CN105067916A - 油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性仿真方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的仿真方法，其包括：构建油纸电容式套管升高座三维模型；基于有限时域差分法对所述三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分；设置仿真激励源；设置若干数据观测点；获取预设时间内仿真电磁波时域传播过程中得到的所述数据观测点处的采集数据；根据所述采集数据分析得出所述油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性。通过仿真方法可以良好的拟合工程实际，相比现场试验更加安全、且有更好的经济性和可实施性。本发明还提供一种实现上述方法的仿真系统。

Description

油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性仿真方法与系统

技术领域

本发明专利涉及仿真技术领域，尤其涉及一种油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性仿真方法。

背景技术

套管是变压器中的一个主要部件，变压器绕组的引线是依靠套管引出箱外的，套管起到绕组引线对油箱的绝缘、固定和将电流输送到箱外的作用，它需适应外界各类环境条件，并要有一定的机械强度。通常套管分纯瓷套管、充油套管、充气套管、电容式套管等不同形式。为了使110kv及以上的套管的辐向和轴向场强都均匀，其绝缘结构一般采用电容型，即在导电杆上包上许多绝缘层，其间根据场强分布特点夹有许多铝箔，以组成一串同心圆柱形电容器。

通常，油纸电容式套管安装在变压器的出线升高座上，升高座的金属外壁阻挡了内部电磁波的传播，而油纸电容式套管本体中的同轴油道通常会是电磁波向外传播的理想通道，因此，研究油纸电容式套管升高座内部放电信号对于油纸电容式套管的影响对于油纸电容式套管的在线检测非常重要。而升高座内部放电信号的特高频辐射特性通过现场试验方式进行检测，不仅受环境影响不容易实施，而且容易因为不规范操作或者疏忽大意导致事故，如何测试升高座内部放电信号的特高频辐射特性成为油纸电容式套管巡检和检测难题。

发明内容

基于此，本发明在于提供一种更安全、更具可实施性的实现油纸电容式套管升高座内特高频辐射特性的检测方法和系统，通过建立油纸电容式套管升高座内放电的仿真试验，研究升高座内部放电后电磁波信号的传播途径和辐射特征图谱，以指导油纸电容式套管在线检测。

根据本发明一个方面，一种油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的仿真方法，其包括：构建油纸电容式套管升高座三维模型；基于有限时域差分法对所述三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分；设置仿真激励源；设置若干数据观测点；获取预设时间内仿真电磁波时域传播过程中得到的所述数据观测点处的采集数据；根据所述采集数据分析得出所述油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性。

一种油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的仿真系统，包括：模型构建模块，构建油纸电容式套管升高座三维模型；仿真初始化设置模块，包括网格划分单元、仿真激励源设置单元及数据观测点设置单元，所述网格初始化划分单元用于基于有限时域差分法对所述三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分，所述仿真激励源设置单元设置仿真激励源，所述数据观测点设置单元用于于升高座内部设置若干数据观测点；数据采集模块，用于记录预设时间内仿真电磁波时域传播过程中的所述数据观测点处的采集数据；数据分析模块，用于根据所述采集数据分析得出所述油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性。

本发明采用仿真的方式分析油纸电容式套管升高座特高频辐射特性，从而可获知升高座内不同局部位置放电信号的特高频辐射特性，可用于指导现场油纸电容式套管的在线检测装置的安装和使用，通过仿真结果可以良好的拟合工程实际，相比现场试验更加安全、且有更好的经济性和可实施性，解决油纸电容式套管升高座内放电的巡检和检测难题。

附图说明

图1为本发明一实施例所提供的油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的仿真方法的流程图。

图2为本发明一实施例所提供的油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的仿真系统的结构示意框图。

图3为图2所示仿真系统中仿真初始化设置模块的结构示意框图。

图4为图2所示仿真系统中数据分析模块的结构示意框图。

附图标记说明

10模型构建模块

20仿真初始化设置模块

21网格划分单元

22仿真激励源设置单元

23数据观测点设置单元

30数据采集模块

40数据分析模块

41坡印廷矢量分析单元

42电磁波信号频谱特性分析单元

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

请参阅图1，为本发明一实施例所提供的油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性仿真方法，其包括如下步骤：

构建油纸电容式套管升高座三维模型；本申请中所指的油纸电容式套管升高座包括油纸电容式套管本体及升高座。根据油纸电容式套管本体及升高座的实际尺寸和其材料的电气参数构建油纸电容式套管升高座模型，其中，材料的电气参数包括电导率和相对介电常数。构建三维模型的仿真软件可选择Pro/E(Pro/Engineer)软件，该Pro/E软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，可以在XFDTD软件中进行各部件的材料电气参数的设置，XFDTD软件是基于时域有限差分(FDTD)方法的全波三维电磁场仿真软件。具体构建油纸电容式套管升高座三维模型的过程中，优选采用从里到外的顺序根据油纸电容式套管各部件的尺寸依次搭建部件模型，各部件模型包括套管中导杆、电容芯子、末屏、末屏防护罩、安装法兰、套管内部油介质、上瓷套和下瓷套、顶部油枕和将军帽、均压球、升高座、套管电流互感器及套管电压互感器。搭建好各部件模型后，根据材料手册的相关电气参数对各部件分别进行电气参数设置。由于不同部件的材料电气参数不同，对仿真模型的材料电气参数进行设置后，能够便于仿真系统根据电气参数不同区别各部件模型。

基于有限时域差分法对所述油纸电容式套管升高座的三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分；由于油纸电容式套管本体的结构紧凑且实际尺寸较大，网格初始化和自适应子网格划分能够保证每个结构都被完整地剖分，可以减少不必要的精细化网络，保证计算速度、计算精度和数值稳定性。同时，由于套管本体是轴对称结构，所有的部件都呈圆柱状结构，采用传统的FDTD仿真方法中的自适应网格划分方式其正方体或长方体网格会使得仿真内存变得很大，引入自适应子网格划分方式，可以将部分结构的正方体或长方体网格再划分为两个正六面体，从而可以更好的逼近圆柱等曲面结构，能够更好地模拟油纸电容式套管的圆柱状结构的电磁波特性。在仿真过程中对构建模型进行自适应子网格划分的具体实现手段可以通过现有技术实现，在此不再赘述。

设置仿真激励源，设置的激励源要能够模拟实际中油纸电容式套管的升高座内可能发生布局放电的位置及局部放电的类型，以模拟升高座内局部放电的电流过程。仿真激励源设置于所述三维模型中的升高座内，其中激励源的形式主要是能够满足辐射所需的电磁波即可，如可以使用理想电流源并联电阻的形式，电流源即为局部放电的电流，电阻两端即为辐射端口。可以理解地，仿真激励源的设置不限于此，由于考虑的是升高座内部放电信号在油纸电容式套管中的传播路径和电磁场辐射特性，因此，设置仿真激励源可以结合工频电压下油中布局放电信号时域特性，模拟不同位置、不同放电强度的不同辐值、不同脉宽的多种形式的电磁波仿真激励源。

设置若干数据观测点，获取预设时间内仿真电磁波时域传播过程中得到的所述数据观测点处的采集数据。其中，数据观测点的选取合理，便能够得到较为准确的仿真结果，数据观测点的选取以能够记录电场、磁场的时域变化为原则。本实施例中，数据观测点的数量为多个，并分别设置于油纸电容式套管法兰内部油道、安装法兰的周围和纸电容式套管的周围，并呈几何形式分布在等直径的圆上。由于油纸电容式套管呈圆柱状同轴结构，尤其是安装法兰内侧油道呈同轴圆柱波导结构，会对升高座内部的电磁波传播产生影响，因此通过于油纸电容式套管法兰内部油道、靠近安装法兰的周围和靠近油纸电容式套管的周围设置数据观测点，以便能够明确这些结构对升高座内部放电信号的电磁波传播过程的影响，得出能够用于指导实际的结果。可以理解地，上述数据观测点也可以选择地设置于油纸电容式套管法兰内部油道、安装法兰的周围和纸电容式套管的周围这些位置当中的一个或者多个，在一定程度上也能够分析出对应套管中各部件对于电磁波传播的影响。所述采集数据包括各数据观测点处得到的电场和磁场的时域变化过程，其中包括电场和磁场分别在两两相互垂直的X、Y、Z三个方向的分量。为了更直观和减少后续步骤中的换算，一般选择其中一个方向是沿着油纸电容式套管的轴向方向。

根据所述采集数据分析得出油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性；本实施例中，特高频辐射特性包括电磁场能量的分布特征、电磁波的传播路径以及电磁波传播截止频率。通过采集得到的各数据观测点处的电场和磁场的时域变化过程，可获得各数据观测点所记录的电场、磁场离散变化数据，从而可计算出坡印廷矢量和获得电磁波信号频谱特性。坡印廷矢量(Poyntingvector)是指电磁场中的能流密度矢量。数据观测点处的电场强度为E，磁场强度为H，则该处电磁场的能流密度为S＝E×H，方向由E和H按右手螺旋定则确定，大小为S＝EHsinθ，θ为E和H的夹角，表示单位时间通过垂直单位面积的能量，单位为瓦/米²。其中，研究坡印廷矢量的变化过程可得知电磁场能量的分布特征和电磁波的传播路径，分析各数据观测点处的电磁波信号频谱特性可得知电磁波传播截止频率。具体实施时，可以沿从电磁波辐射的某同一方向分别设置多个数据观测点，使得各数据观测点距离激励源的远近不同，通过获得和对比这些数据观测点的电场强度、磁场强度峰值变化，分析得到设置的局部放电激励源辐射的电磁波沿着数据观测点设置方向的衰减情况，了解电磁波传播路径，计算出坡印廷矢量的时域变化。另外，可以改变激励源条件分别进行仿真试验，得出不同激励源条件下各数据观测点所采集的电场强度、磁场强度的时域变化过程，可以获得不同激励源下同一数据观测点处的场强峰值变化规律，从而计算出各数据观测点位置的电磁波信号频谱特性，得到油纸电容式套管导致的电磁波传播截止频率。其中，不同条件的激励源包括不同辐值、不同脉宽以及仿真中的局部放电信号源的位置不同。

通过本发明的仿真方法得到的特高频辐射特性是为了要指导实际，以期了解油纸电容式套管的升高座内部放电信号的电磁波传播路径。实际设置的特高频传感器能够检测到油纸电容式套管升高座在运行过程中产生的局部放电，因此需要考虑特高频传感器的选取类型及设置位置，在其中一个实施例中，本发明的油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性仿真方法还包括步骤：根据油纸电容式套管升高座中局部放电信号的特高频辐射特性，分析出在油纸电容式套管升高座内装设特高频传感器的位置和型号，通过油纸电容式套管升高座中局部放电信号的电磁波传播特性仿真分析，距离局部放电信号源若干米之外信号几乎衰减为零，则可以确定特高频传感器到局部放电信号源对应位置的预设距离范围。

请参阅图2，本发明还提供一种油纸电容式套管的特高频辐射特性仿真系统，包括模型构建模块10、仿真初始化设置模块20、数据采集模块30及数据分析模块40。

其中，模型构建模块10用于根据油纸电容式套管升高座的尺寸和材料的电气参数构建油纸电容式套管升高座三维模型。其中，材料的电气参数包括电导率和相对介电常数。该模型构建模块10包括仿真软件，如Pro/E(Pro/Engineer)软件和XFDTD软件。该Pro/E软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，构建结构模型后可以在XFDTD软件中进行各部件的材料电气参数的设置，XFDTD软件是基于时域有限差分(FDTD)方法的全波三维电磁场仿真软件。在具体构建油纸电容式套管升高座三维模型的过程中，优选采用从里到外的顺序根据油纸电容式套管各部件的尺寸依次搭建部件模型，各部件模型包括套管中导杆、电容芯子、末屏、末屏防护罩、安装法兰、套管内部油介质、上瓷套和下瓷套、顶部油枕和将军帽、均压球、升高座、套管电流互感器及套管电压互感器。在搭建好各部件模型后，根据材料手册的相关电气参数对各部件分别进行电气参数设置。由于不同部件的材料电气参数之间不同，对仿真模型的材料电气参数设置后，能够便于仿真系统根据电气参数区别各部件模型。

仿真初始化设置模块20，包括网格划分单元21、仿真激励源设置单元22和数据观测点设置单元23。网格划分单元21用于基于有限时域差分法对所述油纸电容式套管的三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分。仿真激励源设置单元22用于于升高座内部设置仿真激励源。数据观测点设置单元23用于设置若干数据观测点。该仿真初始化设置模块20可以为仿真软件，其中对所述油纸电容式套管升高座的三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分、设置仿真激励源以及设置若干数据观测点的方式与前述实施例油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性仿真方法中描述的相应步骤相同，在此不再赘述。

数据采集模块30，用于记录预设时间内仿真过程中对应激励源条件下各数据观测点处得到的电场和磁场的时域变化过程，其中包括不同激励源条件下同一数据观测点的场强峰值变化，以及同一激励源条件下不同数据观测点的场强峰值变化规律。该数据采集模块优先为XFDTD仿真软件。

数据分析模块40，用于根据所述采集数据分析得出油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性。特高频辐射特性包括电磁场能量的分布特征、电磁波的传播路径以及电磁波传播截止频率。数据分析模块40通过分析采集得到的各数据观测点处的电场和磁场的时域变化过程，获得各数据观测点所记录的电场、磁场离散变化数据，计算出坡印廷矢量和获得电磁波信号频谱特性。具体的，数据分析模块40包括坡印廷矢量分析单元41以及电磁波信号频谱特性分析单元42，其中，坡印廷矢量分析单元41研究坡印廷矢量的变化过程，用于获取电磁场能量的分布特征和电磁波的传播路径，电磁波信号频谱特性分析单元42分析各数据观测点处的电磁波信号频谱特性，用于获取电磁波传播截止频率。该数据分析模块40可为计算机。

该仿真系统在具体使用时，首先通过仿真软件建立油纸电容式套管升高座三维模型和进行初始化设置，然后再采集数据和分析数据以得到升高座内放电信号的特高频辐射特性。其中，仿真初始化设置中对油纸电容式套管进行网格初始化和自适应子网格划分，可实现在保证仿真结果精度前提下增加仿真可实施性。通过多次仿真中由仿真初始化设置模块20对局部放电信号源进行设置以及数据观测点的设置调整和优化，调整初始化设置条件，可以便于得出特高频辐射特性。如通过仿真初始化设置可以沿从电磁波辐射的某同一方向分别设置多个数据观测点，每个数据观测点距离激励源的远近不同，通过获得和对比这些数据观测点的电场强度、磁场强度峰值变化，可以计算出坡印廷矢量的时域变化，以及分析得到设置的局部放电激励源辐射的电磁波沿着数据观测点设置方向的衰减情况，了解电磁波传播路径。另外，可以改变激励源条件分别进行仿真试验，得出不同激励源条件下各数据观测点所采集的电场强度、磁场强度的时域变化过程，可以获得不同激励源下同一数据观测点处的场强峰值变化规律，从而计算出各数据观测点位置的电磁波信号频谱特性，得到油纸电容式套管导致的电磁波传播截止频率。

综上所述，本发明采用仿真的方案分析出油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性，从而可获知升高座内不同局部位置放电信号的电磁场能量的分布特征、电磁波的传播路径以及电磁波传播截止频率，研究特高频辐射特性可用于指导现场油纸电容式套管的在线检测装置的安装和使用，成果实现工程化，相比现场试验更加安全、且有更好的经济性和可实施性，解决油纸电容式套管的巡检和检测难题。

以上描述了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。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。

Claims (10)

1.一种油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的仿真方法，其包括：

构建油纸电容式套管升高座三维模型；

基于有限时域差分法对所述三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分；

设置仿真激励源；

设置若干数据观测点；

获取预设时间内仿真电磁波时域传播过程中得到的所述数据观测点处的采集数据；

根据所述采集数据分析得出所述油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性。

2.如权利要求1中所述的仿真方法，其特征在于：所述构建油纸电容式套管升高座三维模型的步骤中，采用从里到外的顺序根据所述油纸电容式套管升高座各部件的实际尺寸依次搭建部件模型，并对各部件分别进行电气参数设置。

3.如权利要求1中所述的仿真方法，其特征在于：所述设置仿真激励源的步骤中，所述仿真激励源设置于所述三维模型中的升高座内，所述仿真激励源包括理想电流源及与所述理想电流源并联的电阻。

4.如权利要求1中所述的仿真方法，其特征在于：所述设置仿真激励源的步骤中，所述仿真激励源的设置包括设置不同位置、不同辐值及不同脉宽的电磁波仿真激励源。

5.如权利要求1中所述的仿真方法，其特征在于：所述设置若干数据点的步骤中，所述数据观测点的数量为多个，并分别设置于油纸电容式套管法兰内部油道、安装法兰的周围和/或油纸电容式套管的周围，并呈几何形式分布在等直径的圆上。

6.如权利要求1中所述的仿真方法，其特征在于：在根据所述采集数据分析得出所述油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的步骤中，所述采集数据包括所述数据观测点处的电场、磁场的时域变化过程，所述特高频辐射特性包括电磁场能量的分布特征、电磁波的传播路径以及电磁波传播截止频率。

7.一种油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性的仿真系统，其特征在于：包括：

模型构建模块，构建油纸电容式套管升高座三维模型；

仿真初始化设置模块，包括网格划分单元、仿真激励源设置单元及数据观测点设置单元，所述网格初始化划分单元用于基于有限时域差分法对所述三维模型进行网格初始化和自适用子网格划分，所述仿真激励源设置单元于升高座内部设置仿真激励源，所述数据观测点设置单元用于设置若干数据观测点；

数据采集模块，用于记录预设时间内仿真电磁波时域传播过程中的所述数据观测点处的采集数据；

数据分析模块，用于根据所述采集数据分析得出所述油纸电容式套管升高座的特高频辐射特性。

8.如权利要求7中所述的仿真系统，其特征在于：所述数据观测点设置单元分别于油纸电容式套管法兰内部油道、安装法兰的周围和/或油纸电容式套管的周围设置多个数据观测点。

9.如权利要求7中所述的仿真系统，其特征在于：所述数据采集模块的采集数据包括所述数据观测点处的电场、磁场的时域变化过程。

10.如权利要求7中所述的仿真系统，其特征在于：所述数据分析模块分析包括坡印廷矢量分析单元，用于获取电磁场能量的分布特征和电磁波的传播路径，以及电磁波信号频谱特性分析单元，用于获取电磁波传播截止频率。