[发明专利]基于Kriging模型的套管电容芯子电场优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种变压器套管内部电容芯子绝缘结构设计，尤其涉及一种基于Kriging模型的套管电容芯子电场优化方法。

背景技术

电力变压器是构成电网的主要设备，在电力系统中起着电压等级变换的作用。随着电力系统输电电压的提高，电力变压器的电压等级也不断提高，这就对变压器套管的绝缘特性提出了更高的要求。套管是变压器箱外的主要绝缘装置，它将变压器的高压和低压绕组的引出线引出到油箱外部，同时起固定引线的作用。目前较为常用的变压器套管有油浸式和电容式两种，其中电容式套管多用于100kV以上的电力变压器。

电容式套管的主要绝缘结构为电容芯子，它是将绝缘纸和铝箔加压力交替卷在导电杆上形成的。这样的设计相当于以导电杆为中心串联多个电容器，根据串联电路分压原理，导电杆对接地法兰的电压应等于各个电容器的电压之和，通过控制各层的电容量可使电场均匀的分布在套管内部。套管中的最大场强值直接关系到变压器的正常运行，而且50％以上的变压器事故都是由套管故障引起的，因此对套管内部电场进行最优化设计尤为重要。

套管电容芯子中电场分布的均匀程度直接影响到套管内部的最大场强值，而最大场强值则主要受电容芯子的间距和厚度影响。传统的电场计算方法很难得到电容芯子的最优参数，且得到的参数无法进行验证缺少可信度。

因此，寻找一种能够对电容芯子最优参数进行可靠预测的方法具有重要的实用价值。

发明内容

发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于Kriging模型的套管电容芯子电场优化方法。

该方法利用仿真软件计算出电容芯子和变压器油的最大场强值，通过Kriging模型预测最优解，最后对最优解进行验证，预测结果可靠且计算量小。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于Kriging模型的套管电容芯子电场优化方法，包括以下步骤：

(1)利用CAD参数化建模功能,建立电容式变压器套管模型；

(2)选择电容芯子间距和厚度为标注约束参数，确定研究范围，得到电容芯子的结构参数；

(3)利用CAD参数化建模功能依次改变电容芯子的结构参数，并将模型导入仿真软件COMSOL中，最终计算出各个参数下变压器油和电容芯子的最大场强值；

(4)利用步骤(3)得到的结果初步分析变压器油和电容芯子的最大场强值与电容芯子的间距和厚度之间的关系；

(5)构建Kriging模型对电容芯子的结构参数进行优化处理；

(6)得到最优化的电容芯子结构参数，并将优化参数导入COMSOL进行验证。

进一步地，所述步骤(1)中CAD参数化建模功能具体包括：将模型中各个部分设置为相互约束关系，包括相切、相等、垂直、同心约束关系，并选择电容芯子之间的距离和厚度为标注约束参数，通过改变标注约束参数值进而实现对整个模型的调整。

进一步地，所述步骤(2)中电容芯子的间距在1.0～2.35mm范围内等间隔选取10个数值进行研究，电容芯子厚度在0.2～0.35mm范围内等间隔选取10个数值进行研究。

进一步地，所述步骤(3)具体为：

(31)将改变标注约束参数值后得到的变压器套管模型导入COMSOL软件中；

(32)对模型进行条件加载，包括：各部分材料属性的添加、边界条件的设定及接地和电势的接入；

(33)运行软件计算出电容芯子内部的电场分布，最终得到电容芯子和油间隙中最大场强的数值及出现的位置。

进一步地，所述步骤(5)中构建Kriging模型的具体步骤为：

(51)设n×p试验样本点x＝{x₁，x₂…x_n},p为设计变量参数，有相应的输出函数为:

Y＝{y₁(x),y₂(x)…y_n(x)}；

(52)据输出函数，未知参数β，σ²可估计为：

β，＝(F^TR^-1F)^-1F^TR^-1Y

式中：F为每个试验点f(x)估值向量；R为试验点相关的函数矩阵；

(53)由于β，σ²均与相关参数θ相关，因此需要先求得θ值，用最大似然估计法对表达式求最小值：