一种基于有限元分析的GIS绝缘子缺陷电场仿真方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及GIS缺陷局部放电安全评估判别领域，特别涉及一种基于有限元分析的GIS绝缘子缺陷电场仿真方法。

背景技术

GIS是气体绝缘全封闭组合电器的简称，它具有占地面积小、密封性好、损耗较少等优点。但是近年来，国内外发生了多起各个等级开关设备的环氧绝缘闪络事故，如绝缘拉杆以及GIS盆式绝缘子的对地和相间闪络；初步认为这与环氧绝缘的表面状况有关，如存在金属颗粒、气隙和裂纹缺陷等。目前对环氧绝缘子存在表面缺陷时的长期运行中，从局部放电到闪络击穿的演变过程认识还不深入，对事故发生起因尚存在很大争议，亟需开展深入研究揭示闪络发生发展的演变过程及其影响因素。

近年来，国内外对GIS设备中绝缘子局部放电诱因进行部分研究，但对于从电场强度进行GIS绝缘子仿真的数据资料明显不足，无法从根本上判别局部放电产生的原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有限元分析的GIS绝缘子缺陷电场仿真方法，以解决现有技术存在的对于GIS绝缘缺陷局部放电产生原因判据不足以及对以往经验过于依赖的技术问题。本发明的GIS绝缘子缺陷仿真方法，能够为判断其局部放电产生原因提供理论上的支持。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于有限元分析的GIS绝缘子缺陷电场仿真方法，包括以下步骤：

基于有限元分析软件，构建绝缘子模型和GIS腔体模型，在所述绝缘子模型上构建绝缘子缺陷模型；

对绝缘子模型和绝缘子缺陷模型进行参数设置并进行网格划分，获得网格划分后的绝缘子模型和绝缘子缺陷模型；

在不同电压梯度下，调整绝缘子缺陷模型的类型、形状及位置，通过所述有限元分析软件对网格划分后的绝缘子模型和绝缘子缺陷模型进行仿真计算，获得绝缘子缺陷模型处的电场分布；

对获得的电场分布进行采样获得电场最大值，将所述电场最大值与预设的绝缘子环氧树脂击穿电场比较；其中，如果所述电场最大值较大，则对应绝缘子缺陷模型处发生局部放电。

本发明的进一步改进在于，所述GIS腔体模型采用空心圆柱模型。

本发明的进一步改进在于，所述GIS腔体模型所充气体为SF

本发明的进一步改进在于，所述绝缘子模型采用圆台模型，包括：导杆、电极和绝缘圆台。

本发明的进一步改进在于，所述导杆为金属导杆，所述电极为氧化铝，所述绝缘圆台为环氧树脂材料。

本发明的进一步改进在于，所述绝缘子缺陷模型包括：气隙缺陷模型、金属颗粒缺陷模型或裂纹缺陷模型。

本发明的进一步改进在于，所述气隙缺陷模型为椭球形仿真模型或球形仿真模型；所述金属颗粒缺陷模型为球形或线形金属颗粒模型；所述裂纹缺陷模型为横向裂纹缺陷模型。

本发明的进一步改进在于，所述气隙缺陷模型为椭球形仿真模型时，长半轴与短半轴的比值为k，k的取值范围为0.5～2。

本发明的进一步改进在于，所述调整绝缘子缺陷模型的类型、形状及位置中，调整绝缘子缺陷模型的形状及位置的步骤具体包括：

改变气隙缺陷模型的到导杆距离的大小；改变椭球形仿真模型的长半轴与短半轴的比值；改变金属颗粒缺陷模型到导杆距离的大小；改变裂纹缺陷模型到导杆距离的大小。

本发明的进一步改进在于，所述进行网格划分时，绝缘子模型的网格密度小于绝缘子缺陷模型的网格密度；采用的网格为自由四面体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法可对于绝缘子缺陷引起电场强度畸变大小进行仿真研究，能够将其电场的电场最大值与绝缘子环氧树脂击穿电场(可通过实验获得)比较，将其作为是否出现局部放电的理论依据，对于电场影响机理提供了理论上的支持，应用价值非常可观。本发明能够解决现有技术存在的对于GIS绝缘缺陷局部放电产生原因判据不足以及对以往经验过于依赖的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种基于有限元分析的GIS绝缘子缺陷电场仿真方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中，GIS盆式绝缘子仿真模型示意图；

图3是本发明实施例中，GIS绝缘子气隙、金属颗粒和裂纹缺陷模型的对比示意图；其中，图3中(a)为椭球形仿真模型示意图，图3中(b)为球形仿真模型示意图；

图4是本发明实施例中，GIS绝缘子气隙缺陷仿真模型位置变化示意图；

图5是本发明实施例中，GIS绝缘子金属颗粒缺陷仿真模型位置变化示意图；

图6是本发明实施例中，GIS绝缘子裂纹缺陷仿真模型位置变化示意图；

图7是本发明实施例中，气隙缺陷最大电场强度与其位置的关系曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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一部分实施例。基于本发明公开的实施例，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其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例的一种基于有限元分析的GIS绝缘子缺陷电场仿真方法，包括以下步骤：

(1)根据GIS内绝缘子缺陷的实际情况构建绝缘子模型、缺陷模型和GIS腔体模型；示例性的，所述实际情况包括绝缘子的型号、缺陷类型、位置和形状等。上述模型均基于有限元分析软件构建，软件可以是ansys，comsol等。

(2)依据实际绝缘子的材料参数设置模型参数；示例性的，绝缘子的参数包括绝缘子形状高度、圆台半径和导杆直径；缺陷模型为椭球形气隙缺陷时，设置长半轴与短半轴的比值k，k的取值范围为0.5-2；缺陷模型为线形的金属颗粒模型时，设置其底面半径和高度参数；缺陷模型为球形的金属颗粒模型时，设置球形半径；缺陷模型为裂纹缺陷时，设置半径和长度。

(3)调整绝缘子网格划分以得到更优电场分布；

(4)通过改变外施电压、改变缺陷形状和位置等参数并计算得出绝缘子缺陷处电场分布，并将其与绝缘子环氧树脂击穿电场比较，如果电场较大，该处发生局部放电现象。

请参阅图2和图3，根据本发明上述实施例，目前现存仿真中采用的绝缘子缺陷模型为球形，本发明实施例采用更符合实际情况的椭球形、圆柱形以简化实际缺陷。采用有限元对于椭球形以及圆柱形模型分析，可以得到更好的仿真结果。

本发明实施例中，步骤(1)具体包括根据GIS内绝缘子缺陷的实际情况构建绝缘子四种缺陷模型，包括：根据220kV GIS中盆式绝缘子的实际模型的大小形状，以构建仿真所用绝缘子模型以及腔体模型；根据真实情况下GIS盆式绝缘子的气隙缺陷、金属颗粒缺陷、裂纹缺陷的形状及位置，设计缺陷模型；其中，所述GIS腔体采用空心圆柱模型；所述绝缘子仿真模型采用圆台模型；所述气隙缺陷仿真模型包括椭球形和球形仿真模型；所述金属颗粒缺陷模型包括球形和线形金属颗粒模型；所述裂纹缺陷模型为横向裂纹缺陷模型。

本发明实施例中，步骤(2)具体包括以下步骤：

GIS盆式绝缘子仿真模型的电极为氧化铝；以环氧树脂材料为其绝缘部分；以铝制金属颗粒缺陷、气隙缺陷和横向裂纹缺陷为研究对象；GIS腔体所充气体为SF

本发明实施例中，步骤(3)中，所述调整绝缘子网格划分参数的步骤具体包括：

采用物理场控制网格初步划分绝缘子网格，并设置网格为自由四面体，再通过对缺陷位置网格进行细致划分，并对绝缘子拐角处网格做细化处理。

本发明实施例中，对模型改变施加电压以及缺陷形状、位置等参数并计算得出不同情况下绝缘子缺陷处电场值的步骤具体包括：

在不同的电压梯度下，不同的缺陷形状及位置时，仿真计算GIS中绝缘子缺陷处的电场分布。

本发明实施例中，改变不同缺陷形状及位置方法包括以下：通过改变球形以及椭球形气隙缺陷的到导杆距离的大小，仿真缺陷处电场分布；通过改变椭球形气隙缺陷的长半轴与短半轴的比值，仿真缺陷处电场强度大小；通过改变球形和线形金属颗粒缺陷到导杆距离的大小，仿真缺陷处电场分布；通过改变横向裂纹缺陷到导杆距离的大小，仿真缺陷处电场分布。

综上，本发明实施例提出了一种基于有限元分析软件的GIS绝缘子缺陷电场仿真方法，所述方法包括以下步骤：首先根据GIS内绝缘子缺陷的实际情况构建绝缘子模型、缺陷模型和GIS腔体模型；接着通过实际绝缘子的材料参数设置模型参数；再调整绝缘子网格划分以得到更优电场分布情况；最后对模型改变施加电压以及缺陷形状、位置等参数并计算得出不同情况下绝缘子缺陷处电场值。本发明通过对于GIS绝缘子缺陷电场强度的仿真计算，可为GIS环氧绝缘缺陷的局部放电的产生提供更加准确有效的判据。该方法对于GIS绝缘缺陷局部放电的产生提供了理论上的支持，为判断GIS绝缘缺陷局部放电诱因并对于局部放电发展提供了系统、有效的依据。该方法不仅简单实用，应用价值还非常可观。

本发明通过对于GIS绝缘子缺陷电场强度的仿真计算，可为GIS环氧绝缘缺陷的局部放电的产生提供更加准确有效的判据，该方法对于GIS绝缘缺陷局部放电的产生提供了理论上的支持，为判断GIS绝缘缺陷局部放电诱因并对于局部放电发展提供了系统、有效的依据。

本发明实施例方法的具体处理步骤如下：

(1)首先根据GIS内绝缘子缺陷的实际情况构建绝缘子模型、缺陷模型和GIS腔体模型，所述GIS绝缘子以及缺陷模型旨在还原GIS中绝缘子缺陷的分布情况，由所述绝缘子模型、GIS腔体模型和三种缺陷模型组成。其中绝缘子模型采用圆台组合的形式，缺陷模型分别气隙缺陷、金属颗粒缺陷模型和裂纹缺陷模型。绝缘子模型形状如图2所示，缺陷模型形状如图3所示。

(2)本发明中所述GIS绝缘缺陷模型的盆式绝缘子仿真模型由铝电极、环氧树脂材料组成，金属颗粒缺陷模型所设置材料为铝，气隙缺陷模型所设置材料为空气，裂纹缺陷模型所设置材料为SF

(3)所述通过调整绝缘子网格划分以得到更优电场分布情况的方法为：首先采用物理场控制网格对于模型进行初步划分，然后再对于缺陷部位等进行精细化处理，所采用的网格为自由四面体，最后对于绝缘子拐角处网格进行精细化处理。本发明主要研究缺陷对于绝缘子电场强度的影响，对于缺陷处进行精细化处理可以有效降低运算量，并得到较为准确的计算结果。

(4)对模型改变施加电压，并改变缺陷形状、位置等参数并计算得出不同情况下绝缘子缺陷处电场值。对于气隙缺陷，通过改变球形和椭球形气隙缺陷的到中心距离的大小，仿真缺陷处电场强度大小，以探究气隙位置对于绝缘子电场强度的影响；通过改变椭球形气隙缺陷的长半轴与短半轴的比值K，仿真缺陷处电场强度大小并研究气隙形状对于绝缘子电场强度的影响。对于金属颗粒缺陷，通过改变球形和圆柱形金属颗粒缺陷到中心距离的大小，仿真缺陷处电场强度大小以探究缺陷位置对于绝缘子电场强度的影响。对于裂纹缺陷，通过改变横向裂纹缺陷到中心距离的大小，仿真缺陷处电场强度大小，探究其位置对于电场的影响。缺陷位置变化图分别如图4、5、6所示，气隙缺陷电场强度与缺陷位置的关系曲线图如图7所示。由图分析可知，气隙缺陷使得绝缘子该处电场畸变，电场变大；并且，随着气隙距离中心导杆越近，其电场畸变越严重，当电场超过此处绝缘子环氧树脂击穿电场时，该处发生局部放电现象。

测试表明，本发明的系统性强，对于绝缘子缺陷引起电场强度畸变大小进行仿真研究，可将其最大电场与绝缘子环氧树脂击穿电场比较，可将其作为是否出现局部放电的理论依据，对于电场影响机理提供了理论上的支持，应用价值非常可观。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。