套管模型制造系统的制作方法

本实用新型涉及变压器领域，特别是涉及一种套管模型制造系统。

背景技术：

近年来，由于套管主绝缘内部放电，绝缘性能劣化导致的500kV变压器油纸绝缘套管爆炸事故频发，事故现场燃烧猛烈、变压器损毁严重，事故造成重大经济损失，且存在人员安全隐患。

一般的，110kV及以上电压等级的超特高压套管(330kV～1100kV超特高压套管)均采用电容式套管，其主绝缘为内置一系列的铝箔电极构成的同轴串联电容器，电容式套管主绝缘性能的优劣是其绝缘可靠性的关键，因此，可通过对套管进行主绝缘性能测试以避免超特高压套管爆炸事故发生。然而，在实验室及工程实际中，对于330kV～1100kV超特高压套管试验尤其对于500kV、750kV及1100kV等体积庞大的套管试验有很多不便，一方面高电压等级套管尺寸过大，试验电压过高、电流过大，使得试验成本过高，试验周期过长，测试操作困难，不利于绝缘结构的优化设计及性能考核的高效进行；另一方面，内部放电、产气情况看不见、摸不着，对实际高电压等级套管内部绝缘状况的监测较为困难，难以在试验中获得套管内部电场分布及放电规律。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统超特高压套管测试成本高、测试周期长且测试结果监测困难的问题，提供一种套管模型制造系统。

一种套管模型制造系统，包括：

上位机，用于确定超特高压套管模型的电容极板层数、各层电容极板的极板长度和层间厚度；

卷制机，与上位机连接，用于根据超特高压套管模型的电容极板层数和层间厚度数据对符合超特高压套管模型的各层电容极板的极板长度的各层电容极板进行电缆纸的卷制，形成超特高压套管模型电容芯子；

烘干机，与卷制机连接，用于对超特高压套管模型电容芯子进行干燥处理；

浸油装置，与烘干机连接，用于对干燥后的超特高压套管模型电容芯子进行变压器油浸渍处理；

装配装置，与浸油装置连接，用于将浸渍变压器油后的超特高压套管模型电容芯子与外壳进行组装，形成超特高压套管模型。

上述套管模型制造系统套管模型制造系统通过上位机确定超特高压套管模型的电容极板层数、各层电容极板的极板长度和层间厚度，卷纸机再根据超特高压套管模型的电容极板层数和层间厚度数据对符合超特高压套管模型的各层电容极板的极板长度各层电容极板卷制电缆纸，形成超特高压套管模型电容芯子，再对超特高压套管模型电容芯子进行干燥、浸油及装配工艺，完成超特高压套管模型生产。上述套管模型制造系统实现了超特高压套管模型的生产，超特高压套管模型体积小，测试方便，通过对超特高压套管模型与原型进行试验测量即可预测大型原型超特高压套管的电气特性及放电规律，能够大大降低超特高压套管主绝缘性能测试的试验成本、缩短试验周期、测试操作方便、测试结果监测方便，为大型超特高压套管的绝缘性能预测及优化提供理论及试验支撑，以有效避免超特高压套管爆炸事故发生。

在其中一个实施例中，上位机包括输入模块、微处理器和输出模块；

输入模块用于获取预设缩比系数和原型超特高压套管的电容屏数、最高工作相电压、第零层电容极板长度和层间厚度数据，并将接收到的数据发送至微处理器；

微处理器用于根据原型超特高压套管的电容屏数和最高工作相电压确定超特高压套管模型的电容极板层数；并根据预设缩比系数、原型超特高压套管的第零层电容极板长度和层间厚度确定超特高压套管模型各层电容极板的极板长度和层间厚度；

输出模块用于输出电容极板层数、电容极板长度和层间厚度数据。

在其中一个实施例中，还包括切割机，切割机与上位机连接，用于根据电容极板长度切割电容极板，使电容极板长度达到加工要求。

在其中一个实施例中，干燥机包括干燥箱、第一加热装置和第一真空泵，第一加热装置和第一真空泵均与干燥箱连接。

在其中一个实施例中，浸油装置包括浸油罐、第二加热装置和第二真空泵，浸油罐内装有变压器油，第二加热装置和第二真空泵均与浸油罐连接。

在其中一个实施例中，浸油装置还包括检漏装置，检漏装置设置在浸油罐内，用于检测超特高压套管模型电容芯子是否漏油。

在其中一个实施例中，超特高压套管模型的第零层电容极板为导电杆，其它层电容极板为铝箔极板。

在其中一个实施例中，外壳为绝缘玻璃外壳。

附图说明

图1为一个实施例中套管模型制造系统的结构示意图；

图2为一个实施例中干燥机对超特高压套管模型进行干燥处理的工艺流程图；

图3为一个实施例中浸油机对超特高压套管模型进行浸油处理的工艺流程图；

图4为一个实施例中套管模型制造系统生产超特高压套管模型的生产流程图；

图5为一个实施例中仿真超特高压套管模型的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，一种套管模型制造系统，包括：

上位机110，用于确定超特高压套管模型的电容极板层数、各层电容极板的极板长度和层间厚度。

卷制机120，与上位机110连接，用于根据超特高压套管模型的电容极板层数和层间厚度数据对符合超特高压套管模型的各层电容极板的极板长度的各层电容极板进行电缆纸的卷制，形成超特高压套管模型电容芯子。

烘干机130，与卷制机120连接，用于对超特高压套管模型电容芯子进行干燥处理。

浸油装置140，与烘干机130连接，用于对干燥后的超特高压套管模型电容芯子进行变压器油浸渍处理。

装配装置150，与浸油装置140连接，用于将浸渍变压器油后的超特高压套管模型电容芯子与外壳进行组装，形成超特高压套管模型。

上述套管模型制造系统套管模型制造系统通过上位机确定超特高压套管模型的电容极板层数、各层电容极板的极板长度和层间厚度，卷纸机再根据仿真超特高压套管模型的电容极板层数和层间厚度数据对符合仿真超特高压套管模型的各层电容极板的极板长度各层电容极板卷制电缆纸，形成超特高压套管模型电容芯子，再对超特高压套管模型电容芯子进行干燥、浸油及装配工艺，完成超特高压套管模型生产。上述套管模型制造系统实现了超特高压套管模型的生产，超特高压套管模型体积小，测试方便，通过对超特高压套管模型与原型进行试验测量即可预测大型原型超特高压套管的电气特性及放电规律，能够大大降低超特高压套管主绝缘性能测试的试验成本、缩短试验周期、测试操作方便、测试结果监测方便，为大型超特高压套管的绝缘性能预测及优化提供理论及试验支撑，以有效避免超特高压套管爆炸事故发生。

在一个实施例中，上位机包括输入模块、微处理器和输出模块，微处理器分别与输入模块和输出模块连接。输入模块用于获取预设缩比系数和原型超特高压套管的电容屏数、最高工作相电压、第零层电容极板长度和层间厚度数据，并将接收到的数据发送至微处理器。具体的，输入模块包括键盘、鼠标或触摸屏中的一种或多种。微处理器用于根据原型超特高压套管的电容屏数和最高工作相电压确定超特高压套管模型的电容极板层数；并根据预设缩比系数、原型超特高压套管的第零层电容极板长度和层间厚度确定超特高压套管模型各层电容极板的极板长度和层间厚度发送至输出模块，输出模块用于输出电容极板层数、电容极板长度和层间厚度数据。具体的，输出模块包括显示屏或无线通信模块。

具体的，在一个实施例中，根据试验需求及国标GB/T156-2007《标准电压》规定，选择满足试验条件并符合芯子场强控制要求的电压等级(U₀)；根据制作的可行性，选择与缩比模型缩比系数适合的较小规格的导电杆做为第零层电容极板，选定导电杆半径，即第零层电容极板的半径。同时，预设超特高压套管模型的电场分布与原型超特高压套管的电场分布偏差不大于±5％，根据原型超特高压套管的场强分布特点，计算超特高压套管模型的电容芯子径向场强最大值、上台阶轴向场强最大值及下台阶轴向场强最大值的取值范围，选取预估电容芯子径向场强最大值、上台阶轴向场强最大值及下台阶轴向场强最大值确定超特高压套管模型各层电容极板的极板长度和层间厚度。

微处理器根据原型超特高压套管的电容屏数和最高工作相电压计算超特高压套管模型的电容极板层数，具体电容极板层数的选择如下：根据高电压等级套管电容屏数(N_t)及最高工作相电压(U_t)，利用相似性，超特高压套管模型模型电容极板层数为N＝N_t/U_t×U₀。

微处理器根据预设缩比系数、原型超特高压套管的第零层电容极板长度和层间厚度计算超特高压套管模型各层电容极板的极板长度和层间厚度。

具体的，层间厚度选择原型超特高压套管的平均层间厚度。电容极板长度方面，第零屏电容极板长度L₀根据缩比系数计算获得,即L₀＝L₀′×s(1)，其中L₀′为原套管模型第零屏长度。其余极板长度根据轴向场强分布的要求，由极板的台阶长度递推计算公式获得，公式为：

L_i＝L_i-1+λ_i上+λ_i下，(i＝1～n)； (2)

其中λ_i上为第i层极板的上极差，λ_i下为第i层极板的下极差。

具体的，上极差λ_i上、下极差λ_i上分别通过以下公式计算得到：

首先，根据层间厚度递推公式计算各层电容极板的极板半径，层间厚度递推公式如下：d_i＝(r_i-r_i-1)*2，(i＝1～n)；(3)其中，d_i为第i层电容极板与第i-1层电容极板之间的层间厚度，r_i为第i层电容极板的极板半径。

本实施中，层间厚度d_i为原型超特高压套管的平均层间厚度，初始建模阶段各层电容极板之间层间厚度相同，第零层电容极板的半径即为导电杆半径，由以上公式(3)递推计算各层电容极板的极板半径。

之后，根据预估电容芯子径向场强最大值和各层电容极板的极板半径通过径向场强计算公式计算各层电容极板之间的分压电压ΔU_i。最后，根据轴向场强计算公式分别计算上极差λ_i上和下极差λ_i下。

进一步的，在一个实施例中，微处理器通过上述公式计算各层电容极板长度和层间厚度后，还可以依据电容分压原理及电场计算公式进行迭代计算，调整电容极板长度及层间厚度，以使超特高压套管模型的电场分布的最大值与原型超特高压套管相近，最终确认电容极板长度及层间厚度。

依据场强等效原则，超特高压套管模型的径向场强、上、下台阶轴向场强最大值均匀部位的最大值与实际高压套管相似，根据真型套管各绝缘层电场分布曲线调整电容极板长度及层间厚度，使得超特高压套管模型的电场分布的最大值与原型超特高压套管相近，且偏差不超过±5％。各层电容极板的极板长度分别对应高电压等级套管上、下台阶场强最大值偏差小于±5％的原则调整；层间绝缘厚度方面，根据电容分压原理，调节极板间的厚度使得芯子场强分布达到与真型套管场强分布相近的原则。

如图1所示，在一个实施例中，上述套管模型制造系统还包括切割机160，切割机160与上位机110连接，用于根据电容极板长度切割电容极板，使电容极板长度达到加工要求。进一步的，切割机160还与卷制机120连接，将切割后的电容极板传送至卷制机。

在一个实施例中，卷制机120根据所述仿真超特高压套管模型的电容极板层数和层间厚度数据对切割机160切割好的各层电容极板卷制电缆纸，形成超特高压套管模型电容芯子。具体的，超特高压套管模型电容芯子的卷制方式与原型超特高压套管的电容芯子的卷制方式相同，包括条卷、整卷、热棍温度等方式保持一致，以保证超特高压套管模型和原型超特高压套管在工艺上的一致性。

在一个实施例中，干燥机130包括干燥箱、第一加热装置和第一真空泵，第一加热装置和第一真空泵均与干燥箱连接。具体的，烘干机30对超特高压套管模型电容芯子进行加热干燥、低真空干燥及高真空干燥处理，以除去超特高压套管模型电容芯子的含水量，干燥后超特高压套管模型电容芯子的含水量为5％以下。

如图2所示，在一个实施例中，超特高压套管模型电容芯子放置在干燥箱内，之后调节第一加热装置和第一真空装置，分别对超特高压套管模型电容芯子进行加热干燥、低真空干燥和高真空干燥处理，具体加热干燥的压力为大气压，温度为110±10℃；低真空干燥的压力小于14Pa，温度为110±10℃；高真空干燥的压力大于或等于14Pa，温度为110±10℃。完成高真空干燥处理后，干燥箱内压力恢复大气压，温度降到50℃～60℃，电容芯子干燥处理结束，将超特高压套管模型电容芯子移出干燥箱，进入下一道工序。

在一个实施例中，浸油装置140包括浸油罐、第二加热装置和第二真空泵，浸油罐内装有变压器油，第二加热装置和第二真空泵均与浸油罐连接。具体的，浸油装置在真空加热条件下对干燥后的超特高压套管模型电容芯子进行变压器油浸渍处理，使电容芯子充分浸渍变压汽油。

进一步的，在一个实施例中，浸油装置140还包括检漏装置，检漏装置设置在浸油罐内，用于检测超特高压套管模型电容芯子是否漏油。

如图3所示，在一个实施例中，将干燥后的超特高压套管模型电容芯子置于浸油罐内，之后通过第二加热装置和第二真空装置调节浸油罐内的温度及压力，对超特高压套管模型电容芯子进行检漏和浸油处理。具体的，浸油装置首先对超特高压套管模型电容芯子进行加热抽真空处理，除去超特高压套管模型电容芯子电缆纸内部的气泡，保证超特高压套管模型电容芯子能够充分浸油，加热抽真空处理的管内压力小于等于14Pa，温度为75±5℃。之后，分别对超特高压套管模型电容芯子进行负压检漏和保压检漏处理，以避免模型产品漏油，具体负压检漏的管理压力小于或等于40Pa，保压检漏的管内压力不大于14Pa，保压检漏时长为5min～15min。检漏处理后再对超特高压套管模型电容芯子进行加热抽真空处理，使浸油罐内的压力小于或等于14Pa，温度达到75±5℃，去除电缆纸内部的气泡，之后将超特高压套管模型电容芯子放入变压器油中浸油，浸油温度为75±5℃，浸油完成后，再次对超特高压套管模型电容芯子进行加热抽真空处理，确保电缆纸内部无气泡，最后，进行降温处理，将管内压力恢复至大气压，温度调节至室温，超特高压套管模型电容芯子浸油结束。

装配装置150将浸油后的超特高压套管模型电容芯子与外壳组装,形成超特高压套管模型，在一个实施例中，外壳为绝缘玻璃外壳。

为保证超特高压套管模型除要与原型超特高压套管的电场分布相似，需要保持电气特性一致和结构相似。为保证超特高压套管模型和原型超特高压套管在电气特性上的一致性，超特高压套管模型选材需与原型超特高压套管相同，包括选用的绝缘材料类型、介电常数、电阻率等均相同。在一个实施例中，超特高压套管模型的第零层电容极板为导电杆，其它层电容极板为铝箔极板。

进一步的，结构相似包括超特高压套管模型的主绝缘结构与实际超特高压高压套管相似，均为同轴圆柱型绝缘结构，内置具有一定长度、一定数量的铝箔极板，极板层间厚度极板的数量及长度由上位机依据实际套管层间厚度，场强分布目标计算获得，以保证超特高压套管模型和实际超特高压高压套管在结构上的相似性。

为便于理解，以下结合图4、图5列举具体实施例对应用套管模型制造系统生产超特高压套管模型的过程进行详细说明。本实施例中，以500kV油纸绝缘套管的缩比模型设计为例进行说明。

本实施例中，通过上位机确定的超特高压套管模型的电容极板层数、各层电容极板的极板长度和层间厚度加工生产图5所示的超特高压套管模型500，具体超特高压套管模型生产过程如下。

如图4所示，首先，分析原500kV油纸绝缘套管的主要结构特点及场强分布特点。具体的，原型套管的结构类型为油纸电容式，额定电压为500kV，极板层数为70层，第零层极板长度6079mm，绝缘厚度具有0.9mm、1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm五个梯度。经对该套管的电场分析，原型套管的场强分布特点如下：主绝缘中部场强分布的最大值即径向场强最大值为4.51kV/mm，上台阶轴向场强最大值为0.108kV/mm，下台阶轴向场强最大值0.43kV/mm。

其次，设定缩比系数、模拟的关键场强分布及偏差阈值。为模拟该套管内部放电规律及电气特性，取场强最大值为模拟关键点，场强最大值偏差范围设置为±5％，缩比系数s选为1/10。

设定缩比系数、模拟的关键场强分布及偏差阈值后，根据原型套管的结构类型确定缩比模型的结构类型。之后，设定缩比模型即超特高压套管模型的电压，本实施例中，缩比模型电压等级的选择，依据GB/T156-2007《标准电压》中推荐设备最高电压系列，如7.2kV、12kV、24kV、40.5kV、72.5kV、126kV、252kV、363kV、550kV、800kV、1100kV，考虑试验电源及试验场地，缩比模型电压等级U₀选为40.5kV。

然后，选定缩比模型的导电杆直径。本实施例中，缩比模型中心导电杆直径的选择，考虑现有工艺卷制的可行性，导电杆510直径选为46mm。

完成上述结构分析和电场分析，设定参数后，通过输入模块输入各参数至上位机，微处理器根据获取到的各项参数计算仿真超特高压套管模型的电容极板层数和各层电容极板520的极板长度，确定超特高压套管模型的电容极板层数、各层电容极板的极板长度和层间厚度。

具体的，微处理器首先进行电容极板层数的选择，原型550kV油纸绝缘套管的电容屏数N_t为70层，最高工作相电压U_t为550kV，依据电容极板层数计算公式计算，套管模型电容极板层数为：N＝N_t/U_t×U₀＝5.15，考虑模型内部放电的多样性，套管模型层数取6层。

之后，微处理器计算超特高压套管模型各层电容极板520的极板长度和层间厚度。层间厚度方面，选择原型套管的平均层间厚度，超特高压套管模型的层间厚度d＝(0.9+1+1.2+1.4+1.6)/5＝1.25mm。极板长度方面，第零屏电容极板长度L₀根据缩比系数由公式(1)计算获得,其余极板长度根据轴向场强分布的要求，由极板的台阶长度递推计算公式即公式(2)L_i＝L_i-1+λ_i上+λ_i下，(i＝1～n)计算得到。

进一步的，依据套管主绝缘场强偏差不大于±5％的原则，本实施例中，缩比模型电容芯子绝缘径向场强最大值取4.28kV/mm与4.73kV/mm之间，上台阶轴向场强最大值取0.102kV/mm和0.11kV/mm之间，下台阶轴向场强最大值取0.409kV/mm和0.45kV/mm之间。

根据上述计算得到的层间厚度及选定的导电杆直径、缩比模型电容芯子绝缘径向场强最大值、上台阶轴向场强最大值和下台阶轴向场强最大值，通过公式(3)、和径向场强计算公式及轴向场强计算公式计算上极差λ_i上和下极差λ_i下，将计算结果代入公式(2)计算得到各级电容极板520的极板长度。

进一步的，得到超特高压套管模型的电容极板长度及层间厚度后，根据场强分布要求，依据电容分压原理及电场计算公式进行迭代计算调节超特高压套管模型的电容极板长度及层间厚度，确定缩比模型结构参数。具体的，本实施例中确定超特高压套管模型的电容极板参数如以下表1所示。

表1电容极板参数

确定超特高压套管模型的电容极板参数后加工生产超特高压套管模型，得到超特高压套管模型500，如图5所示。具体的，先通过卷制机绕制电容芯子，对导电杆510和电容极板520卷制电缆纸530，电容芯子卷制按照仿真设计图样要求控制绝缘层外径。本实施例中，卷制机采用小型卷制机，卷制过程中应用红蓝笔标记，卷制过程中严禁落入铝屑、纸屑、头发等杂物，并且电缆纸及铝箔需保持一定的张力，不得起皱纹和鼓包，不得撕裂。最后，芯子制作完毕后，通过干燥机、浸油装置和装配装置对电容芯子进行干燥、浸油及外壳装配处理，形成超特高压套管模型，完成超特高压套管模型生产。

上述套管模型制造系统根据相似原理，针对目标超特高压套管结构特点及场强分布情况，通过上位机确定超特高压套管模型的电容极板层数、各层电容极板的极板长度和层间厚度，且超特高压套管模型卷制过程中，其卷制工艺及材料选材上均与原型超特高压套管相同，以保证超特高压套管模型与原型超特高压套管的电气特性一致，使得仿真超特高压套管模型与原型超特高压套管在结构及场强分布均相似。最终，通过生产出的超特高压套管模型可预测大型原型超特高压套管的电气特性及放电规律。上述超特高压套管模型实现了超特高压套管模型的设计，超特高压套管模型可有效反映原型超特高压套管关键部位的电气特性，降低超特高压套管主绝缘测试试验成本，缩短试验周期，为提高超特高压套管的绝缘性能及工艺优化提供理论及试验支撑。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。