[发明专利]采用逆向有限元技术的复合绝缘结构介电特性分析方法

说明书

本发明涉及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，属于电气工程技术领域。该方法针对频域介电响应(Frequency Domain Spectroscopy，FDS)在应用于含非单一介质的复合绝缘结构，例如复合油纸绝缘时，不能单独区分油隙中的绝缘油及油浸纸体各自单独的介电特性问题，提出了一种基于逆向有限元技术的多介质复合绝缘介电特性反演方法，达到根据端口介电响应推断出复合结构内部各部分介电变量的目的，为基于FDS频域介电响应的复合绝缘状态精细化诊断提供基础。

技术领域

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。

发明内容

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模型将电介质的复介电常数视为偶极子极化、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x₁^*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。

绝缘油的复介电常数采用下述方程(4)描述：