一种复合绝缘子伞裙破损诊断方法与流程

本发明涉及复合绝缘子伞裙诊断技术领域，尤其涉及一种复合绝缘子伞裙破损诊断方法。

背景技术：

复合绝缘子因其良好的绝缘性能、耐污闪、重量轻和维护简单等特点被广泛用于输电线路。在挂网运行条件下，复合绝缘子会经历高温、潮湿、盐雾、紫外线照射、日光照射、淋雨、高电压等因素的综合作用，经过长年累月的累积会使复合绝缘子的外观及性能发生一系列的变化，其中最直观、最明显的变化在于其伞裙的外观老化。很多情况都会对绝缘子伞裙造成破坏，过于猛烈的大风可能会从根部的位置撕裂伞裙，鸟类的啄食也有可能会使得伞裙损坏。统计显示，自从2005年至今，河南省、湖北省、浙江省等几个省份的4条交、直流线路上，已经有87支甚至更多的复合绝缘子由于遭受鸟啄而被损害，伞裙破损后会使爬电距离减少，泄漏电流加大，从而加速绝缘子伞裙的老化。研究伞裙破损后其表面、沿面以及空间轴向电场能够判断出破损伞裙位置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种复合绝缘子伞裙破损诊断方法，解决现有技术复合绝缘子伞裙损害后不能及时发现，会使爬电距离减少，泄漏电流加大，从而加速绝缘子伞裙的老化的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种复合绝缘子伞裙破损诊断方法，包括以下步骤,

a、建立110kv复合绝缘子伞裙三维完好模型，分析伞裙表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图；

b、建立110kv复合绝缘子伞裙三维破损模型，改变破损的程度和位置，分析其表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图；

c、对比分析步骤a和b分别得到完好及破损复合绝缘子伞裙的表面电场、沿面电场和空间轴向电场,判断出伞裙的破损位置。

进一步的，步骤a和b中分析的所述沿面电场为沿面一维电场。

再进一步的，通过分别计算分析完好及破损的复合绝缘子伞裙的表面电场、沿面电场和空间轴向电场分别绘制得到表面电场图、沿面电场图和空间轴向电场图，进行对比分析。

再进一步的，步骤a中，包括以下步骤，

a1、利用comsol仿真软件中的几何模块建立1：1的复合绝缘子伞裙完好三维模型；

a2、根据实际运行的复合绝缘子串为模型给每个组成部分设置相应的材料；

a3、根据实际运行情况结合仿真的边界条件给复合绝缘子串模型施加相应的电势；

a4、综合考虑运算时间和精度，为不同组成部分进行不同尺度的剖分；

a5、通过计算得到表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图。

再进一步的，步骤a3中，包括以下步骤：

在忽略空间电荷影响的情况下，可以采用相应的静电场方法求解。因此复合绝缘子串表面及周围介质中的电场求解满足：

公式中：参数e为介质区的电场强度，单位为n/c；参数ε为介质的介电常数；参数ρ为空间电荷体密度，单位为c/m³，电位函数满足公式(3)：

计算复合绝缘子伞裙表面及周围介质中的电场分布时，空气域的相对介电常数为1；伞裙的相对介电常数为6；护套的相对介电常数为4；钢脚和铁帽的介电常数为1000；

复合绝缘子串空间电场计算是一个开域计算问题，但是开域是无法直接进行精确计算的，本文利用有限元建模技术将无限大的空气域问题转化为有限域的问题，从而解决了对开域直接进行计算的棘手问题；计算时，采用第1类边界条件为：

上述公式中：γ0为空气域边界和绝缘子低压端；γk为绝缘子高压端，式(4)-(5)组成了完整的边值问题。

再进一步的，步骤a4中，通过局部细化剖分方法对于绝缘子等细小复杂的区域进行高精度剖分，最小网格尺寸选取5mm，同时对尺寸大而又规则的空气域进行粗略剖分，三维模型空气域的最大网格尺寸可以取为50mm。

再进一步的，步骤a5中，包括以下步骤，表面的选取为选取整个复合绝缘子串的表面，伞裙沿面一维曲线和距离复合绝缘子串的芯棒外表面d＝250mm处的空间轴向曲线，得到相应的电场图和电场分布曲线。

再进一步的，步骤b中，包括以下步骤，

b1、利用comsol仿真软件中的几何模块建立1：1的复合绝缘子伞裙破损三维模型；

b2、根据实际运行的复合绝缘子串为模型每个组成部分设置相应的材料；

b3、根据实际运行情况结合仿真的边界条件给复合绝缘子串模型施加相应的电势；

b4、考虑运算时间和精度，为不同部分进行不同尺度的剖分；

b5、计算选取得到表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明使用时，通过输电线路上的监控图像，对复合绝缘子伞裙进行分析，通过本发明的方法研究伞裙破损后其表面、沿面以及空间轴向电场能够判断出破损伞裙的位置和程度，从而快速的对伞裙进行调整或更换，有效避免泄漏电流加大导致的加速绝缘子伞裙老化的问题。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明复合绝缘子伞裙破损诊断方法流程图；

图2为本发明复合绝缘子伞裙完好结构示意图；

图3为本发明复合绝缘子伞裙破损结构示意图；

图4为本发明复合绝缘子伞裙剖分示意图；

图5为本发明表面、沿面和空间轴向电场的选取示意图；

图6为本发明复合绝缘子伞裙完好表面电场图；

图7为本发明复合绝缘子伞裙完好沿面电场曲线图；

图8为本发明复合绝缘子伞裙完好空间轴向电场曲线图；

图9为本发明复合绝缘子伞裙破损实物图；

图10-1、10-2、10-3为本发明复合绝缘子伞裙高压端、中压端、低压端破损表面电场图；

图11-1、11-2、11-3为本发明复合绝缘子伞裙高压端、中压端、低压端破损沿面电场曲线图；

图12为本发明复合绝缘子伞裙破损空间轴向电场曲线图；

图13为本发明复合绝缘子伞裙破损较大时表面电场图；

图14为本发明复合绝缘子伞裙破损较小时表面电场图；

图15为本发明复合绝缘子伞裙破损较大时沿面电场曲线图；

图16为本发明复合绝缘子伞裙破损较小时沿面电场曲线图；

图17为本发明复合绝缘子伞裙两种破损程度的空间轴向电场曲线图；

附图标记说明：1、高压端；2、中压端；3、低压端。

具体实施方式

如图1-5所示，一种复合绝缘子伞裙破损诊断方法，包括以下步骤,

a、建立110kv复合绝缘子伞裙三维完好模型，分析伞裙表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图；

b、建立110kv复合绝缘子伞裙三维破损模型，改变破损的程度和位置，分析其表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图；

c、对比分析步骤a和b分别得到完好及破损复合绝缘子伞裙的表面电场、沿面电场和空间轴向电场,判断出伞裙的破损位置。

其中，多个复合绝缘子伞裙与护套连接在芯轴(棒)上形成复合绝缘子串，主要应用在输电线路上，复合绝缘子串上的电场分布从下向上依次是高压端1、中压端2和低压端3。

步骤a和b中分析的所述沿面电场为沿面一维电场，且表面电场图为空间三维图，空间轴向电场也为一维图。通过分别计算分析完好及破损的复合绝缘子伞裙的表面电场、沿面电场和空间轴向电场分别绘制得到表面电场图、沿面电场图和空间轴向电场图，进行对比分析。

步骤a中，包括以下步骤，

a1、利用comsol仿真软件中的几何模块建立1：1的复合绝缘子伞裙完好三维模型；

a2、根据实际运行的复合绝缘子串为模型给每个组成部分设置相应的材料；

a3、根据实际运行情况结合仿真的边界条件给复合绝缘子串模型施加相应的电势；

a4、综合考虑运算时间和精度，为不同组成部分进行不同尺度的剖分；

a5、通过计算得到表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图。

步骤a3中，包括以下步骤：

为了计算复合绝缘子伞裙的电场分布，需要建立复合绝缘子伞裙所满足的电场控制方程。在复合绝缘子伞裙高压端施加63.5kv的交流相电压，即110kv绝缘子的最大幅值电压。对于复合绝缘子伞裙内部及其周围空气中电场分布情况的分析，在忽略空间电荷影响的情况下，可以采用相应的静电场方法求解。因此复合绝缘子串表面及周围介质中的电场求解满足：

公式中：参数e为介质区的电场强度，单位为n/c；参数ε为介质的介电常数；参数ρ为空间电荷体密度，单位为c/m³，电位函数满足公式(3)：

计算复合绝缘子伞裙表面及周围介质中的电场分布时，空气域的相对介电常数为1；伞裙的相对介电常数为6；护套的相对介电常数为4；钢脚和铁帽的介电常数为1000。

复合绝缘子串空间电场计算是一个开域计算问题，但是开域是无法直接进行精确计算的，本文利用有限元建模技术将无限大的空气域问题转化为有限域的问题，从而解决了对开域直接进行计算的棘手问题。计算时，采用第1类边界条件为：

上述公式中：γ0为空气域边界和绝缘子低压端；γk为绝缘子高压端。式(4)-(5)组成了完整的边值问题。

步骤a4中，包括以下步骤：采用四面体作为基本单元对整个模型进行网格剖分。考虑到导线和绝缘子的尺寸远小于整个空气域的大小，为了提高实验运算效率，减少软件运行时间，选择局部细化剖分方法。通过局部细化剖分方法，可以对于导线和绝缘子等细小复杂的区域进行高精度剖分，最小网格尺寸选取5mm以保证计算精度。同时对尺寸大而又规则的空气域进行粗略剖分从而减少仿真过程中不必要的计算量，因此三维模型空气域的最大网格尺寸可以取为50mm，在确保了一定精度的条件下又可以在一定程度上提高计算速度，剖分后的模型数量约有250万个单元，

a5包括以下步骤：

仿真计算模型布设在一台36核处理器、128gb内存的工作站上，计算模型单次计算需要用时约1.5小时。计算结束后，分别选取复合绝缘子的整个表面、沿面一维曲线和距离复合绝缘子串的芯棒外表面d＝250mm处的空间轴向曲线，得到相应的电场图和电场分布曲线。

如图6所示，可以得出复合绝缘子伞裙完好时，表面电场强度分布规律：复合绝缘子高压端和低压端的连接金具处表面场强最大，达到43kv/m左右；靠近高压端的两片伞裙和靠近低压端的两片伞裙电场强度次高；而位于绝缘子串中间的伞裙表面场强最小，仅有10kv/m左右。

如图7所示，绝缘子完好时，沿面电场曲线整体呈不对称“u”型，高压端和低压端场强大，中压端场强小。如图7中1区域所示，每一个开口向上的抛物线为一个完整的伞裙沿面电场曲线，共有25个类似的区域，结合沿面电场的区域选取可知，从下伞裙内侧到边缘，场强逐渐减小，在下伞裙与上伞裙交界处，场强达到最小值，之后场强又逐渐增大，到上伞裙内侧达到最大。由于伞裙和护套介电常数不同，伞裙和护套交界处呈上下抖动的锯齿状，见图7中2区域。如图7中3区域，低电端由于没有安装均压环，所以电场分布极不均匀。

如图8所示，对于绝缘性能良好的绝缘子串，其空间电场强度变化曲线呈光滑不对称的“u”字形，高压端的电场强度值为42.5kv/m，低压端电场强度的值为10.2kv/m，高压端电场强度明显高于绝缘子其他部位的电场强度，绝缘子串中部的电场强度最低。

完好的复合绝缘子伞裙建模结束后，通过计算得到伞裙表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图，然后对破损的伞裙进行分析，即进行步骤b包括以下步骤，

b1、利用comsol仿真软件中的几何模块建立1：1的复合绝缘子伞裙破损三维模型；

b2、根据实际运行的复合绝缘子串为模型每个组成部分设置相应的材料；

b3、根据实际运行情况结合仿真的边界条件给复合绝缘子串模型施加相应的电势；

b4、考虑运算时间和精度，为不同部分进行不同尺度的剖分；

b5、计算选取得到表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图。

根据图9所示的绝缘子伞裙破损实物图，利用comsol软件建立伞裙破损模型，通过改变破损位置，仿真计算模型计算分析，最后得到了如图10、11和12所示的绝缘子伞裙破损时的表面电场图、沿面电场曲线图和空间轴向电场曲线图。如图10-1、10-2和10-3分别为高压端、中压端、低压端破损时的表面电场强度分布图所示，分析可知伞裙发生破损的位置不同，对表面电场分布的影响不同，具体有以下两种情况。当处于高压端的伞裙发生破损时，开口边缘以及接触面的电场强度较正常时明显增大，最大场强能够达到42kv/m左右，比正常时增大了20％。当位于中压端和低压端的伞裙发生破损时，破损处表面周围场强较之完好时不会发生明显的变化。

如图11-1、11-2和11-3可知，当高压端和中压端的伞裙发生破损时，其物理结构被改变，该片伞裙的沿面电场发生畸变，具体表现为该处的电场会被“截断”，有一小段电场线与整条电场曲线分离，整条曲线不再连续。与高压端相比，中压端截断的电场线明显较短，说明当破损伞裙越靠近高压端时，其对沿面电场分布影响越大。

如图12所示，当复合绝缘子伞裙发生破损的位置分别在高压端、中压部分和低压部分时，四条曲线基本重合，轴向电场分布曲线始终是一条光滑的“u”型曲线，对其空间轴向电场分布特性均无明显影响。

下面举例对复合绝缘子伞裙发生不同程度破损时的分析：

首先，为了分析不同破损程度对伞裙电场分布的影响，建立了两种仿真计算模型，分别对应破损程度较小以及破损程度较大两种情况。在破损位置的选择上，根据前面两小节的仿真结果已知，当发生破损的位置位于伞裙的高压端时，对电场分布的影响最大。为了最后实验结果方便观察，将伞裙破算(损)位置选择在高压端。

分析对比图13和图14可以看出，绝缘子伞裙破损程度对表面场强分布影响较大，当伞裙破损程度较小时，破损处的表面电场强度与正常相比增加不大，仅为5％左右。当伞裙破损程度较大时，表面的电场强度较正常时明显增大，场强能够达到42kv/m左右，比正常时增大约了20％。

对比分析图15和图16，可以直观看出，因为破损发生在伞裙外沿，所以沿面电场曲线在该处会畸变，上下抖动呈现锯齿状，不再光滑连续，且破损程度越严重，影响越大。

从图17中可以看出，伞裙破损程度对绝缘子空间轴向电场分布特性没有明显影响，三条曲线基本重合。

通过本发明方法总结可知：

1)当位于绝缘子高压端的伞裙发生破损时，由于破损处比较尖锐，所以边缘表面电场强度明显增大。与正常状态相比，场强增大5％—20％。由于中压端、低压端的伞裙整体电场强度偏小和偏大，当破损处位于绝缘子中压端和低压端时，破损处表面电场强度没有明显变化。

2)复合绝缘子伞裙裙沿面电场曲线在高压端和低压端时整体较大，中间较小，当伞裙破损时，该片沿面电场会有明显畸变，会出现“悬浮”电场曲线。

3)复合绝缘子伞裙破裂对其空间轴向电场分布特性没有明显影响。

通过使用本发明研究伞裙破损后其表面、沿面以及空间轴向电场能够判断出破损伞裙的位置并及时发现，从而快速的对伞裙进行调整或更换，有效避免泄漏电流加大导致的加速绝缘子伞裙老化的问题。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。