基于鸟粪污染下的V型绝缘子串闪络故障模拟方法与流程

基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法
技术领域
1.本发明属于输电线路维护技术领域，特别是涉及基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法。


背景技术：

2.在电力设备中，v形绝缘子串不仅具有受力科学合理，开角稳定，安装使用方便的特点，而且可缩小塔头尺寸，减少送电线路走廊宽度，降低拆迁工程量。同时，在电力设备的运行维护领域，保证v型复合绝缘子及其附属电力设备的长期稳定运行是重中之重。
3.但是对于长期运行的v型复合绝缘子串，其物理化学特性逐渐恶化，同时表面积污也导致其绝缘性能降低，而塔头横担位置经常是鸟类的栖息地，当横担上方有鸟粪坠落时，鸟类粪便为混合液体状态，具有极强的导电特性，基于鸟粪污染引起的跳闸事故主要分为以下两种情况，一种是空气绝缘间隙击穿由绝缘子绝缘距离减小造成，引起绝缘子网络跳闸；另一种是鸟粪污染绝缘子使其绝缘程度下降，引起绝缘子闪络跳闸。因此基于鸟粪污染环境下的v型复合绝缘子串可能发生鸟粪闪络，导致鸟害故障跳闸事件，严重影响了区域电网的完全稳定运行。这类事故发生在野外且时间不定，难以完全模拟其闪络故障过程，用来支撑该类故障溯源和相关设备维护。
4.现有技术“鸟粪对电气化铁路接触网绝缘子电场影响的研究”中公开了应用基于有限元法的comsol multiphysics软件对清洁环境、鸟粪在绝缘子周围下落、表面附着鸟粪三种状态下的接触网绝缘子的电场分布进行仿真计算。研究对象为接触网绝缘子qbjx-25/70q，分别建立了清洁环境下绝缘子、绝缘子周围有鸟粪下落、绝缘子表面附着鸟粪三种情况下的仿真模型，采用人工截断法将绝缘子周围的空气由无限的开阔区域合理的设置成有限的闭合区域，根据绝缘子的状态不同，选择了静电场和电准静态场两种场域对绝缘子进行电场分析，应用基于有限元法的comsol multiphysics软件求解清洁环境下绝缘子、绝缘子周围有鸟粪下落、绝缘子表面附着鸟粪的沿面电场分布情况。
5.现有技术“架空输电线路鸟害隐患放电机理与检测技术研究”中基于静电场原理与有限元原理，建立110kv交流架空输电线路数值计算的仿真模型。应用ansys maxwell有限元软件分析鸟粪闪络时空间电场的变化情况，总结鸟粪闪络的机理并根据机理研宄监测装置，实现对鸟害隐患放电机理的探宄和监测。
6.现有的模拟试验基本基于有限元分析与案例，考虑到鸟粪在高电压等级v型复合绝缘子周围下落击穿空气间隙的情况，部分模拟实验通过搭建实验装置进行闪络研究，计算精度不高，难以全面考虑各类影响因素等技术问题。因此需要综合考虑各种影响因素，提供一种建模准确、简单可靠的基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法，


技术实现要素：

7.基于以上问题，本发明公开了基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法，包括以下步骤：
10.s1、确定v型绝缘子串和模拟鸟粪的参数；
11.s2、几何建模，所述几何建模的模型包括v型绝缘子串、立体空间和模拟鸟粪；
12.s3、为所述模型赋予材质；
13.s4、网格剖分；
14.s5、为所述模型赋予特性参数；
15.s6、调整所述模型的特性参数，进行静电场参数化仿真分析，得到不同特性参数的模拟鸟粪在不同位置坠落时v型绝缘子串的空间电场分布；
16.s7、根据所述空间电场分布，评估是否发生空气的间隙击穿而导致绝缘子串发生闪络。
17.优选地，在s1中，所述鸟粪的参数至少包括鸟粪的电导率、下落长度、下落位置和直径；所述v型绝缘子串的参数至少包括v型绝缘子串的几何尺寸。
18.优选地，在s2中，所述立体空间用于模拟所述v型绝缘子串的周围空气，所述模拟鸟粪的模型呈细长圆柱体状。
19.优选地，在s2中，所述v型绝缘子串的模型包括四联版、复合绝缘子串、连接金具、均压环和复合绝缘子薄层，所述连接金具上设有屏蔽环；
20.所述复合绝缘子薄层用于模拟所述复合绝缘子串长期运行积累的湿污秽。
21.优选地，在s3中，创建硅橡胶材料并将其设定为所述复合绝缘子串的伞裙的材料；
22.创建铝材料并将其设定为所述屏蔽环的材料；
23.创建钢材料并将其设定为连接金具和四联板的材料；
24.创建鸟粪材料并将其设定为所述模拟鸟粪的材料；
25.创建污秽材料并将其设定为所述复合绝缘子薄层的材料；
26.创建空气材料并将其设定为所述立体空间的材料。
27.优选地，在步骤s5中，所述模型鸟粪的特性参数包括：鸟粪长度、鸟粪直径、鸟粪材料的电特性、鸟粪位置、高电位的取值；所述v型绝缘子串的特性参数包括：所述硅橡胶材料的相对介电常数。
28.优选地，在步骤s4中，创建四面体网格，针对所述模型分别设置网格剖分参数，并分别对所述模型进行四面体网格剖分；
29.所述网格剖分参数包括：最大单元尺寸、最小单元尺寸、精细度、单元类型、是否近边加密、是否优化网格。
30.优选地，步骤s6中，进行静电场分析，可以得出在不同的特性参数下，所述模拟鸟粪坠落过程中所述v型绝缘子串的空间电场分布；通过计算结果后处理可以得到不同鸟粪下落到所述v型绝缘子串的不同位置时，该位置的截面的电场分布云图与沿面场强曲线。
31.优选地，计算结果的基本方程微分形式为：
[0032][0033]
式中：为微分算子，e为电场强度矢量，d为电位移矢量，ρ为电荷密度，称为电场强度的旋度，称为电位移的散度
[0034]
优选地，后处理的方法为，在有限元计算软件中绘制所述v型绝缘子串截面的电场分布云图，然后在所述v型绝缘子串沿面绘制一条曲线，提取沿该曲线的电场强度幅值，根据提取结果绘制沿面场强曲线图。
[0035]
优选地，评估空气是否发生击穿的方法是：基于在干燥空气中空气电场强度超过3
×
106v/m。
[0036]
与现有技术相比，本发明有以下优势：
[0037]
本发明提出了一种基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法，建立环境模型，然后模拟v型绝缘子串的实际运行状况和鸟粪的下落状态，设置模型参数，从而模拟鸟粪下落过程空间电场变化以致其发生闪络故障的情况，为v型绝缘子串的故障溯源与优化设计提供理论依据；本发明提供的模拟方法充分考虑了v型绝缘子串的实际结构，且在模拟过程中，不仅针对v型绝缘子串本身，对于其周围立体空间和表面因长期运行积累的湿污秽均进行了建模和仿真计算，计算精度高，充分考虑了各类影响因素。
附图说明
[0038]
附图1是本发明基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法的流程图；
[0039]
附图2是本发明基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法中所述v型绝缘子串的几何模型；
[0040]
附图3是本发明基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法中所述的模拟鸟粪与所述v型绝缘子串的模拟模型；
[0041]
附图4是本发明基于鸟粪污染下的v型绝缘子串闪络故障模拟方法中所述v型绝缘子串的沿面场强曲线。
具体实施方式
[0042]
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0043]
本发明模拟鸟粪坠落过程中v型绝缘子串发生闪络故障的仿真方法，如图1至图4所示，包括以下步骤：
[0044]
第一步：模型参数
[0045]
分别确定v型绝缘子串、四联板、连接金具、屏蔽环和鸟粪的几何尺寸，结合各部件特征何仿真计算需求设计其参数化模型，如模拟鸟粪的长度、位置、直径等均可进行参数化；
[0046]
第二步：几何建模
[0047]
建立一输电塔头状的立体空间及位于其内的v型绝缘子串和细长圆柱体；v型绝缘子串结构包括四联版、复合绝缘子串、连接金具、均压环和复合绝缘子薄层；上述输电塔头状的立体空间模拟周围空气；上述细长圆柱体模拟下落状态的鸟粪；复合绝缘子薄层模拟绝缘子串长期运行积累的湿污秽。
[0048]
第三步：创建材料
[0049]
创建硅橡胶材料为复合绝缘子串的伞裙的材料；创建铝材料为屏蔽环的材料；创建钢材料为连接金具和四联板的材料；创建鸟粪材料为模拟鸟粪的材料；创建污秽材料为
复合绝缘子薄层的材料；创建空气材料为立体空间的材料。
[0050]
第四步：网格剖分与分析设置
[0051]
创建四面体网格，设置最大单元尺寸，最小单元尺寸，精细度，单元类型，是否近边加密，是否优化网格，分别对各个金具、四联板、复合绝缘子串、各个屏蔽环、鸟粪和空气域进行四面体网格剖分。给模型中的四联板、下端金具和均压环几何体施加高电位，v型绝缘子串接塔头侧的金具、均压环以及立体空气与塔接触的面进行接地设置。
[0052]
第五步：模型参数化
[0053]
根据创建的有限元模型对各类参数进行参数化设置，包括模拟鸟粪长度、模拟鸟粪直径、模拟鸟粪材料的电特性、模拟鸟粪位置、高电位大小和硅橡胶材料的电特性等。
[0054]
第六步：仿真计算
[0055]
通过有限元方法进行静电场的参数化仿真分析，得到不同模拟鸟粪在不同位置坠落时v型复合绝缘子的空间电场分布，然后通过后处理查看提取电场强度云图、沿面场强等可以评估绝缘子串闪络的分析结果。在有限元计算软件中绘制所述v型绝缘子串截面的电场分布云图，然后在所述v型绝缘子串沿面绘制一条曲线，提取沿该曲线的电场强度幅值，根据提取结果绘制沿面场强曲线图。
[0056]
第七步：闪络评估
[0057]
鸟粪闪络的机理是在鸟粪下落的瞬间，畸变了复合绝缘子串周围的电场分布，使得鸟粪通道与绝缘子高压端之间发生了空气间隙击穿导致的闪络。因此，根据电场强度的畸变云图以及畸变位置的最大场强值，评估是否发生空气的间隙击穿而导致绝缘子串发生闪络。其中，评估空气是否发生击穿的方法是：基于在干燥空气中空气电场强度超过3
×
106v/m。
[0058]
本发明提供一具体实施例如下：
[0059]
某线路上某项v型绝缘子串发生闪络故障，在现场测量v型绝缘子串的基本尺寸记录，提取现场鸟粪样本和绝缘子表层污秽样本，采用电导率仪测量其电导率特性。
[0060]
通过有限元分析软件搭建几何模型，首先创建有限元分析模型，选择电磁场分析、三维模型。
[0061]
在几何模型中绘制单组绝缘子的几何模型，并通过阵列和复制获得两组复合绝缘子串几何模型，在绝缘子串表面绘制一片薄层用于模拟所述复合绝缘子串表面积累的湿污秽；接着绘制四组连接金具，分别连接在两个绝缘子串的两端部；然后绘制四个均压环的几何模型，并分布装配在两个绝缘子串端部的连接金具上；之后绘制四联板结构，装配在v型绝缘子串v字顶部的连接金具上；最后绘制模拟鸟粪的细长柱体和作为求解空气域的立体空间，其中细长柱体的长度为1500mm，直径为4mm，初始位置鸟粪底部位于右侧绝缘子上方300mm处。其最终几何模型如图2所示；
[0062]
在有限元分析软件中创建材料，分别新建硅橡胶材料和鸟粪材料，从软件的材料库中添加铝材料、钢材料和空气材料；然后将复合绝缘子串几何模型赋予硅橡胶材料；四个均压环的几何模型赋予铝材料；四组连接金具和四联板几何模型赋予钢材料；模拟鸟粪几何赋予鸟粪材料；塔头状求解域几何赋予空气材料。
[0063]
对模型进行网格剖分，在闪络评估过程中重点关注鸟粪与绝缘子串之间的电场强度和畸变情况，因此对于不同几何部件的计算精度和剖分精度要求不同。设置四组连接金
具的最大单元尺寸为100mm，最小单元尺寸为0mm，选择精细优化剖分；设置四个均压环的最大单元尺寸为80mm，最小单元尺寸为0mm，选择精细优化剖分；设置复合绝缘子串的最大单元尺寸为300mm，最小单元尺寸为0mm，选择精细优化及近边加密剖分；设置四联板的最大单元尺寸为200mm，最小单元尺寸为0mm，选择中等优化剖分；设置鸟粪的最大单元尺寸为50mm，最小单元尺寸为0mm，选择精细优化剖分；设置空气求解域即立体空间的最大单元尺寸为1000mm，最小单元尺寸为0mm，选择中等优化剖分。
[0064]
在分析设置中，选择分析类型中等静电场分析，设置模型分数为1；对模型中的四联板、下端金具和均压环几何体施加高电位，v型绝缘子串接塔头侧的金具、均压环以及立体空气与塔接触的面进行接地设置。对整个模型和分析设置进行参数化，设置鸟粪长度l＝1500mm、鸟粪直径d＝4mm、鸟粪材料的电导率p＝3650us/cm、高电位的值v＝330kv和硅橡胶材料的相对介电常数u＝2.3。
[0065]
选择有限元仿真模型进行静电场分析，可以得出在指定参数下，鸟粪坠落过程中v型绝缘子串的空间电场分布。通过计算结果后处理可以得到不同鸟粪下落到不同位置时，截面的电场分布云图与沿面场强曲线，其中图4为拟合后的沿面场强曲线变化趋势。
[0066]
鸟粪闪络的机理是在鸟粪下落的瞬间，畸变了绝缘子串周围的电场分布，使得鸟粪通道与绝缘子高压端之间发生了空气间隙击穿导致的闪络。根据计算所得电场强度的畸变云图和沿面场强曲线可知，在电场强度云图中鸟粪终端产生电场畸变，导致鸟粪与绝缘子间隙的场强变大。当鸟粪长度为1500mm时畸变位置的最大场强值为32kv/cm左右，该场强值已经达到了空气击穿的条件，因此会引起老化的v型绝缘子串发生闪络故障。
[0067]
以上仅为本发明的实施方式，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，这些均属于本发明的保护范围。