盆式绝缘子的寿命预估方法及装置与流程

本发明涉及电气领域，特别是涉及一种盆式绝缘子的寿命预估方 法及装置。

背景技术：

GIS，全称气体绝缘全封闭组合电器，主要由断路器、隔离开关、 接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些 设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，为保证一定绝缘强度，在 其内部一般充有一定压力的SF6绝缘气体。

GIS管道中包括盆式绝缘子用量较大，在实际运行过程中长期承 受高电压、大电流作用，为GIS管道中薄弱环节。GIS管道中一旦出 现GIS盆式绝缘子绝缘事故，将造成整体GIS发生停电事故。因此对 运行中盆式绝缘子寿命在一定程度上进行剩余寿命的定量计算，为在 役盆式绝缘子运行状态检测提供参考，十分具有研究意义。

盆式绝缘子在实际运行中主要承受电、热联合老化因子联合作 用，电应力主要来自于电压作用下盆式绝缘子建立起的电场分布，热 应力主要来自电流作用下盆式绝缘子建立起的温度分布，在电、热联 合老化因子作用下盆式绝缘子固体绝缘介质逐渐老化而最终出现绝缘 失效。

传统的预估盆式绝缘子寿命，是通过计算盆式绝缘子在某一电压 值和温度值下的使用时间。但是，这种方法一方面没有考虑电压值和 电流值在实际工作环境下是会随时间动态变化的，另一方面，没有考 虑一个电流值所对应的在盆式绝缘子上的温度分布并非均匀的，而且 一个电压值所对应的电场分布也并非均匀的。因此，这种盆式绝缘子 寿命的预估方法精度较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种盆式绝缘子的寿命预估方法及装置，用 以解决传统预估盆式绝缘子寿命方法的预估精度较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种盆式绝缘子的寿命预估方 法，包括：

根据盆式绝缘子的工作电压和结构参数，确定所述盆式绝缘子的 电场分布；

根据所述盆式绝缘子的工作电流和所述结构参数，确定所述盆式 绝缘子的温度分布；

预先构建所述盆式绝缘子在电场和温度下的电热联合寿命模型， 根据所述温度分布、所述电场分布和所述电热联合寿命模型，预估所 述盆式绝缘子的寿命值。

其中，所述根据盆式绝缘子的工作电压和结构参数，确定所述盆 式绝缘子的电场分布包括：

根据盆式绝缘子的工作电压、三维结构和介电常数，确定所述盆 式绝缘子的三维电场分布。

其中，所述根据所述盆式绝缘子的工作电流和所述结构参数，确 定所述盆式绝缘子的温度分布包括：

根据所述盆式绝缘子的工作电流，确定载流量；

根据所述结构参数，将所述盆式绝缘子划分为多个节点，并确定 各个所述节点的RC网络参数；

根据所述载流量和所述RC网络参数，确定各个所述节点的节点 温度；

根据各个所述节点温度，确定所述盆式绝缘子的温度分布。

其中，所述根据所述盆式绝缘子的工作电流，确定载流量包括：

根据预先设置的载流周期和所述盆式绝缘子的工作电流，确定周 期载流量。

其中，所述根据所述载流量和所述RC网络参数，确定各个所述 节点的节点温度包括：

根据预设电阻率初始值、所述载流量和所述RC网络参数，确定 各个所述节点的理想节点温度；

所述根据各个所述节点温度，确定所述盆式绝缘子的温度分布包 括：

根据所述理想节点温度，确定界面温度差值；

根据所述界面温度差值，确定对流热阻和辐射热阻；

按照预设规则调整所述预设电阻率初始值，得到实际电阻率；

根据所述载流量和所述RC网络参数，确定在所述实际电阻率、 所述对流热阻和所述辐射热阻影响下的各个所述节点的实际节点温 度；

根据各个所述实际节点温度，确定所述盆式绝缘子的温度分布。

其中，在所述预先构建所述盆式绝缘子在电场和温度下的电热联 合寿命模型，根据所述温度分布、所述电场分布和所述电热联合寿命 模型，预估所述盆式绝缘子的寿命值之后，还包括：

获取所述盆式绝缘子的历史运行数据；

根据所述历史运行数据，确定所述盆式绝缘子的已耗寿命值；

根据所述已耗寿命值和所述寿命值，确定所述盆式绝缘子的剩余 寿命值。

本发明还提供了一种盆式绝缘子的寿命预估装置，包括：

电场分布确定模块：用于根据盆式绝缘子的工作电压和结构参数， 确定所述盆式绝缘子的电场分布；

温度分布确定模块：用于根据所述盆式绝缘子的工作电流和所述 结构参数，确定所述盆式绝缘子的温度分布；

寿命值预估模块：用于预先构建所述盆式绝缘子在电场和温度下 的电热联合寿命模型，根据所述温度分布、所述电场分布和所述电热 联合寿命模型，预估所述盆式绝缘子的寿命值。

其中，所述电场分布确定模块具体用于：

根据盆式绝缘子的工作电压、三维结构和介电常数，确定所述盆 式绝缘子的三维电场分布

其中，所述温度分布确定模块包括：

载流量确定单元：用于根据所述盆式绝缘子的工作电流，确定载 流量；

RC网络参数确定单元：用于根据所述结构参数，将所述盆式绝缘 子划分为多个节点，并确定各个所述节点的RC网络参数；

节点温度确定单元：用于根据所述载流量和所述RC网络参数， 确定各个所述节点的节点温度；

温度分布确定单元：用于根据各个所述节点温度，确定所述盆式 绝缘子的温度分布。

其中，所述载流量确定单元具体用于：

根据预先设置的载流周期和所述盆式绝缘子的工作电流，确定周 期载流量。

本发明所提供的盆式绝缘子的寿命预估方法，在对盆式绝缘子进 行寿命预估时，会先根据盆式绝缘子的工作电压和结构参数，确定盆 式绝缘子的电场分布；根据盆式绝缘子的工作电流和结构参数，确定 盆式绝缘子的温度分布；最后，利用预先构建的盆式绝缘子在电场和 温度下的电热联合寿命模型，计算得到盆式绝缘子的寿命值。可见， 本发明提供的盆式绝缘子的寿命预估方法，综合考虑了盆式绝缘子上 的电场分布和温度分布，大大提高了预估盆式绝缘子寿命的预估精度。

本发明还提供了一种盆式绝缘子的寿命预估装置，其作用与上述 方法的作用相对应，这里不再赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易 见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普 通技术人员来讲，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为本发明提供的盆式绝缘子的寿命预估方法实施例的实现流 程图；

图2为本发明提供的盆式绝缘子的RC网络模型结构图；

图3为本发明提供的盆式绝缘子的寿命预估装置实施例的结构示 意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种盆式绝缘子的寿命预估方法及装置，大 大提高了盆式绝缘子的寿命预估精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施 例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面开始详细介绍本发明提供的盆式绝缘子的寿命预估方法实 施例，参见图1，实施例包括：

步骤S11：根据盆式绝缘子的工作电压和结构参数，确定所述盆 式绝缘子的电场分布。

具体的，可以应用有限元软件ANSYS根据盆式绝缘子的工作电 压、三维结构和介电常数，确定所述盆式绝缘子的三维电场分布。在 电场计算中考虑到盆式绝缘子的运行环境为交流条件，因此其三维电 场分布可以按照材料的介电常数进行分配，在计算中可以取SF6气体 的介电常数为1，盆式绝缘子环氧树脂材料介电常数可以取为4.3。

最终得到的试验结果表明盆式绝缘子表面电场分布极不均匀，在 中心导杆附近电场强度较高，随着离中心导杆的距离越远，电场强度 逐渐降低，在法兰附近的电场强度降到最低值。

步骤S12：根据所述盆式绝缘子的工作电流和所述结构参数，确 定所述盆式绝缘子的温度分布。

具体的，可以分为四步：根据所述盆式绝缘子的工作电流，确定 载流量；根据所述结构参数，将所述盆式绝缘子划分为多个节点，并 确定各个所述节点的RC网络参数；根据所述载流量和所述RC网络 参数，确定各个所述节点的节点温度；根据各个所述节点温度，确定 所述盆式绝缘子的温度分布。

需要注意的是，由于在实际工作场景中，电流值是随着时间动态 变化的，为了保证试验的准确性，可以预先设置载流周期，用预设载 流周期上的平均电流值，也就是周期载流量来代替上述工作电流。

步骤S13：预先构建所述盆式绝缘子在电场和温度下的电热联合 寿命模型，根据所述温度分布、所述电场分布和所述电热联合寿命模 型，预估所述盆式绝缘子的寿命值。

在预估出盆式绝缘子的寿命值之后，还可以进一步获取所述盆式 绝缘子的历史运行数据；然后根据所述历史运行数据，确定所述盆式 绝缘子的已耗寿命值；最后可以根据所述已耗寿命值和所述寿命值， 确定出所述盆式绝缘子的剩余寿命值。

下面具体描述温度分布的确定过程，SF6气体组合电器用在役盆 式绝缘子的等效RC集总热网络，内部热源可用稳恒电流源代替，同 时盆式绝缘子外界环境温度和法兰侧SF6气体温度可用稳恒电压源代 替。参见图2，为有效建立盆式绝缘子热网络模型，可以在径向上将 盆式绝缘子划分为M部分，并视径向上不同介质为一个集总单元，在 轴向上将盆式绝缘子划分为N部分，盆式绝缘子局部热网络模型如图 2所示。

径向热阻Rr和热容C表征热流在不同介质间的径向流动和介质 对热量的存储能力；轴向热阻Ra表征盆式绝缘子在轴向上存在温度 差而引起的热量流动。一般说来盆式绝缘子几何尺寸越大，则N值应 越大；N值越大，热网络模型精度越高，但计算模型复杂性增大。参 见图2，盆式绝缘子局部RC热网络模型中，令Grij(i＝1～2；j＝1～4)、 Ga1j(j＝1～4)为Rrij(i＝1～2；j＝1～4)、Ra1j(j＝1～4)的倒数，且τij(i＝1～2； j＝1～5)为网络各节点温度值，运用节点电压法得到局部热网络的节点 温升方程(1)～(3)式：

对第一层径向网络有，其中i＝1,2,3：

对第二层径向网络有，其中i＝1,2,3：

电流源处的热流方程为(3)式：

鉴于盆式绝缘子全局集总RC热网络模型较为复杂，而 MATLAB/Simulink工具箱在计算电路暂态过程时具有一定优势，可以 在该计算平台上构建盆式绝缘子整体RC热网络模型。

需要注意的是，考虑轴向和径向热流的盆式绝缘子全局RC热网 络模型，分为三部分：盆子导体侧、盆子本体和盆子法兰侧。而盆子 全局RC热网络模型的建立存在以下线性假设条件：盆子运行的最大 温度范围一般在-40～130℃之间，而盆子内部介质热导率为温度的函 数，模型中取介质在100℃时的热导率用于确定热阻R；盆子本体环 氧浸纸-SF6气体界面热对流处难以定量描述。也就是说通过上述方法 求得的只是理想节点温度，并非实际节点温度，以下是本发明根据理 想节点温度求得实际节点温度的步骤，可以分为6步：

步骤S121：根据预设电阻率初始值、所述载流量和所述RC网络 参数，确定各个所述节点的理想节点温度。

步骤S122：根据所述理想节点温度，确定界面温度差值。

步骤S123：根据所述界面温度差值，确定对流热阻和辐射热阻。

步骤S124：按照预设规则调整所述预设电阻率初始值，得到实际 电阻率。

这里的预设规则，具体可以指，不断在预设电阻率初始值的基础 上增加预设电阻率，并计算此时，各个节点的当前节点温度。一直到 前后两次实际节点温度的差值小于预设差值，也就是非常接近的时候， 将此时的当前节点温度作为实际节点温度。

具体的，在MATLAB/Simulink计算环境下求取全局RC网络各节 点温度值θ1，根据节点初始温度值确定盆子流-固界面处温度差θ， 计算表征对流、辐射的集总热阻Rc、Rt，提取导杆处节点温度值并修 正导杆电阻率值。调整热阻Rc和Rt，以及导杆电阻率参数后，再次 求取热网络各节点温度值θ2，如此迭代计算直至满足|θ1-θ2|<ε为 止，其中ε可以取0.01。最后将该次计算结果作为初值进行暂态温度 场计算，其中时间历程为，最后将时间T内各节点温度值形成数组 并绘制温升曲线。

步骤S125：根据所述载流量和所述RC网络参数，确定在所述实 际电阻率、所述对流热阻和所述辐射热阻影响下的各个所述节点的实 际节点温度；

步骤S126：根据各个所述实际节点温度，确定所述盆式绝缘子的 温度分布。

本发明提供的盆式绝缘子寿命预估方法的实现总流程可以为：

考虑到盆式绝缘子寿命区间内昼夜载荷具有周期性,盆式绝缘子 现场运行中近似遵循以昼夜24小时为周期tD变化规律，同时该周期 载荷可运用阶梯载荷曲线近似描述，即将该周期tD划分为N个等时间 间隔，则每个时间间隔的持续时间Δti可用(4)式描述：

Δti＝tD/N(i＝1，...，N) (4)

由于每个载荷步内盆式绝缘子载流量的连续性和本体热惯性，载 荷步内最热点温度Thot-spot出现暂态变化过程，但为确定该载荷步内盆 子绝缘寿命的损失量LF，则将该载荷步持续时间Δti进行微元化，在 每个微元dt内盆子最热点温度Thot-spot可视为定值Ti(t),对于盆子最大 场强Ermax在其整个运行过程中基本保持不变，因此盆子在载荷步Δti内的dt微元区间寿命损失dLF可通过(5)式表征：

dLF＝dt/L[En,Ti(t)] (5)

其中，其中L[En,Ti(t)]为盆子用绝缘材料寿命模型，后续用 ZHURKOV模型、CRINE模型分别进行讨论。因此在第i载荷步Δti时间区间内盆子寿命损失量LFi：

若忽略阶梯载荷曲线下盆子内部热暂态过程，直接将各载荷步下 稳态温度值Ti,∞用于盆子寿命损失量LFi,∞的计算，由于Ti,∞为常数， 因此可用式(7)表征：

将盆式绝缘子昼夜周期tD内N个寿命损失量LFi(i＝1,…,N)进行累 加即为盆子在该周期内的寿命损失量，若经过K个周期寿命损失量达 到100％，则盆子出现内绝缘击穿，如式(8)所示：

进而得到盆子可经历昼夜周期tD的数量K为：

因此盆子寿命Lcyc可通过式(10)进行计算：

Lcyc＝KtD (10)

在盆子的传统设计中，一般将中心导杆的载流量视为恒定不变， 即N＝1的情况，一般对盆子内部最大工作场强Ermax和最热点温度 Thot-spot的选取都能满足安全运行30年的需求，但常有盆子未运行 到30年，其内绝缘即发生不可逆损伤，以下运用经典电热联合老化寿 命模型—ZHURKOV和CRINE模型进行分析，其具体表达式如式 (11)～(12)所示：

τ＝τ0e^(ω-χE)/RT (11)

其中，式(11)～(12)中涉及的各个参数如下所示：

表1电热联合老化模型参数值

最终综合上述各个步骤，即可预估出盆式绝缘子的寿命值。

综上可知，本实施例所提供的盆式绝缘子的寿命预估方法，在对 盆式绝缘子进行寿命预估时，会先根据盆式绝缘子的工作电压和结构 参数，确定盆式绝缘子的电场分布；根据盆式绝缘子的工作电流和结 构参数，确定盆式绝缘子的温度分布；最后，利用预先构建的盆式绝 缘子在电场和温度下的电热联合寿命模型，计算得到盆式绝缘子的寿 命值。可见，本发明提供的盆式绝缘子的寿命预估方法，综合考虑了 盆式绝缘子上的电场分布和温度分布，大大提高了预估盆式绝缘子寿 命的预估精度。

下面对本发明实施例提供的盆式绝缘子的寿命预估装置进行介 绍，下文描述的盆式绝缘子的寿命预估装置与上文描述的盆式绝缘子 的寿命预估方法可相互对应参照。

图3为本发明实施例提供的盆式绝缘子的寿命预估装置的结构框 图，参照图3，该装置具体包括：

电场分布确定模块31：用于根据盆式绝缘子的工作电压和结构参 数，确定所述盆式绝缘子的电场分布；

温度分布确定模块32：用于根据所述盆式绝缘子的工作电流和所 述结构参数，确定所述盆式绝缘子的温度分布；

寿命值预估模块33：用于预先构建所述盆式绝缘子在电场和温度 下的电热联合寿命模型，根据所述温度分布、所述电场分布和所述电 热联合寿命模型，预估所述盆式绝缘子的寿命值。

其中，所述电场分布确定模块具体用于：

根据盆式绝缘子的工作电压、三维结构和介电常数，确定所述盆 式绝缘子的三维电场分布

其中，所述温度分布确定模块包括：

载流量确定单元：用于根据所述盆式绝缘子的工作电流，确定载 流量；

RC网络参数确定单元：用于根据所述结构参数，将所述盆式绝 缘子划分为多个节点，并确定各个所述节点的RC网络参数；

节点温度确定单元：用于根据所述载流量和所述RC网络参数， 确定各个所述节点的节点温度；

温度分布确定单元：用于根据各个所述节点温度，确定所述盆式 绝缘子的温度分布。

其中，所述载流量确定单元具体用于：

根据预先设置的载流周期和所述盆式绝缘子的工作电流，确定周 期载流量。

本实施例的盆式绝缘子的寿命预估装置用于实现前述的盆式绝 缘子的寿命预估方法，因此该装置中的具体实施方式可见前文中的盆 式绝缘子的寿命预估方法的实施例部分，例如，电厂分布确定模块31、 温度分布确定模块32、寿命值预估模块，分别用于实现上述盆式绝缘 子的寿命预估方法中步骤S11、步骤S12、步骤S13，所以，其具体实 施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

由于本发明提供的盆式绝缘子的寿命预估装置用于实现前述盆 式绝缘子的寿命预估方法，因此其作用与上述盆式绝缘子的寿命预估 装置的作用相对应，这里不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说 明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分 互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的 方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的盆式绝缘子的寿命预估方法及装置进行 了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行 了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心 思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本 发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进 和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。