油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性仿真方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專(zhuān)利涉及仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]套管是變壓器中的一個(gè)主要部件，變壓器繞組的引線(xiàn)是依靠套管引出箱外的，套管起到繞組引線(xiàn)對(duì)油箱的絕緣、固定和將電流輸送到箱外的作用，它需適應(yīng)外界各類(lèi)環(huán)境條件，并要有一定的機(jī)械強(qiáng)度。通常套管分純瓷套管、充油套管、充氣套管、電容式套管等不同形式。為了使IlOkv及以上的套管的輻向和軸向場(chǎng)強(qiáng)都均勻，其絕緣結(jié)構(gòu)一般采用電容型，即在導(dǎo)電桿上包上許多絕緣層，其間根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)分布特點(diǎn)夾有許多鋁箔，以組成一串同心圓柱形電容器。最外層鋁箔即末屏通過(guò)小套管引出，作為驗(yàn)證變壓器性能是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)條件的預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目。套管試驗(yàn)主要是檢測(cè)變壓器主絕緣和電容式套管末屏對(duì)地絕緣電阻、套管介質(zhì)損耗、電容量和局部放電量等，末屏在運(yùn)行中應(yīng)良好接地。如果運(yùn)行中由于各種原因造成末屏不健全或接地不良，那么末屏對(duì)地會(huì)形成一個(gè)電容，而這個(gè)電容遠(yuǎn)小于套管本身的電容，按照電容串聯(lián)原理，將在末屏與地之間形成很高的懸浮電壓，造成末屏對(duì)地放電，燒毀末屏附近的絕緣物，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生套管爆炸事故。
[0003]現(xiàn)有的套管預(yù)防性試驗(yàn)方法需要臨時(shí)斷開(kāi)末屏接地端子或臨時(shí)改變末屏接地回路，現(xiàn)場(chǎng)人員的不規(guī)范操作或疏忽大意往往會(huì)造成末屏對(duì)地虛接。另現(xiàn)有一種套管在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置能在線(xiàn)測(cè)量套管介質(zhì)損耗、電容量等參數(shù)，是通過(guò)在接地回路中串入傳感器，然而該在線(xiàn)檢測(cè)裝置使用時(shí)也需要改變套管原有末屏接地回路，安裝過(guò)程中安裝位置選擇不當(dāng)也極容易造成末屏虛接或斷線(xiàn)，造成運(yùn)行電壓下末屏端子持續(xù)放電而可能發(fā)生以上所述嚴(yán)重的套管爆炸事故。
[0004]因此，實(shí)有必要提供一種更安全、更具可實(shí)施性的實(shí)現(xiàn)油紙電容式套管試驗(yàn)的方法與裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，本發(fā)明在于提供一種更安全、更具可實(shí)施性的實(shí)現(xiàn)油紙電容式套管試驗(yàn)的方法和系統(tǒng)，通過(guò)建立油紙電容式套管末屏虛接放電的特高頻輻射特性仿真試驗(yàn)，研究末屏內(nèi)部電磁波信號(hào)的傳播途徑和輻射特征圖譜，以指導(dǎo)套管在線(xiàn)檢測(cè)裝置的安裝和使用。
[0006]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，提供一種油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性仿真方法，其包括:構(gòu)建油紙電容式套管三維模型；基于有限時(shí)域差分法對(duì)所述三維模型進(jìn)行網(wǎng)格初始化和自適用子網(wǎng)格劃分；設(shè)置仿真激勵(lì)源；設(shè)置若干數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)；獲取預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)仿真電磁波時(shí)域傳播過(guò)程中得到的所述數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)處的采集數(shù)據(jù)；根據(jù)所述采集數(shù)據(jù)分析得出所述油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性的仿真系統(tǒng)，包括:模型構(gòu)建模塊，構(gòu)建油紙電容式套管三維模型；仿真初始化設(shè)置模塊，包括網(wǎng)格劃分單元、仿真激勵(lì)源設(shè)置單元及數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置單元，所述網(wǎng)格初始化劃分單元用于基于有限時(shí)域差分法對(duì)所述三維模型進(jìn)行網(wǎng)格初始化和自適用子網(wǎng)格劃分，所述仿真激勵(lì)源設(shè)置單元設(shè)置仿真激勵(lì)源，所述數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置單元用于設(shè)置若干數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集模塊，用于記錄預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)仿真電磁波時(shí)域傳播過(guò)程中的所述數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)處的采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析模塊，用于根據(jù)所述采集數(shù)據(jù)分析得出所述油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性。
[0008]本發(fā)明采用仿真的方式分析出油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性，從而可獲知末屏虛接時(shí)不同局部位置放電信號(hào)的特高頻輻射特性，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)油紙電容式套管的在線(xiàn)檢測(cè)裝置的安裝和使用，通過(guò)仿真結(jié)果可以良好的擬合工程實(shí)際，相比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更加安全、且有更好的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性，解決油紙電容式套管末屏虛接放電的巡檢和檢測(cè)難題。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性的仿真方法的流程圖；
[0010]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性的仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0011]圖3為圖2所示仿真系統(tǒng)中仿真初始化設(shè)置模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0012]圖4為圖2所示仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0013]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0014]10模型構(gòu)建模塊
[0015]20仿真初始化設(shè)置模塊
[0016]21網(wǎng)格劃分單元
[0017]22仿真激勵(lì)源設(shè)置單元
[0018]23數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置單元
[0019]30數(shù)據(jù)采集模塊
[0020]40數(shù)據(jù)分析模塊
[0021]41坡印廷矢量分析單元
[0022]42電磁波信號(hào)頻譜特性分析單元
【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性仿真方法，其包括如下步驟:
[0025]構(gòu)建油紙電容式套管三維模型；根據(jù)油紙電容式套管的實(shí)際尺寸和其材料的電氣參數(shù)構(gòu)建油紙電容式套管模型，其中，材料的電氣參數(shù)包括電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)。構(gòu)建三維模型的仿真軟件可選擇Pro/E (Pro/Engineer)軟件，該P(yáng)ro/E軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE —體化的三維軟件，可以在XFDTD軟件中進(jìn)行各部件的材料電氣參數(shù)的設(shè)置，XFDTD軟件是基于時(shí)域有限差分(FDTD)方法的全波三維電磁場(chǎng)仿真軟件。具體構(gòu)建油紙電容式套管三維模型的過(guò)程中，優(yōu)選采用從里到外的順序根據(jù)油紙電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導(dǎo)桿，電容芯子，末屏、末屏防護(hù)罩，安裝法蘭，套管內(nèi)部油介質(zhì)，上瓷套和下瓷套，頂部油枕和將軍帽，均壓球。搭建好各部件模型后，根據(jù)材料手冊(cè)的相關(guān)電氣參數(shù)對(duì)各部件分別進(jìn)行電氣參數(shù)設(shè)置。由于不同部件的材料電氣參數(shù)之間不同，對(duì)仿真模型的材料電氣參數(shù)設(shè)置后，能夠便于仿真系統(tǒng)根據(jù)電氣參數(shù)區(qū)別各部件模型。
[0026]基于有限時(shí)域差分法對(duì)所述油紙電容式套管的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格初始化和自適用子網(wǎng)格劃分；由于油紙電容式套管的結(jié)構(gòu)緊湊且實(shí)際尺寸較大，網(wǎng)格初始化和自適應(yīng)子網(wǎng)格劃分能夠保證每個(gè)結(jié)構(gòu)都被完整地剖分，可以減少不必要的精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)，保證計(jì)算速度、計(jì)算精度和數(shù)值穩(wěn)定性。同時(shí)，由于套管本身是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所有的部件都呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的FDTD仿真方法中的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方式其正方體或長(zhǎng)方體網(wǎng)格會(huì)使得仿真內(nèi)存變得很大，引入自適應(yīng)子網(wǎng)格劃分方式，可以將部分結(jié)構(gòu)的正方體或長(zhǎng)方體網(wǎng)格再劃分為兩個(gè)正六面體，從而可以更好的逼近圓柱等曲面結(jié)構(gòu)，能夠更好地模擬油紙電容式套管的圓柱狀結(jié)構(gòu)的電磁波特性。在仿真過(guò)程中對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行自適應(yīng)子網(wǎng)格劃分的具體實(shí)現(xiàn)手段可以通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。
[0027]設(shè)置仿真激勵(lì)源，設(shè)置的激勵(lì)源要能夠模擬實(shí)際中油紙電容式套管的末屏內(nèi)可能發(fā)生布局放電的位置及局部放電的類(lèi)型，以模擬末屏內(nèi)局部放電的電流過(guò)程。仿真激勵(lì)源設(shè)置于所述三維模型中的末屏內(nèi)，其中激勵(lì)源的形式主要是能夠滿(mǎn)足輻射所需的電磁波即可，如使用理想電流源并聯(lián)電阻的形式，電流源即為局部放電的電流，電阻兩端即為輻射端口?？梢岳斫獾?，仿真激勵(lì)源的設(shè)置不限于此，由于考慮的是末屏內(nèi)部放電信號(hào)在油紙電容式套管中的傳播路徑和電磁場(chǎng)輻射特性，因此，設(shè)置仿真激勵(lì)源可以結(jié)合空氣在工頻電場(chǎng)下的擊穿特性，模擬不同位置、不同放電強(qiáng)度的不同輻值、不同脈寬的多種形式的電磁波仿真激勵(lì)源。
[0028]設(shè)置若干數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)，獲取預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)仿真電磁波時(shí)域傳播過(guò)程中得到的所述數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)處的采集數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的選取合理，便能夠得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的選取以能夠記錄電場(chǎng)、磁場(chǎng)的時(shí)域變化為原則。本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量為多個(gè)，并分別設(shè)置于油紙電容式套管法蘭內(nèi)部油道、安裝法蘭的周?chē)图堧娙菔教坠艿闹車(chē)?，并呈幾何形式分布在等直徑的圓上。由于油紙電容式套管呈圓柱狀同軸結(jié)構(gòu)，尤其是安裝法蘭內(nèi)側(cè)油道呈同軸圓柱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)末屏內(nèi)部的電磁波傳播產(chǎn)生影響，因此通過(guò)于油紙電容式套管法蘭內(nèi)部油道、靠近安裝法蘭的周?chē)涂拷图堧娙菔教坠艿闹車(chē)O(shè)置數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)，以便能夠明確這些結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波傳播過(guò)程的影響，得出能夠用于指導(dǎo)實(shí)際的結(jié)果?？梢岳斫獾?，上述數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)也可以選擇地設(shè)置于油紙電容式套管法蘭內(nèi)部油道、安裝法蘭的周?chē)图堧娙菔教坠艿闹車(chē)@些位置當(dāng)中的一個(gè)或者多個(gè)，在一定程度上也能夠分析出對(duì)應(yīng)套管結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁波傳播的影響。所述采集數(shù)據(jù)包括各數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)處得到的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)域變化過(guò)程，其中包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別在兩兩相互垂直的X、Y、Z三個(gè)方向的分量。為了更直觀和減少后續(xù)步驟中的換算，一般選擇其中一個(gè)方向是沿著油紙電容式套管的軸向方向。
[0029]根據(jù)所述采集數(shù)據(jù)分析得出油紙電容式套管末屏的特高頻輻射特性；本實(shí)施例中，特高頻輻射特性包括電磁場(chǎng)能量的分布特征、電磁波的傳播路徑以及電磁波傳播截止頻率。通過(guò)采集得到的各數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)處的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)域變化過(guò)程，可獲得各數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)所記錄的電場(chǎng)、磁場(chǎng)離散變化數(shù)據(jù)，從而可計(jì)算出坡印廷矢量和獲得電磁波信號(hào)頻譜特性。坡印廷矢量(Poynting vector)是指電磁場(chǎng)中的能流密度矢量。數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，則該處電磁場(chǎng)的能流密度為S = EX H，方向由E和H按右手螺旋定則確定，大小為S = EHsin θ，Θ為E和H的夾角，表示單位時(shí)間通過(guò)垂直單位面積的能量，單位為瓦/米2。其中，研究坡印廷矢量的變化過(guò)程可得知電磁場(chǎng)能量的分布特征和電磁波的傳播路徑，分析各數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)處的電磁波信號(hào)頻譜特性可得知電磁波傳播截止頻率。具體實(shí)施時(shí)，可以沿從電磁波輻射的某同一方向分別設(shè)置多個(gè)數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)距離激勵(lì)源的遠(yuǎn)近不同，通過(guò)獲得和對(duì)比這些數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值變化，分析得到設(shè)置的局部放電激勵(lì)源輻射的電磁波沿著數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置方向的衰減