CN111859727A - 一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力设备测量技术领域，公开了一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，该方法包括步骤：选取多个不同型号的盆式绝缘子，并进行样本编号；对每个所述盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能；对每个所述盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度；根据每个所述盆式绝缘子的所述活化能和所述绝缘裕度，建立盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系。本发明基于盆式绝缘子活化能，建立盆式绝缘子绝缘裕度和活化能之间的数学模型，通过活化能推算出绝缘裕度，从而有效提升电力***的研究效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备测量技术领域，尤其涉及一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关(GIS)以SF6气体作为绝缘介质，具有故障率低、占地面积小等优点，在电力***中获得了广泛应用。而当GIS出现绝缘故障时，会引起绝缘老化甚至击穿，以至引发重大事故和经济损失。盆式绝缘子是组合电器中重要的绝缘部件，其性能优劣直接决定了组合电器的运行好坏，据不完全统计，国内外众多电力公司所采用的GIS设备，均不同程度地出现过因盆式绝缘子而造成的事故。因此，寻找GIS盆式绝缘子状态预测方法，提前发现并消除绝缘故障隐患，对GIS安全可靠运行具有非常重要的意义。
绝缘裕度是反映盆式绝缘子绝缘性能的重要指标，但是求解过程复杂，计算量大，目前需要进行大量的仿真计算，才能求取盆式绝缘子的绝缘裕度，使得电力***研究需要耗费大量人力和物力，效率较低。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，基于盆式绝缘子活化能，建立盆式绝缘子绝缘裕度和活化能之间的数学模型，通过活化能推算出绝缘裕度，从而有效提升电力***的研究效率。
为实现上述目的，本发明一实施例提供了一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，包括以下步骤：
选取多个不同型号的盆式绝缘子，并进行样本编号；
对每个所述盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能；
对每个所述盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度；
根据每个所述盆式绝缘子的所述活化能和所述绝缘裕度，建立盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系。
优选地，所述对每个所述盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能，具体包括：
对每个所述盆式绝缘子进行取样，并进行热重分析测试，以得到热重分析测试结果；
根据所述热重分析测试结果，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到对应的活化能。
优选地，所述对每个所述盆式绝缘子进行取样，并进行热重分析测试，以得到热重分析测试结果，具体包括：
将每个所述盆式绝缘子放入充有六氟化硫气体的气体绝缘全封闭组合电器的母线腔体内后，加入预设的额定运行电压，然后对每个所述盆式绝缘子进行取样，以得到多个盆式绝缘子样本；
利用同步热分析仪对所述盆式绝缘子样本进行热重分析测试，以得到所述盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线。
优选地，所述根据所述热重分析测试结果，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到对应的活化能，具体包括：
根据所述盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线，获得不同升温速率下的热失重曲线峰值温度；
根据所述热失重曲线峰值温度，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到所述盆式绝缘子对应的活化能。
优选地，所述对每个所述盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度，具体包括：
按照每个所述盆式绝缘子的实际结构，利用ANSYS有限元分析软件对所述盆式绝缘子进行建模，得到对应的三维计算模型；
对所述三维计算模型的金属端施加高电位和对外壳施加零电位，以进行电场仿真；
获取每个所述盆式绝缘子的控制场强和场强计算值；
根据对应的所述控制场强与所述场强计算值的比值，得到每个所述盆式绝缘子的绝缘裕度。
优选地，所述盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系为R＝e-2Ea-0.97E；其中，R为所述绝缘裕度，e为自然对数的底数，Ea为所述活化能，E为所述控制场强。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，基于盆式绝缘子活化能，建立盆式绝缘子绝缘裕度和活化能之间的数学模型，通过活化能推算出绝缘裕度，从而有效提升电力***的研究效率。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种建立盆式绝缘子的TG曲线示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种建立盆式绝缘子的DTG曲线示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种根据图2和图3基于Flynn-Wall-Ozwa法求取活化能的lgβ-1/T的拟合曲线示意图；
图5是本发明一实施例提供的一种盆式绝缘子的电场仿真的示意图；
图6是本发明一实施例提供的一种盆式绝缘子的电场分布规律的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明一实施例提供的一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1至步骤S4：
S1、选取多个不同型号的盆式绝缘子，并进行样本编号；
S2、对每个所述盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能；
S3、对每个所述盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度；
S4、根据每个所述盆式绝缘子的所述活化能和所述绝缘裕度，建立盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系。
具体地，选取多个不同型号的盆式绝缘子，并进行样本编号。优选地，盆式绝缘子为252kV盆式绝缘子。选取多个不同型号的盆式绝缘子的目的是为了得到多组试验数据，从而根据试验数据得出规律。
对每个盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能。一般地，量取质量为10mg的盆式绝缘子的样品置于70ul氧化铝坩埚，轻敲坩埚使样品充分接触，然后进行热分析测试，以根据热分析测试得到活化能计算结果。
对每个盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度。根据对应的电场计算得到每个盆式绝缘子的绝缘裕度。
根据每个盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度，建立盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系。由上面的步骤可以得到一组活化能数据和对应的绝缘裕度数据，通过两组数据的拟合，可以得到盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系。
本发明实施例1提供的一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，基于盆式绝缘子活化能，建立盆式绝缘子绝缘裕度和活化能之间的数学模型，通过活化能推算出绝缘裕度，从而有效提升电力***的研究效率。
作为上述方案的改进，所述对每个所述盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能，具体包括：
对每个所述盆式绝缘子进行取样，并进行热重分析测试，以得到热重分析测试结果；
根据所述热重分析测试结果，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到对应的活化能。
具体地，对每个盆式绝缘子进行取样，并进行热重分析测试，以得到热重分析测试结果；根据热重分析测试结果，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到对应的活化能。热重分析测试可以采用瑞士梅特勒-托利多公司生产的TGA-DSC3+同步热分析联用仪进行测试。Flynn-Wall-Ozwa法简称F-W-O法，是通用的求取活化能的计算方法，简单快捷。
作为上述方案的改进，所述对每个所述盆式绝缘子进行取样，并进行热重分析测试，以得到热重分析测试结果，具体包括：
将每个所述盆式绝缘子放入充有六氟化硫气体的气体绝缘全封闭组合电器的母线腔体内后，加入预设的额定运行电压，然后对每个所述盆式绝缘子进行取样，以得到多个盆式绝缘子样本；
利用同步热分析仪对所述盆式绝缘子样本进行热重分析测试，以得到所述盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线。
具体地，将每个盆式绝缘子放入充有六氟化硫气体(又称SF6)的气体绝缘全封闭组合电器的母线腔体内后，加入预设的额定运行电压，然后对每个盆式绝缘子进行取样，以得到多个盆式绝缘子样本。一般地，气体绝缘全封闭组合电器(GAS insulatedSWITCHGEAR，GIS)内充入的SF6是对应最低功能气压的。
利用同步热分析仪对盆式绝缘子样本进行热重分析测试，以得到盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线。在进行热重分析测试的过程中，升温速率可以设置为5K/min、10K/min、15K/min、20K/min、25K/min，目标温度为升高至炉中温度800℃，同时用计算机记录样品质量随温度的变化数据。参见图2和图3，分别是本发明该实施例提供的一种盆式绝缘子的TG曲线示意图和DTG曲线示意图。其中，TG曲线为热失重曲线，DTG曲线为TG曲线的一阶微分曲线。
由图2和图3可知，升温速率对盆式绝缘子的TG曲线影响较大。随着升温速率提高，TG曲线向高温方向推移，其原因在于：试样温度升高主要依靠介质、坩埚与试样之间的热传递，加热的坩埚和试样间形成的温差致使试样内部出现了温度梯度，而试样的温差效应随着升温速率的提高而增强。随着升温速率的提高，试样的起始分解温度、终止分解温度和峰值温度相应增加，但试样的5条热失重曲线大致相似。再者，典型的热失重曲线具有两个明显的台阶，台阶I的质量损失约占总质量损失的5％，其反应速率最大值对应的温度在210℃-250℃之间；台阶II的质量损失约占总质量损失的65％，其反应速率最大值对应的温度在360℃-400℃之间。这些热失重曲线为计算材料活化能提供了基本依据。
作为上述方案的改进，所述根据所述热重分析测试结果，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到对应的活化能，具体包括：
根据所述盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线，获得不同升温速率下的热失重曲线峰值温度；
根据所述热失重曲线峰值温度，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到所述盆式绝缘子对应的活化能。
具体地，根据盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线，获得不同升温速率下的热失重曲线峰值温度。根据热失重曲线峰值温度，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到盆式绝缘子对应的活化能。
下面对活化能求解过程进行推导，假设物质反应过程仅取决于转化率α和温度T，这两个参数是相互独立的，在不定温、非均相反应的动力学方程可以表示为
其中，t为时间，k(T)为速率常数的温度关系式，f(α)为反应机理函数。
在线性升温时，通过温度与时间的转化上式可以转化为
其中，β＝dT/dt为升温速率，在大多数试验中，升温速率β是个定值。方程
是反应动力学在等温和非等温过程中最基本的方程，其他所有的方程都是在这个方程的基础上推导出来的。
在本发明中，将Arrhenius方程代入式
可得非均相体系在非定温条件下常用动力学方程式为
采用Flynn-Wall-Ozwa法，得到
一方面，在不同升温速率下的βi和各峰顶温度Tpi处对应的各α值近似相等，因此在0～αp范围内值lg(AEa/RG(α))都是相等的，因此可用lgβ-1/T成线性关系来确Ea的值。另一方面由不同的升温速率下的βi选择相同的转化率α，则G(α)是一个恒定值，这样lgβ-1/T就成线性关系，从斜率可求得Ea。
通过图2的TG曲线和图3的DTG曲线，可以获得不同升温速率下的热失重曲线峰值温度如表1所示，参见图4，是本发明该实施例提供的一种根据图2和图3基于Flynn-Wall-Ozwa法求取活化能的lgβ-1/T的拟合曲线示意图。最后求得的活化能数值为177.25kJ/mol。
表1不同升温速率下热失重曲线峰值温度
| 升温速率 | 5℃/min | 10℃/min | 15℃/min | 20℃/min | 25℃/min |
| β | 368.00℃ | 381.14℃ | 389.48℃ | 395.55℃ | 397.95℃ |
作为上述方案的改进，所述对每个所述盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度，具体包括：
按照每个所述盆式绝缘子的实际结构，利用ANSYS有限元分析软件对所述盆式绝缘子进行建模，得到对应的三维计算模型；
对所述三维计算模型的金属端施加高电位和对外壳施加零电位，以进行电场仿真；
获取每个所述盆式绝缘子的控制场强和场强计算值；
根据对应的所述控制场强与所述场强计算值的比值，得到每个所述盆式绝缘子的绝缘裕度。
参见图5，是本发明该实施例提供的一种盆式绝缘子的电场仿真的示意图。具体地，按照每个盆式绝缘子的实际结构，利用ANSYS有限元分析软件对盆式绝缘子进行建模，得到对应的三维计算模型。
对三维计算模型的金属端施加高电位和对外壳施加零电位，以进行电场仿真。也就是说，将盆式绝缘子安装在高电位母线与接地外壳之间，以起着支撑固定和对地绝缘的作用。
获取每个盆式绝缘子的控制场强和场强计算值。因为盆式绝缘子表面场强过高可能会引起沿面放电，导致绝缘故障，因此需要对盆式绝缘子的嵌件表面场强进行控制，所以可以得到控制场强。为了清晰直观的反映盆式绝缘子表面电位、电场的分布规律，本发明沿盆式绝缘子表面从高压导体到接地外壳的路径截取了其电位、电场分布曲线，最终得到如图6所示的盆式绝缘子的电场分布规律。
根据对应的控制场强与场强计算值的比值，得到每个盆式绝缘子的绝缘裕度。参见表2，是本发明该实施例提供的几个盆式绝缘子的样本的本体电场分布计算结果。
表2盆式绝缘子本体电场分布计算结果
作为上述方案的改进，所述盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系为R＝e- 2Ea-0.97E；其中，R为所述绝缘裕度，e为自然对数的底数，Ea为所述活化能，E为所述控制场强。
具体地，盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系为R＝e-2Ea-0.97E；其中，R为绝缘裕度，e为自然对数的底数，Ea为活化能，E为控制场强。
上面求得的盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系是基于大量的模型、数据运算拟合，以及结合人工经验判断得出的。通过盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系，在后续可以直接通过活化能推算出绝缘裕度，而不需要单独进行大量的仿真计算，极大地方便了盆式绝缘子绝缘性能的研究。
综上，本发明实施例所提供的一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，基于盆式绝缘子活化能，建立盆式绝缘子绝缘裕度和活化能之间的数学模型，通过活化能推算出绝缘裕度，而不需要单独进行大量的仿真计算，可以让电力运维人员提前掌握运行盆式绝缘子的状况，及时采取相应措施，不仅为电力***节约大量的人力和物力，同时极大的提高了电力***的安全稳定性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取多个不同型号的盆式绝缘子，并进行样本编号；
对每个所述盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能；
对每个所述盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度；
根据每个所述盆式绝缘子的所述活化能和所述绝缘裕度，建立盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系。
2.如权利要求1所述的建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，其特征在于，所述对每个所述盆式绝缘子进行取样和测试，以得到对应的活化能，具体包括：
对每个所述盆式绝缘子进行取样，并进行热重分析测试，以得到热重分析测试结果；
根据所述热重分析测试结果，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到对应的活化能。
3.如权利要求2所述的建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，其特征在于，所述对每个所述盆式绝缘子进行取样，并进行热重分析测试，以得到热重分析测试结果，具体包括：
将每个所述盆式绝缘子放入充有六氟化硫气体的气体绝缘全封闭组合电器的母线腔体内后，加入预设的额定运行电压，然后对每个所述盆式绝缘子进行取样，以得到多个盆式绝缘子样本；
利用同步热分析仪对所述盆式绝缘子样本进行热重分析测试，以得到所述盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线。
4.如权利要求3所述的建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，其特征在于，所述根据所述热重分析测试结果，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到对应的活化能，具体包括：
根据所述盆式绝缘子样本的TG曲线和DTG曲线，获得不同升温速率下的热失重曲线峰值温度；
根据所述热失重曲线峰值温度，基于Flynn-Wall-Ozwa法计算得到所述盆式绝缘子对应的活化能。
5.如权利要求1所述的建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，其特征在于，所述对每个所述盆式绝缘子进行电场仿真，以得到对应的绝缘裕度，具体包括：
按照每个所述盆式绝缘子的实际结构，利用ANSYS有限元分析软件对所述盆式绝缘子进行建模，得到对应的三维计算模型；
对所述三维计算模型的金属端施加高电位和对外壳施加零电位，以进行电场仿真；
获取每个所述盆式绝缘子的控制场强和场强计算值；
根据对应的所述控制场强与所述场强计算值的比值，得到每个所述盆式绝缘子的绝缘裕度。
6.如权利要求5所述的建立盆式绝缘子活化能和绝缘裕度关系的方法，其特征在于，所述盆式绝缘子的活化能和绝缘裕度之间的关系为R＝e-2Ea-0.97E；其中，R为所述绝缘裕度，e为自然对数的底数，Ea为所述活化能，E为所述控制场强。
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