一种±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验方法

摘要

本发明涉及一种±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验方法，包括：1、建立真型±1100kV特高压直流复合绝缘子的电场计算模型，对其进行电场及电位计算，获得其电场及电位分布；2、基于相似理论，推导出±1100kV特高压直流复合绝缘子的缩比公式，建立其缩比模型；3、基于缩比模型，对其进行电场及电位计算，获得其电场及电位分布；4、计算真型模型和缩比模型电场及电位分布的皮尔森相关系数，验证缩比系数。该方法解决了目前对±1100kV特高压直流复合绝缘子的真型试验条件不足且试验成本高、周期长等问题，填补了±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验研究的空白。

说明书

技术领域

本发明属于特高压直流输电技术领域，具体涉及一种±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验方法。

背景技术

昌吉-古泉±1100kV特高压工程是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压直流输电工程，其中复合绝缘子的应用大大减少了输电线路污闪事故的发生，减轻了原来污秽地区繁重的清扫及零值检测工作，已成为我国解决污秽地区输电线路外绝缘污闪问题最为有效的方法之一。但在实际运行中，复合绝缘子会在电气、机械和外界环境的共同作用下逐渐出现劣化的现象，如何实时检测、评估复合绝缘子的整体运行性能是亟需解决的难题。

目前国内外对±1100kV特高压直流复合绝缘子缺乏实际的运行经验，仅有极少数单位具备±1100kV特高压直流复合绝缘子的真型试验研究条件，但真型试验成本高，周期长。因此，有必要基于相似理论，对±1100kV直流复合绝缘子进行缩比试验研究。但目前尚无该方面的技术报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验方法，该方法有利于节约试验成本，缩短试验周期。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验方法，包括以下步骤：

步骤1：建立真型±1100kV特高压直流复合绝缘子的电场计算模型，对其进行电场及电位计算，获得其电场及电位分布；

步骤2：基于相似理论，推导出±1100kV特高压直流复合绝缘子的缩比公式，建立其缩比模型；

步骤3：基于缩比模型，对其进行电场及电位计算，获得其电场及电位分布；

步骤4：计算真型模型和缩比模型电场及电位分布的皮尔森相关系数，验证缩比系数。

进一步地，所述步骤1中，采用COMSOL软件对真型±1100kV特高压直流复合绝缘子进行电场及电位计算。

进一步地，所述步骤2中，根据研究±1100kV特高压直流复合绝缘子电场及电位分布特性，选取麦克斯韦方程组作为特征方程组，然后基于包括相似常数、相似指标、相似判据以及相似三大定理的相似理论，对麦克斯韦方程组进行缩比公式的推导。

进一步地，基于相似理论，对麦克斯韦方程组进行缩比公式推导的具体方法为：

设缩比模型各物理量为()'的形式，则缩比模型应满足的麦克斯韦方程组如下：

假设原模型的相似因子为k，则缩比模型参数表示为()＝k

根据相似理论可得到上述方程组的相似关系为：

以长度、电流、介电常数、电导率作为基本缩比因子，得到如下缩比公式：

进一步地，建立缩比模型时，缩比模型的介电常数ε与原模型完全相同，缩比模型按照相同的结构组成进行建模，缩比模型尺寸按照选取的相似因子进行设置。

进一步地，所述步骤3中，基于所建立的缩比模型，对绝缘子施加相似因子所对应的电压，进行电场及电位计算，获得其电场及电位分布，以与原模型做比较，验证缩比系数。

进一步地，所述步骤4中，在验证缩比系数的有效性时，计算原模型和缩比模型电场及电位分布的皮尔森相关系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本方法基于相似理论建立缩比模型，不仅可以更好地保证与原模型的一致性，而且解决了对真型±1100kV特高压直流复合绝缘子进行试验成本高，周期长等问题。通过获得的缩比模型进行缺陷检测，可减少±1100kV特高压直流输电线路运行的安全隐患，为防止复合绝缘子脆断和断串故障提供有效的防范策略和技术手段，减少非计划停电带来的损失，提升电网持续供电能力、稳定性、安全运行水平，改善用户侧用电质量，提高用户用电满意度。

附图说明

图1是本发明实施例的方法实现流程图。

图2是本发明实施例中利用COMSOL软件对±1100kV特高压直流复合绝缘子原模型的建模。

图3是本发明实施例中±1100kV特高压直流复合绝缘子原模型的电场/电位分布图。

图4是本发明实施例中±1100kV特高压直流复合绝缘子原模型的电场/电位曲线图。

图5是本发明实施例中利用COMSOL软件对±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比模型的建模。

图6是本发明实施例中±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比模型的电场/电位分布图。

图7是本发明实施例中±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比模型的电场/电位曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明提供了一种±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验方法，包括以下步骤：

步骤1：建立真型±1100kV特高压直流复合绝缘子的电场计算模型，对其进行电场/电位计算，获得其电场/电位分布。

其中，采用COMSOL软件对真型±1100kV特高压直流复合绝缘子进行电场/电位计算。建立真型±1100kV特高压直流复合绝缘子模型，材料设置为：护套是硅橡胶，芯棒是树脂材料，端部金具为40Cr锻钢，均压环为金属铝材料以及相对应的介电常数。边界/激励条件设置为高压侧端部金具和均压环设置±1100kV的电压，低压侧端部金具和均压环电位设为0kV，以及空气域、网格剖分和求解器的设置。

步骤2：基于相似理论，推导出±1100kV特高压直流复合绝缘子的缩比公式，建立其缩比模型。

首先根据研究±1100kV特高压直流复合绝缘子电场/电位分布特性，选取麦克斯韦方程组作为特征方程组，然后基于相似理论，对麦克斯韦方程组进行缩比公式的推导。

其中，麦克斯韦方程组为：

式中，J＝σE，D＝εE,B＝μH。这里ε、μ和γ分别代表介电常数，磁导率和电导率，E和D分别代表电场强度，电通量密度。

所述相似理论包括相似常数、相似指标、相似判据以及相似三大定理等。

相似常数是指在两个相似系统中所有的对应点和对应时刻上，对应物理量保持不变的比率。

相似指标是指系统相关物理量变换系数的关系。

相似判据是指在一个系统中的某一量，它在该系统的不同点上具有不同的数值，但当这一系统转换为与其相似的另一系统时，该量在对应点和对应时刻上保持相同的数值。

相似第一定理是指相似系统中系统内部一些物理量之间的关系是不变的。

相似第二定理是指彼此相似的现象，在对应点和对应时刻上的相似判据都相等。

相似第三定理是指对于同一类物理现象，如果单值条件相似，而且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等，则现象相似。

基于相似理论对麦克斯韦方程组推导缩比公式的具体方法为：

设缩比模型各物理量为()'的形式，则缩比模型应满足的麦克斯韦方程组如下：

假设原模型的相似因子为k，则缩比模型参数表示为()＝k

根据相似理论可得到上述方程组的相似关系为：

以长度、电流、介电常数、电导率作为基本缩比因子，得到如下缩比公式：

针对缩比关系式，本发明着重关注涉及电场量的部分缩比关系式，也即电场强度E、介电常数ε、电通量密度D等。建立缩比模型时，使缩比模型的介电常数ε与真型模型，即原模型完全相同，缩比模型按照相同的结构组成进行建模，缩比模型尺寸按照选取的相似因子进行设置。

步骤3：基于缩比模型，对绝缘子施加相似因子所对应的电压，对其进行电场/电位计算，获得其电场/电位分布，以与原模型做比较，验证缩比系数。

步骤4：计算真型模型和缩比模型电场/电位分布的皮尔森相关系数，验证缩比系数。

在运用相应软件对缩比模型进行建模时，几何参数均为原模型的1/N，高压侧的端部金具和均压环施加电压±1100/N kV，低压侧端部金具和均压环电位设为0kV，各组成部分的介电常数均与原模性保持一致。

对比计算得出的缩比模型和原模型的电场/电位分布是否保持一致，当两电场/电位的皮尔森相关系数均大于0.9时，缩比系数才是有效的。

下面以FXBZ-±1100kV/300(240)特高压直流复合绝缘子的缩比试验方法为例，进一步说明本发明的有益效果。

1)采用COMSOL软件对真型±1100kV特高压直流复合绝缘子进行电场/电位计算。包括对真型±1100kV特高压直流复合绝缘子模型的建立，材料设置为：护套是硅橡胶，介电常数设为3.5；芯棒是树脂材料，介电常数设为4.8；端部金具为40Cr锻钢和均压环设为金属铝材料，如图2所示。边界/激励条件的设置为高压侧端部金具和均压环设置±1100kV的电压，低压侧端部金具和均压环电位设为0kV。以及采取极细化的网格剖分和软件默认的求解器参数。运行计算后求得原模型的电场/电位分布和曲线图，分别如图3和4所示。

2)针对所推导出的缩比公式，选取缩比数为1/10，将几何尺寸缩为原模型的1/10，各组成结构的介电常数ε与原模型保持一致，建立其缩比模型。

3)对缩比模型进行几何建模，如图5所示，材料设置、网格剖分和求解器均与原模型保持一致，边界条件/激励的设置为高压侧端部金具和均压环设置±110kV的电压，低压侧端部金具和均压环电位设为0kV，运行计算后求得缩比模型的电场/电位分布和曲线图，分别如图6和7所示。

4)对比计算缩比模型和原模型的电场强度和电位的皮尔森相关系数，分别为0.987和0.972，均大于0.9，验证了缩比系数为1/10具有有效性，从而说明了±1100kV特高压直流复合绝缘子缩比试验方法的等价性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。