优化油纸电容式套管的方法及系统与流程

本发明涉及高电压绝缘器件领域，特别是涉及优化油纸电容式套管的方法及优化油纸电容式套管的系统。

背景技术：

在高压、超高压及特高压等级用电设备中，绝缘套管是常用的结构部件；其主要用于支撑用电设备，且起到引线对地绝缘的作用。油纸电容式套管是变压器的重要附件，油纸电容式套管的性能直接影响变压器设备的安全运行。油纸电容式套管包括油枕、瓷套、电容芯子、连接法兰等部件，其中电容芯子为套管的主绝缘，是在套管的中心导管外包绕铝箔作为电极屏、油纸作为电极屏之间的介质组成的串联同轴圆柱电容器。

然而，油纸电容式套管在使用过程中电容芯子容易受潮，且在受潮情况下电容芯子的绝缘强度将受到严重影响，进而影响到油纸电容式套管的整体性能。

技术实现要素：

基于此，本发明实施例提供优化油纸电容式套管的方法及系统，能够有效优化油纸电容式套管，进而减小因受潮导致的油纸电容式套管整体性能下降。

本发明一方面提供优化油纸电容式套管的方法，包括：

获取油纸电容式套管的结构参数，根据所述结构参数建立所述油纸电容式套管的二维电场仿真模型；

将所述油纸电容式套管在干燥状态下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在干燥状态下的电场分布；将所述油纸电容式套管的受潮程度信息以及在对应受潮程度下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在所述受潮程度下的电场分布；

比较干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数；

检测所述场强畸变系数是否在设定的范围内，若否，根据所述场强畸变系调整所述油纸电容式套管的结构参数，根据优化后的结构参数更新所述二维电场仿真模型；

以此类推，直到得出的场强畸变系数在设定的范围内，根据当前的结构参数得到优化的油纸电容式套管。

一种优化油纸电容式套管的系统，包括：

模型构建模块，用于获取油纸电容式套管的结构参数，根据所述结构参数建立所述油纸电容式套管的二维电场仿真模型；

场强仿真模块，用于将所述油纸电容式套管在干燥状态下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在干燥状态下的电场分布；将所述油纸电容式套管的受潮程度信息以及在对应受潮程度下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在所述受潮程度下的电场分布；

场强畸变计算模块，用于比较干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数；

优化模块，用于检测所述场强畸变系数是否在设定的范围内，若否，根据所述场强畸变系调整所述油纸电容式套管的结构参数，根据优化后的结构参数更新所述二维电场仿真模型；以此类推，直到得出的场强畸变系数在设定的范围内，根据当前的结构参数得到优化的油纸电容式套管。

上述技术方案，通过提取油纸电容式套管的主要结构信息，建立套管的二维电场仿真模型，确定干燥时套管材料参数，输入二维电场仿真模型计算得到干燥时套管内部电场分布；确定套管受潮程度以及在对应受潮程度下的材料参数，输入二维电场仿真模型计算得到套管受潮的电场分布，比较干燥和受潮后套管内部特定路径上电场、电场不均匀系数和最大场强，计算受潮层场强畸变系数，结合场强畸变系数，优化油纸电容式套管的结构。由于考虑了受潮对套管电场分布的影响，可对油纸电容式套管进行有效优化，减小因受潮导致的油纸电容式套管整体性能下降。

附图说明

图1为一实施例的优化油纸电容式套管的方法的示意性流程图；

图2为一实施例的油纸电容式套管的电容芯子的示意性结构图；

图3为一实施例的干燥时油纸电容式套管内的电场分布云图；

图4为一实施例的受潮时油纸电容式套管内的电场分布云图；

图5为一实施例的油纸电容式套管在观测路径上的电场强度对比图；

图6为优化后的油纸电容式套管在观测路径上的电场强度对比图；

图7为一实施例的优化油纸电容式套管的系统的示意性结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

图1为一实施例的优化油纸电容式套管的方法的示意性流程图；如图1所示，本实施例中的优化油纸电容式套管的方法包括步骤：

s11，获取油纸电容式套管的结构参数，根据所述结构参数建立所述油纸电容式套管的二维电场仿真模型。

优选地，步骤s11中获取的是油纸电容式套管的主要结构参数，由于电容芯子为套管的主绝缘，因此可获取电容芯子的结构参数，并以此建立所述油纸电容式套管的二维电场仿真模型。

电容芯子位于油纸电容式套管的上瓷套内部，通常电容芯子为轴对称结构，如图2所示，电容芯子由多层同轴铝箔绕制成而成，形成多层电极屏，电极屏之间有油纸，电极屏与油纸形成绝缘层；电容芯子包括多个绝缘层。

s12，将所述油纸电容式套管在干燥状态下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在干燥状态下的电场分布；将所述油纸电容式套管的受潮程度信息以及在对应受潮程度下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在所述受潮程度下的电场分布。

可以理解的是，在一可选实施例中，所述优化油纸电容式套管的方法还可包括：预先获取油纸电容式套管在干燥状态下的材料参数的步骤；以及预先确定油纸电容式套管的受潮程度以及在对应受潮程度下的材料参数的步骤。不同受潮程度下，电容芯子的材料参数特性存在差异。

在一可选实施例中，所述油纸电容式套管的受潮程度信息可包括：电容芯子电极屏受潮层数信息以及油纸含水率信息。

在一可选实施例中，所述材料参数可包括：绝缘油相对介电常数、油纸相对介电常数以及陶瓷相对介电常数。所述材料参数与受潮程度有关，不同受潮程度下材料参数的取值可以不一样。

一般情况下，得到套管的二维电场仿真模型为对称的模型，图3、图4中左半侧所示部分均为对称轴一侧的模型示意图；图3、图4中右半侧所示部分为干燥时和受潮时各绝缘层(电极屏与油纸构成的层)对应的场强分布。

s13，比较干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数。

在一可选实施例中，所述设定路径为电容芯子的中心导杆到最外侧电极屏的路径；所述比较干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场指的是比较所述设定路径上对应的平均场强。

可选地，所述步骤s13的实现方式可为：计算受潮前后套管内设定路径上的平均场强的变化量δ1，计算受潮前后套管内设定路径上的电场不均匀系数的变化量δ2，以及计算受潮前后套管内设定路径上的最大场强的变化量δ3；根据所述平均场强的变化量δ1、电场不均匀系数的变化量δ2以及最大场强的变化量δ3，加权得出所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数。

可以理解的是，在一可选实施例中，所述优化油纸电容式套管的方法还可包括：从所述油纸电容式套管在干燥状态下的电场分布中提取出干燥状态下套管内设定路径上的平均场强、电场不均匀系数和最大场强的步骤；以及，从所述油纸电容式套管在所述受潮程度下的电场分布中提取出对应受潮状态下套管内设定路径上的平均场强、电场不均匀系数和最大场强的步骤。

s14，检测所述场强畸变系数是否在设定的范围内，若否，根据所述场强畸变系调整所述油纸电容式套管的结构参数，根据优化后的结构参数更新所述二维电场仿真模型；

以此类推，直到得出的场强畸变系数在设定的范围内，根据当前的结构参数得到优化的油纸电容式套管。

在一实施例中，若步骤s11中获取的是电容芯子的结构参数，则步骤s14中，当得出的场强畸变系数在设定的范围内时，根据当前的结构参数优化电容芯子的结构，由此得到优化的油纸电容式套管。

优选地，所述油纸电容式套管的结构参数可包括：电容芯子的电极屏结构信息、不同上下台阶差和各电极屏的位置参数等。所述根据当前的结构参数优化电容芯子的结构可包括：优化电容芯子的电极屏层数、各电极屏长度、不同上下台阶差、各电极屏位置等几何参数。

上述实施例的优化油纸电容式套管的方法，通过提取油纸电容式套管的主要结构信息，建立套管的二维电场仿真模型，确定干燥时套管材料参数，输入二维电场仿真模型计算得到干燥时套管内部电场分布；确定套管受潮程度以及在所述受潮程度下的材料参数，输入二维电场仿真模型计算得到套管受潮的电场分布，量化比较干燥和受潮后套管内部特定路径上的平均场强、电场不均匀系数和最大场强，计算受潮层场强畸变系数，结合场强畸变系数，优化油纸电容式套管的结构。由于考虑了受潮对套管电场分布的影响，可对油纸电容式套管进行有效的优化，使得得到的油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变在一定范围内，即减小因受潮导致的油纸电容式套管的整体性能下降。

在一可选实施例中，上述步骤s14中，当所述油纸电容式套管的结构参数为电容芯子的结构参数时，可根据场强畸变系数，采用等电容设计法或等绝缘裕度设计法调整所述电容芯子的结构参数。其中，等电容设计法下保持电容芯子每层电极板电容相等，等绝缘裕度设计法下保证电容芯子每层电极板局放裕度相等。

在一可选实施例中，上述步骤s12中具体包括：将预先获取的油纸电容式套管在干燥状态下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，并配置所述油纸电容式套管的工作电压，采用有限元计算工具，例如ansys，对当前的二维电场仿真模型进行自适应网格剖分，得到所述油纸电容式套管在所述工作电压下且为干燥状态时的电场分布，如图3所示，一般情况下，不同的绝缘层(电极屏与油纸构成的层)对应的电场不同。以及，将预先确定出的所述油纸电容式套管受潮程度以及在所述受潮程度下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，保持所述油纸电容式套管的工作电压不变，采用有限元计算工具对当前的二维电场仿真模型进行自适应网格剖分，得到所述油纸电容式套管在所述工作电压下且为所述受潮程度下的电场分布，如图4所示，一般情况下，不同的绝缘层对应的电场不同。

优选地，在进行自适应网格剖分时，剖分精度根据电容芯子的电极屏间的距离进行自适应调节，保证绝缘层网格层数不小于1。由此根据不同油纸电容式套管的结构特点，自动控制网格剖分的精细度，提高了仿真计算的精度和效率。

在一实施例中，通过上述步骤s12可分别计算出所述油纸电容式套管在多个工作电压下且为干燥状态时的电场分布，以及所述油纸电容式套管在所述多个工作电压下且为所述受潮程度下的电场分布。对应地，步骤s13中，比较相同工作电压对应的干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场、电场不均匀系数和最大场强，由此得出所述油纸电容式套管在各工作电压下因受潮产生的场强畸变系数。在步骤s14中，按照各工作电压分别优化油纸电容式套管的结构参数，例如按照各工作电压分别优化油纸电容式套管的电容芯子的结构参数，由此可得到不同工作电压下、因受潮产生的场强畸变较小的油纸电容式套管结构，便于用户根据不同应用场景(工作电压)选择对应结构的油纸电容式套管。

在另一可选实施例中，通过上述步骤s12可分别计算出所述油纸电容式套管在多个工作电压下且为干燥状态时的电场分布，以及所述油纸电容式套管在所述多个工作电压下且为所述受潮程度下的电场分布。对应地，步骤s13中，比较相同工作电压对应的干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场、电场不均匀系数和最大场强，由此得出所述油纸电容式套管在各工作电压下因受潮产生的场强畸变系数。然后对各工作电压对应的场强畸变系数求平均，将得到的均值作为所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数。

例如：分别计算出所述油纸电容式套管荷载为500kv、400kv、300kv时且为干燥状态时的电场分布，以及分别计算出所述油纸电容式套管荷载为500kv、400kv、300kv时且为所述受潮程度下的电场分布。对应地，比较500kv对应的干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的平均场强、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管荷载为500kv时因受潮产生的场强畸变系数t1；比较400kv对应的干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的平均场强、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管荷载为400kv时因受潮产生的场强畸变系数t2；比较300kv对应的干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的平均场强、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管荷载为300kv时因受潮产生的场强畸变系数t3。然后对500kv、400kv、300kv对应的场强畸变系数t1、t2、t3求平均，将得到的均值作为所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数t。由此保证得到的优化的油纸电容式套管在不同工作电压下因受潮产生的整体性能影响均较小。

下面提供一个具体示例为上述实施例的优化油纸电容式套管的方法进行举例说明。以500kv油纸电容式变压器套管为例，包括以下步骤：

1)建立油纸电容式套管的二维电场仿真模型

提取典型500kv油纸电容式套管的主要结构参数，例如可包括：电极屏屏数、电极屏高度、电极屏半径、电极屏下台阶、下引线半径、下瓷件最小半径、下瓷件最大半径、中心导杆半径、套管内绝缘油最大外半径、上瓷件瓷套半径、油枕半径、上引线半径、下瓷件总高度、下瓷件第一节高度、下瓷件第二节高度、油中ct部分高度、接地部分空气侧高度、上瓷件总高度、油枕高度、绝缘伞份数、绝缘伞间距；进行参数化建模。

2)干燥时油纸电容式套管的电场分布

若干燥情况下绝缘油相对介电常数为2.2，环氧树脂合成纸(油纸的一种)相对介电常数为3.7，陶瓷相对介电常数为6。采用的单位类型为plane121。对所述二维电场仿真模型进行网格剖分时，剖分精度根据电极屏间的距离进行自适应设置，保证绝缘层网格层数不小于1。油纸电容式套管的中心导杆、油枕外壳和电容芯子最里侧电极屏加载高压电位500kv，油纸电容式套管的接地部分、油中ct安装部分金属外壳和电容芯子最外侧电极屏加载零电位。调用有限元计算软件计算得到干燥时套管内的电场分布。

3)受潮后油纸电容式套管的电场分布

通过预先调研可确定套油纸电容式套管的容芯子受潮情况为外层绝缘受潮，设置电容芯子最外10层为受潮层，假设利用频域介电谱技术测量该受潮情况下环氧树脂合成纸的相对介电常数为5，其他材料的相对介电常数未发生变化，将变化的材料参数信息输入二维电场仿真模型，计算受潮时套管内的电场分布，调用有限元软件计算得到受潮时套管电场分布。

4)量化对比受潮前后油纸电容式套管内的电场分布

设置油纸电容式套管的接地法兰同一高度处，从中心导杆到电容芯子最外侧电极屏的路径为观测路径(即图5中的40mm～120mm的路径)，提取该观测路径上的电场强度和电压值在受潮前后的对比如图5所示。提取出受潮前后观测路径上的平均场强分别为6.13kv/mm和6.21kv/mm，电场不均匀系数分别为1.319和1.347，最大场强分别为7.218kv/mm和7.370kv/mm，根据受潮前后观测路径的平均场强变化量δ1、电场不均匀系数的变化量δ2、最大场强变化量δ3加权得出受潮前后的电场强度畸变系数，例如：场强度畸变系数＝δ1*k1+δ2*k2+δ3*k3，其中，k1、k2、k3分别为预先确定的系数，k1+k2+k3＝1.

5)受潮后电容芯子结构优化设计

假设得出受潮前后的电场强度畸变系数为0.86，若设定的电场强度畸变范围为0～0.6，由于所述场强畸变系数不在设定的范围内，因此根据等电容法和所述场强度畸变系数，增大受潮层数的半径16.27％，重新计算优化电容芯子结构参数后所述油纸电容式套管的电场分布，得到所述观测路径上的电场强度和电压值在受潮前后的对比如图6所示。受潮后观测路径上的平均场强为6.17kv/mm，电场不均匀系数变为1.322，受潮后的最大场强变为7.270kv/mm。即受潮前后观测路径上的平均场强、电场不均匀系数、最大场强的变化均减小，对应的场强畸变系数也减小至在设定的范围内。

可见，通过上述的优化油纸电容式套管的方法，通过提取油纸电容式套管主要结构建立套管二维对称模型，确定干燥时套管材料参数和荷载，调用有限元计算工具进行自适应网格剖分并计算得到干燥时套管内部的电场分布；确定套管受潮方式、油纸含水率及对应的相对介电常数，得出套管受潮的电场仿真结果，提取干燥和受潮后套管内部特定路径上的平均场强、电场不均匀系数和最大场强，计算受潮导致的场强畸变系数，结合场强畸变系数，采用等电容设计法或等绝缘裕度设计法，优化电容芯子的结构。考虑受潮对套管内绝缘强度的影响，对电容芯子结构进行有效的优化，还能便于对油纸电容式套管受潮事故进行评估和预警。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。

基于与上述实施例中的优化油纸电容式套管的方法相同的思想，本发明还提供优化油纸电容式套管的系统，该系统可用于执行上述优化油纸电容式套管的方法。为了便于说明，优化油纸电容式套管的系统实施例的结构示意图中，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分，本领域技术人员可以理解，图示结构并不构成对系统的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

图7为本发明一实施例的优化油纸电容式套管的系统的示意性结构图，如图7所示，本实施例的优化油纸电容式套管的系统包括：模型构建模块610、场强仿真模块620、场强畸变计算模块630以及优化模块640，各模块详述如下：

所述模型构建模块610，用于获取油纸电容式套管的结构参数，根据所述结构参数建立所述油纸电容式套管的二维电场仿真模型。

可选地，所述油纸电容式套管的结构参数指的是电容芯子的结构参数，例如包括：电容芯子的电极屏结构信息、不同上下台阶差和各电极屏的位置参数等。或者例如：电容芯子的电极屏结构信息、不同上下台阶差和各电极屏的位置参数等。所述根据当前的结构参数优化电容芯子的结构可包括：优化电容芯子的电极屏层数、各电极屏长度、不同上下台阶差、各电极屏位置等几何参数。

所述场强仿真模块620，用于将所述油纸电容式套管在干燥状态下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在干燥状态下的电场分布；将所述油纸电容式套管的受潮程度信息以及在对应受潮程度下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，得出所述油纸电容式套管在所述受潮程度下的电场分布。

可选地，所述油纸电容式套管的受潮程度信息例如：电容芯子电极屏受潮层数信息以及油纸含水率信息。所述材料参数例如：绝缘油相对介电常数、油纸相对介电常数以及陶瓷相对介电常数等。

所述场强畸变计算模块630，用于比较干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数。

可选地，所述设定路径为电容芯子的中心导杆到最外侧电极屏的路径。所述比较干燥状态下和受潮状态下套管内设定路径上的电场指的是比较所述设定路径的平均场强。

所述优化模块640，用于检测所述场强畸变系数是否在设定的范围内，若否，根据所述场强畸变系调整所述油纸电容式套管的结构参数，根据优化后的结构参数更新所述二维电场仿真模型；以此类推，直到得出的场强畸变系数在设定的范围内，根据当前的结构参数得到优化的油纸电容式套管。

可选地，根据所述场强畸变系调整所述油纸电容式套管的结构参数指的是，采用等电容设计法或等绝缘裕度设计法，优化油纸电容式套管的电容芯子的结构参数。

在一可选实施例中，所述场强仿真模块610具体包括：

第一仿真单元，用于将预先获取的油纸电容式套管在干燥状态下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，并配置所述油纸电容式套管的工作电压，采用有限元计算工具对当前的二维电场仿真模型进行自适应网格剖分，得到所述油纸电容式套管在所述工作电压下且为干燥状态时的电场分布；

第二仿真单元，用于将预先确定出的所述油纸电容式套管受潮程度信息以及在对应受潮程度下的材料参数输入所述二维电场仿真模型，保持所述油纸电容式套管的工作电压不变，采用有限元计算工具对当前的二维电场仿真模型进行自适应网格剖分，得到所述油纸电容式套管在所述工作电压下且为所述受潮程度下的电场分布。

优选地，在进行自适应网格剖分时，剖分精度根据电容芯子的电极屏间的距离进行自适应调节，保证绝缘层网格层数不小于1。由此根据不同油纸电容式套管的结构特点，自动控制网格剖分的精细度，提高了仿真计算的精度和效率。

在一可选实施例中，所述场强畸变计算模块630具体可包括：

变化量计算单元，用于计算受潮前后套管内设定路径上的平均场强的变化量，计算受潮前后套管内设定路径上的电场不均匀系数的变化量，以及计算受潮前后套管内设定路径上的最大场强的变化量；

畸变计算单元，用于根据所述平均场强的变化量、电场不均匀系数的变化量以及最大场强的变化量，加权得出所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数。

在一可选实施例中，所述场强仿真模块610用于分别计算所述油纸电容式套管在多个工作电压下且为干燥状态时的电场分布，以及所述油纸电容式套管在所述多个工作电压下且为所述受潮程度下的电场分布。对应地，所述场强畸变计算模块630用于分别比较相同工作电压对应的干燥状态下和受潮状态下所述设定路径上的电场、电场不均匀系数和最大场强，得出所述油纸电容式套管在各工作电压下因受潮产生的场强畸变系数；以及，对各工作电压对应的场强畸变系数求平均，将得到的均值作为所述油纸电容式套管因受潮产生的场强畸变系数。由此保证得到的优化的油纸电容式套管在不同工作电压下因受潮产生的整体性能影响均较小。

需要说明的是，上述示例的优化油纸电容式套管的系统的实施方式中，各模块/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明前述方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明前述方法实施例相同，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

此外，上述示例的优化油纸电容式套管的系统的实施方式中，各功能模块的逻辑划分仅是举例说明，实际应用中可以根据需要，例如出于相应硬件的配置要求或者软件的实现的便利考虑，将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述优化油纸电容式套管的系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。其中各功能模既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，作为独立的产品销售或使用。所述程序在执行时，可执行如上述各方法的实施例的全部或部分步骤。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。