采用逆向有限元技术的复合绝缘结构介电特性分析方法与流程

本发明属于电气工程技术领域，涉及采用逆向有限元技术的复合绝缘结构介电特性分析方法。

背景技术：

高压电气设备通常采用包含多种绝缘介质材料的复合绝缘结构作为其主绝缘。例如，由绝缘油及油浸纸体组成的油纸复合绝缘是油浸式变压器、油浸式高压套管、油浸式互感器等电气设备内绝缘的主要形式。油纸绝缘设备在电网设备中占据了很大比例，具有重要的作用。由于长时间受机械压力、化学腐蚀、表面污秽、运行电压及潮湿等多因素的联合作用，油纸组合绝缘的性能将逐渐下降，并可能最终导致绝缘击穿而引发设备故障。在此背景下，目前主要通过理化分析及电气参量测量两类方法对油纸绝缘健康状况进行诊断。作为一种新型无损电气检测方法，频域介电谱(fds)技术因其抗干扰能力强、测量频带宽泛等优点而被逐渐广泛应用于电气设备的绝缘状态诊断，尤其是油纸绝缘受潮程度的诊断。该方法主要通过对比实测fds曲线和标准样本曲线，通过曲线之间的相对位置关系对绝缘状态做出定性评估；直接提取曲线本身的特征点或其他几何及统计特征，建立特征量与绝缘状态之间的关系式，以对水分含量进行计算；或者根据fds建立介电响应等效模型，根据模型参数变化与绝缘状态之间的关系诊断油纸绝缘状态。

但是，上述fds方法目前存在如下的技术问题：对于变压器绕组主绝缘或油浸式套管主绝缘等同时包含绝缘油道及油浸纸体的这类含有多种介质的复合式绝缘结构而言，介电响应方法仅能从高低压绕组出线端、或套管末屏等外部终端测得复合结构整体的介电响应，而无法有效区分或分离出复合结构中不同材料区域各自单独的介电响应特性，因而无法单独掌握每一部分的绝缘状况，不利于发现复合绝缘中的薄弱环节。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用逆向有限元技术的复合绝缘结构介电特性分析方法，达到根据端口介电响应推断出复合结构内部各部分材料介电变量的目的，为基于fds频域介电响应的复合绝缘状态的精细化诊断提供基础。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

采用逆向有限元技术的多介质复合绝缘介电响应分析方法，该方法包含以下步骤：

s1：采用介电响应分析测试仪对高压电气设备中包含多介质的复合油纸绝缘结构(本发明以油纸电容式套管为具体实例)进行频域介电谱测量，获得复合绝缘部分整体的实测频域介电响应数据；

s2：根据s1中被测设备生厂商提供的设备结构图及尺寸信息，采用有限元软件建立该设备的全尺寸有限元仿真模型；

s3：在s2中有限元模型下进行电准静态场扫频分析。其中，针对每一种绝缘材料，分别采用修正的cole-cole模型构建其介电特性参量，即复介电常数ε^*同频率之间的关系。修正的cole-cole模型将电介质的复极化率视为偶极子极化、直流电导和跳跃电导三部分的组合作用结果，见式(1)；复介电常数则可写为式(2)；若实测fds曲线中ε^*频域谱的虚部在高频段出现转折，则绝缘纸部分的偶极子极化过程进一步采用双弛豫时间极化过程表示，其复介电常数见式(3)。根据s1中的实测ε^*曲线在高频段的转折情况，从式(2)和式(3)中选择一种表达式用于计算绝缘纸的复介电常数。

绝缘油的复极化率采用下述方程(4)描述：

在式(2)-(4)中，e^*paper、e^*oil分别表示绝缘纸和绝缘油的复介电常数，w为频率，j为虚数单位，除此之外的所有符号均表示公式中的待定常数(本发明中将其统称为“介电变量”)。根据所选择的绝缘纸复介电常数表达式(式(2)或式(3))以及绝缘油复介电常数表达式(式(4))，将其中的所有待定系数汇总组成待求解目标变量向量x；

s4：采用有限元软件扫频分析下的数据后处理功能，依照s1中的实际测量端口建立各部分材料的介电变量x至测量端口介电响应的映射关系；

s5：采用有限元分析软件同数值计算软件相结合的方法，建立有限元分析环境和数值计算环境两者之间的数据交换体系，在数值计算软件中建立基于s1中实测介电响应及s3中所采用的cole-cole模型的多参量非线性最优化模型，构建有限元软件向数值分析软件传送测量端口介电响应的计算值，数值分析软件控制有限元软件更新介电变量值的计算体系；

s6：采用遗传算法geneticalgorithm，即ga，同levenberg-marquardt算法，即l-m算法，相结合的融合方法ga-lma通过s5中有限元环境同数值计算环境的数据交换体系，在数值计算软件中对s5中的多参量非线性最优化模型进行求解，反演得出介电变量向量x0。

可选的，所述s6之后还包括s7：

采用油纸电容式套管缩比模型进行方法的有效性校验；按照真实套管的结构构建套管缩比模型，采用s1-s6步骤完成介电响应的测量及各部分绝缘材料介电变量的反演，得出介电变量的计算值x0。

可选的，所述s7之后还包括s8：

解体s7中的套管缩比模型，对其中的绝缘油及电容芯纸体分别进行取样，采用宽频介电响应测试仪对油样和纸样分别测量其介电响应，得出油样和纸样的实测复介电常数，采用与s3中绝缘纸和绝缘油相同的cole-cole模型通过参数辨识拟合得出对应的介电变量x1，将x1与计算结果x0进行对比及差异分析，校验本方法的有效性。

本发明的有益效果在于：能够根据含多介质复合绝缘的整体介电响应反推得出其中每种介质单独的介电变量，能够弥补现有介电响应技术在应用中仅能得到整体介电响应，无法获知每部分单独介电特性的问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明流程图；

图2为模型套管在不同温度环境下的复电容实测结果；图(a)为套管芯子复电容实部；图(b)为套管芯子复电容虚部；

图3为根据步骤s6非线性多参数最优化模型的求解结果重构的计算谱图同实测复电容谱图的对比图；图3(a)为35℃对应图；图3(b)为50℃对应吐；图3(c)65℃为对应图；图3(d)为80℃对应图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为本发明流程图；图2为模型套管复电容实测结果；图(a)为套管芯子复电容实部；图(b)为套管芯子复电容虚部；图3为根据步骤s6非线性多参数最优化模型的求解结果重构的计算谱图同实测复电容谱图的对比图；图3(a)为35℃对应图；图3(b)为50℃对应吐；图3(c)65℃为对应图；图3(d)为80℃对应图。

本发明的目的在于克服频域介电谱技术在应用于多介质复合绝缘诊断中的不足之处，提供了一种基于逆向有限元技术的多介质复合绝缘介电变量的反演方法，其特征是，包含以下步骤：

①采用介电响应分析测试仪对高压电气设备中包含多介质的复合油纸绝缘结构(本发明以油纸电容式套管为具体实例)进行频域介电谱测量，获得复合绝缘部分整体的实测频域介电响应数据；

②根据①中被测设备厂商提供的设备结构图及尺寸信息，采用有限元软件建立该设备的全尺寸有限元仿真模型。

③在②中有限元模型下进行电准静态场扫频分析。其中，针对每一种绝缘材料，分别采用修正的cole-cole模型构建其介电特性参量，即复介电常数ε^*同频率之间的关系。修正的cole-cole模型将电介质的复极化率视为偶极子极化、直流电导和跳跃电导三部分的组合作用结果，见式(1)；复介电常数则可写为式(2)；若实测fds曲线中ε^*频域谱的虚部在高频段出现转折，则绝缘纸部分的偶极子极化过程进一步采用双弛豫时间极化过程表示，其复介电常数见式(3)。根据s1中的实测ε^*曲线在高频段的转折情况，从式(2)和式(3)中选择一种表达式用于计算绝缘纸的复介电常数。

绝缘油的复极化率采用下述方程(4)描述：

在式(2)-(4)中，e^*paper、e^*oil分别表示绝缘纸和绝缘油的复介电常数，w为频率，j为虚数单位，除此之外的所有符号均表示公式中的待定常数(本发明中将其统称为“介电变量”)。根据所选择的绝缘纸复介电常数表达式(式(2)或式(3))以及绝缘油复介电常数表达式(式(4))，将其中的所有待定系数汇总组成待求解目标变量向量x；

④采用有限元软件扫频分析下的数据后处理功能，依照①中的实际测量端口建立各部分材料的介电变量x至测量端口介电响应的映射关系；

⑤采用有限元分析软件同数值计算软件相结合的方法，建立有限元分析环境和数值计算环境两者之间的数据交换体系，在数值计算软件中建立基于①中实测介电响应及③中所采用的cole-cole模型的多参量非线性最优化模型，构建有限元软件向数值分析软件传送测量端口介电响应的计算值，数值分析软件控制有限元软件更新介电变量值的计算体系；

⑥采用遗传算法geneticalgorithm，即ga，同levenberg-marquardt算法，即l-m算法，相结合的融合方法ga-lma通过⑤中有限元环境同数值计算环境的数据交换体系，在数值计算软件中对⑤中的多参量非线性最优化模型进行求解，反演得出介电变量向量x0。

⑦本发明以油纸电容式套管为例，采用其缩比模型进行方法的有效性校验。采用①-⑥步骤完成介电响应的测量及各部分绝缘材料介电变量的反演，得出介电变量的计算值x0。

⑧解体⑦中的套管缩比模型，对其中的绝缘油及电容芯纸体分别进行取样，采用宽频介电响应测试仪对油样和纸样分别测量其介电响应，得出油样和纸样的实测复介电常数，采用与③中绝缘纸和绝缘油相同的cole-cole模型通过参数辨识拟合得出对应的介电变量x1，将x1与计算结果x0进行对比及差异分析，校验本方法的有效性。

表1为不同测试温度下绝缘纸介电变量的反演结果，表2为不同温度下绝缘油介电变量的反演结果。

表1不同测试温度下绝缘纸介电变量的反演结果

表2不同温度下绝缘油介电变量的反演结果

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。