常数增量;
S7:基于S1建立的有限元分析模型,开展宽频介电响应分析协同准静态场扫频分析,在仿真中改变各子端口间的介电变量,仿真计算得出对应的一系列全局端口介电变量,并结合此种情况下设定的各分区介电变量,组成分区模式研究的样本空间S;
S8:在样本空间S中,将主端口,以及各子端口的介电参量Xn进行相关性分析,相关性最高的几组介电参量X1…Xk对应的分区1…分区k为套管芯体非均匀受潮的最佳子分区组合模式,1≤k≤n;
S9:在S8确定的在最佳分区模式基础上,采用正交数值试验设计方法,基于极差分析对比X1…Xk中的不同介电变量组合对主端口变量的影响程度,并计算敏感性指标,确定出X1…Xk中的待反演变量;
S10:在S8确认的分区组合方式,以及S9确认的待反演变量的基础上,分别建立子分区及全局端口的介电参数反演逆问题模型,以非支配排序的多目标遗传算法NSGA-II同RBF神经网络的联合应用方法求解上述模型,建立水分分布-分区视在介电变量的首级映射关系模型,并以S1建立的套管限元分析模型,建立分区视在介电变量-大尺寸全局介电响应的次级映射模型;
S11:在S4-S9代表的正问题方向上,将S10中各子分区根据实测介电谱反演出的介电变量设定在S1的套管有限元模型中,进行有限元扫频分析,计算得出全局端口的介电响应,将其同全局端口的实测介电响应进行对比,获得次级映射的正向传递误差特性;
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2.根据权利要求1所述的一种油纸绝缘套管芯体的介电参数多分区反演方法,其特征在于:所述S2具体为:首先将未吸潮之前的芯体称重,吸潮一段时间后,通过控制增重从而确定电容芯子的水分含量质量分数;吸潮完成后,将套管芯体置于温度箱中,调节不同的温度,进行水分扩散;通过控制芯体的吸水量、温度、恒温时间,控制套管芯体产生不同的水分分布。
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