一种基于COMSOL的复合绝缘子内部缺陷研究方法与流程

本发明涉及复合绝缘子轴向电场研究领域，尤其涉及一种基于comsol的复合绝缘子内部缺陷研究方法。

背景技术：

复合绝缘材料由于重量小和抗污秽性能良好的特点，已经逐渐替代传统玻璃和陶瓷绝缘材料。然而，限制复合绝缘子广泛应用的最主要问题在于现行的带电监测方法不能良好地诊断复合绝缘子的绝缘状态。国内外的带电检测方法主要采用外观检查法、红外线测温法、紫外线成像法。基于紫外成像技术对劣化绝缘子放电动态特性进行检测，当劣化绝缘子位于绝缘子串中部时，灵敏度较低。运用红外测温技术，基于绝缘子串温度曲线特征的劣化绝缘子诊断方法，并对220kv变电站内的绝缘子进行检测来提高正确性。但劣化程度较低时，温升差别并不明显。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于comsol的复合绝缘子内部缺陷研究方法，本发明能够改进现有方法的不足，对绝缘子存在内部缺陷的轴向电场变化有全面的认识，判断出缺陷位置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种基于comsol的复合绝缘子内部缺陷研究方法，一种基于comsol的复合绝缘子内部缺陷研究方法，包括

步骤a、利用comsol仿真软件中的几何模块建立1：1的复合绝缘子三维模型；

步骤b、在复合绝缘子无缺陷及不同位置设置不同程度的导通性缺陷，分析其空间轴向电场。

进一步的，步骤b中，包括以下步骤，

步骤b1、根据实际运行的复合绝缘子串为模型每个部分设置相应的材料；

步骤b2、根据实际运行情况结合仿真的边界条件给复合绝缘子模型施加相应的电势；

步骤b3、为不同部分进行不同尺度的剖分；

步骤b4、计算得空间轴向电场曲线图。

再进一步的，步骤b1中，伞裙和护套的材质为硅橡胶，头部和尾部连接金具材质为不锈钢。

再进一步的，步骤b2中，包括以下步骤：

在忽略空间电荷影响的情况下，采用相应的静电场方法求解，因此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，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；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b3中，通过局部细化剖分方法，对于绝缘子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。

再进一步的，步骤b4中，空间轴向曲线为在绝缘子外壳表面3mm处，计算得到的轴向电场。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

本发明分别建立了复合绝缘子无缺陷和位置不同缺陷程度不同时的三维模型，研究了其空间轴向电场的分布特性，本发明能够改进现有方法的不足，通过分析轴向电场曲线，能够发现不同的缺陷对绝缘子性能的影响。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明中高压端电场分量测量点分布图；

图2为本发明中中压端电场分量测量点分布图；

图3为本发明中低压端电场分量测量点分布图；

图4为缺陷在高压端时在不同测量点计算得到轴向电场的折线图；

图5为缺陷在中间端时在不同测量点计算得到轴向电场的折线图；

图6为缺陷在接地端时在不同测量点计算得到轴向电场的折线图；

具体实施方式

参照图1-3，本发明一个具体实施方式包括以下步骤：

步骤a、利用comsol仿真软件中的几何模块建立1：1的110kv复合绝缘子三维模型。

步骤b、在复合绝缘子无缺陷及不同位置设置不同程度的导通性缺陷，分析其空间轴向电场。具体包括如下步骤：

b1、根据实际运行的复合绝缘子串为模型每个部分设置相应的材料，本具体实施例的步骤b1中，伞裙和护套的材质为硅橡胶，头部和尾部连接金具材质为不锈钢。

b2、根据实际运行情况结合仿真的边界条件给复合绝缘子模型施加相应的电势。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，本发明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。

b3、综合考虑运算时间和精度，为不同部分进行不同尺度的剖分。电场对应的边值问题采用有限元数值计算方法在comsolmultiphysics软件上进行求解。采用四面体作为基本单元对整个模型进行网格剖分。考虑到绝缘子的尺寸远小于整个空气域的大小，为了提高运算效率，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，可以对于绝缘子的伞裙、芯棒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，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。

b4、计算得空间轴向电场曲线图，空间轴向曲线为在绝缘子外壳表面3mm处，计算得到的轴向电场。

缺陷分别在高压端、中间端、接地端时在不同测量点计算得到轴向电场的折线图及分析结果。

一、内部缺陷在高压端

从图4可以看出，当绝缘子串完好时，轴向电场分布曲线呈现“u”字型，最大电场强度为9.47kv/cm，最小电场强度为0.21kv/cm。由于内部缺陷的存在，使得轴向电场强度在相应的位置会下降。同时，在存在缺陷的末端位置附近，轴向电场强度显著增大，并且随着缺陷严重程度的增大而增大。这是因为缺陷尖端附近的局部电场增大导致的。当缺陷圆柱体长度为35mm时，第2个测量点处的场强为7.78kv/cm，相对于相邻测量点的场强要大。当缺陷圆柱体长度为105mm时，第4个测量点处的场强为6.85kv/m，相对于相邻测量点的场强要大。当缺陷圆柱体长度为210mm时，第4个测量点处的场强为5.14kv/m，相对于相邻测量点的场强要大。

二、内部缺陷在中间端

从图5中可知，当内部缺陷在中间端时，轴向电场强度和径向电场强度的变化量也都着随着缺陷严重程度的增大而增大。从图3中可以看出，缺陷末端位置附近的电场强度变化量要大。

当缺陷圆柱体长度为35mm时，第12个和第13个测量点处的场强相对于相邻测量点的场强要大。当缺陷圆柱体长度为105mm时，第11个和第14个测量点处的场强相对于相邻测量点的场强要大。当缺陷圆柱体长度为210mm时，第9个和第16个测量点处的场强相对于相邻测量点的场强要大。这与高压端存在内部缺陷的不一样的是，缺陷两侧末端附件的电场强度都有变化，故这种特征有助于检测出内部缺陷的位置和严重程度。

三、内部缺陷在接地端

从图6中可知，由于内部缺陷的存在，在缺陷末端位置附近的电场强度变化显著增大。当缺陷圆柱体长度为35mm时，第23个测量点处的场强相对于相邻测量点的场强要大。当缺陷圆柱体长度为105mm时，第21个测量处的场强相对于相邻测量点的场强要大。当缺陷圆柱体长度为210mm时，第18个测量处的场强相对于相邻测量点的场强要大。

由本发明可知：

1)复合绝缘子内部不同位置的导通性缺陷导致电场分布变化的特征是不一样的，在缺陷末端位置附近的电场强度变化显著增大。这有助于检测出内部缺陷的位置。

2)复合绝缘子内部存在导通性缺陷时，绝缘子片之间测量点的径向电场分量分布的变化相对轴向电场分量分布的变化要更为明显。

3)复合绝缘子内部存在不同严重程度的导通性缺陷导致电场分布的畸变量会随着导通性缺陷的严重程度的增加而增加，检测出内部缺陷的严重程度。

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。