套管模型製造方法及系統與流程
2023-12-10 12:30:57
本發明涉及變壓器領域，特別是涉及一種套管模型製造方法及系統。
背景技術：
近年來，由於套管主絕緣內部放電，絕緣性能劣化導致的500kV變壓器油紙絕緣套管爆炸事故頻發，事故現場燃燒猛烈、變壓器損毀嚴重，事故造成重大經濟損失，且存在人員安全隱患。
一般的，110kV及以上電壓等級的超特高壓套管(330kV～1100kV超特高壓套管)均採用電容式套管，其主絕緣為內置一系列的鋁箔電極構成的同軸串聯電容器，電容式套管主絕緣性能的優劣是其絕緣可靠性的關鍵，因此，可通過對套管進行主絕緣性能測試以避免超特高壓套管爆炸事故發生。然而，在實驗室及工程實際中，對於330kV～1100kV超特高壓套管試驗，尤其對於500kV、750kV及1100kV等體積龐大的套管試驗有很多不便，一方面高電壓等級套管尺寸過大，試驗電壓過高、電流過大，使得試驗成本過高，試驗周期過長，測試操作困難，不利於絕緣結構的優化設計及性能考核的高效進行；另一方面，內部放電、產氣情況看不見、摸不著，對實際高電壓等級套管內部絕緣狀況的監測較為困難，難以在試驗中獲得套管內部電場分布及放電規律。
技術實現要素：
基於此，有必要針對傳統超特高壓套管測試成本高、測試周期長且測試結果監測困難的問題，提供一種套管模型製造方法及系統。
一種套管模型製造方法，包括以下步驟：
根據原型超特高壓套管的電容屏數和最高工作相電壓計算超特高壓套管模型的電容極板層數，並根據預設縮比係數、原型超特高壓套管的第零層電容極板長度和層間厚度計算超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，根據電容極板層數、極板長度和層間厚度建立仿真超特高壓套管模型；
對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，並確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度；
根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據製作超特高壓套管模型。
在其中一個實施例中，對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，並確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度的步驟包括：
對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，分析仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差是否小於預設偏差閾值，當仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差大於或等於預設偏差閾值時，依據場強等效原則進行迭代計算，調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，直至仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度。
在其中一個實施例中，電場分布數據包括徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值，對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，並確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度的步驟包括：
對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，獲得仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值；將超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值與原型超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值進行比較，分別計算徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值和下臺階軸向場強最大值偏差值，當徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值或下臺階軸向場強最大值偏差值大於或等於預設偏差閾值時，依據場強等效原則進行迭代計算調整每層電容極板的極板長度和層間厚度，直至徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值和下臺階軸向場強最大值偏差值都小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度。
在其中一個實施例中，預設偏差閾值為0～±5％。
在其中一個實施例中，依據場強等效原則進行迭代計算調整每層電容極板的極板長度和層間厚度的步驟通過以下電容分壓原理及電場計算公式進行迭代計算：
首先，計算第i層極板的電容值Ci，公式如下：
其中，li為第i層電容極板的極板長度，ri為第i層電容極板的極板半徑；ri-1為第i-1層電容極板的極板半徑；ε0為真空介電常數；εr為變壓器油的相對介電常數。
之後，計算各層間電壓分壓，公式如下：
其中，C總為電容芯子總電容量，U為導杆與末屏之間的電壓；
然後，計算徑向電場強度最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值，其中，
徑向電場強度Eri的計算公式如下：
上軸向電場強度及下軸向電場強度的計算公式如下：
λi上為第i層極板的上極差；λi下為第i層極板的下極差；根據上述公式計算仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值；之後，將得到的仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值與原型超特高壓套管的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值進行比較，判斷各場強最大值的差值是否小於預設偏差閾值，當徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值或下臺階軸向場強最大值偏差值大於或等於預設偏差閾值時，繼續通過以上公式進行迭代計算，直至徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值和下臺階軸向場強最大值偏差值都小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度。
在其中一個實施例中，根據預設縮比係數、原型超特高壓套管的第零層電容極板長度和層間厚度計算超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，根據電容極板層數、極板長度和層間厚度建立仿真超特高壓套管模型的步驟中，計算各層電容極板的極板長度包括以下步驟：
首先，根據縮比係數和原型超特高壓套管第零層電容極板長度計算仿真超特高壓套管模型的第零層電容極板長度L0：
L0＝L0′×s；
其中，L0′為原型超特高壓套管第零層電容極板長度，s為縮比係數；
其次，根據所述仿真超特高壓套管模型的第零層電容極板長度、依據電容極板的臺階長度遞推公式計算其它各層電容極板的極板長度Li：
Li＝Li-1+λi上+λi下，(i＝1～n)；
其中λi上為第i層極板的上極差，λi下為第i層極板的下極差。
在其中一個實施例中，根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據製作超特高壓套管模型的步驟包括：
根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據對符合仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度的各層電容極板進行電纜紙的卷制，形成超特高壓套管模型電容芯子；
對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥處理；
對乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子進行變壓器油浸漬處理；
將浸漬變壓器油後的超特高壓套管模型電容芯子與外殼進行組裝，形成超特高壓套管模型。
在其中一個實施例中，對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥處理的步驟包括：依次對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱乾燥、低真空乾燥和高真空乾燥處理。
在其中一個實施例中，對乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子進行變壓器油浸漬處理的步驟包括：依次對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱抽真空處理、檢漏處理和浸油處理。
一種套管模型製造系統，包括：
上位機，用於根據原型超特高壓套管的電容屏數和最高工作相電壓計算超特高壓套管模型的電容極板層數，並根據預設縮比係數、原型超特高壓套管的第零層電容極板長度和層間厚度計算超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，根據電容極板層數、極板長度和層間厚度建立仿真超特高壓套管模型；以及，對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度；
卷制機，與上位機連接，用於根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據對符合仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度的各層電容極板進行電纜紙的卷制，形成超特高壓套管模型電容芯子；
烘乾機，與卷制機連接，用於對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥處理；
浸油裝置，與烘乾機連接，用於對乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子進行變壓器油浸漬處理；
裝配裝置，與浸油裝置連接，用於將浸漬變壓器油後的超特高壓套管模型電容芯子與外殼進行組裝，形成超特高壓套管模型。
上述套管模型製造方法及系統根據原型超特高壓套管的結構特點和縮比係數建立仿真超特高壓套管模型，並對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度，捲紙機再根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據對符合仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度各層電容極板卷制電纜紙，形成超特高壓套管模型電容芯子，再對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥、浸油及裝配工藝，完成超特高壓套管模型生產。
上述套管模型製造方法及系統能夠實現330kV～1100kV超特高壓套管的超特高壓套管模型的生產，超特高壓套管模型體積小，測試方便，且上述套管模型製造方法及系統生產的超特高壓套管模型與原型超特高壓套管的電場分布相同，保證了超特高壓套管模型與原型超特高壓套管的電氣特性一致，通過對超特高壓套管模型與原型進行試驗測量即可預測大型原型超特高壓套管的電氣特性及放電規律，能夠大大降低超特高壓套管主絕緣性能測試的試驗成本、縮短試驗周期、測試操作方便、測試結果監測方便，為大型超特高壓套管的絕緣性能預測及優化提供理論及試驗支撐，以有效避免超特高壓套管爆炸事故發生。
附圖說明
圖1為一個實施例中套管模型製造系統的結構示意圖；
圖2為個實施例中套管模型製造方法的流程原理圖；
圖3為一個實施例中乾燥機對超特高壓套管模型進行乾燥處理的工藝流程圖；
圖4為一個實施例中浸油機對超特高壓套管模型進行浸油處理的工藝流程圖；
圖5為一個實施例中超特高壓套管模型的生產流程圖；
圖6為一個實施例中仿真超特高壓套管模型的結構示意圖；
圖7為圖6所示的超特高壓套管模型的徑向場強分布示意圖；
圖8為圖6所示的超特高壓套管模型的上臺階軸向場強分布示意圖；
圖9為圖6所示的超特高壓套管模型的下臺階軸向場強分布示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
請參閱圖1，一種套管模型製造系統，包括：
上位機110，用於根據原型超特高壓套管的電容屏數和最高工作相電壓計算超特高壓套管模型的電容極板層數，並根據預設縮比係數、原型超特高壓套管的第零層電容極板長度和層間厚度計算超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，根據電容極板層數、極板長度和層間厚度建立仿真超特高壓套管模型；以及，對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度。
卷制機120，與上位機110連接，用於根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據對符合仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度的各層電容極板進行電纜紙的卷制，形成超特高壓套管模型電容芯子。
烘乾機130，與卷制機120連接，用於對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥處理。
浸油裝置140，與烘乾機130連接，用於對乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子進行變壓器油浸漬處理。
裝配裝置150，與浸油裝置140連接，用於將浸漬變壓器油後的超特高壓套管模型電容芯子與外殼進行組裝，形成超特高壓套管模型。
上述套管模型製造系統根據原型超特高壓套管的結構特點和縮比係數建立仿真超特高壓套管模型，並對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度，捲紙機再根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據對符合仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度各層電容極板卷制電纜紙，形成超特高壓套管模型電容芯子，再對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥、浸油及裝配工藝，完成超特高壓套管模型生產。
在一個實施例中，上位機包括輸入模塊、微處理器和輸出模塊，微處理器分別與輸入模塊和輸出模塊連接。輸入模塊用於獲取預設縮比係數和原型超特高壓套管的電容屏數、最高工作相電壓、第零層電容極板長度和層間厚度數據，並將接收到的數據發送至微處理器。具體的，輸入模塊包括鍵盤、滑鼠或觸控螢幕中的一種或多種。微處理器用於根據接收到的預設縮比係數和原型超特高壓套管的電容屏數、最高工作相電壓、第零層電容極板長度和層間厚度數據及選定的導電桿的相關參數建立仿真超特高壓套管模型，並對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則進行迭代計算調整並確定仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度發送至輸出模塊，輸出模塊用於輸出電容極板層數、電容極板長度和層間厚度數據。具體的，輸出模塊包括顯示屏或無線通信模塊。
具體的，微處理器根據原型超特高壓套管的電容屏數和最高工作相電壓計算超特高壓套管模型的電容極板層數；並根據預設縮比係數、原型超特高壓套管的第零層電容極板長度和層間厚度計算超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，根據電容極板層數、極板長度和層間厚度建立仿真超特高壓套管模型；以及，對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，分析仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差是否小於預設偏差閾值，當仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差大於或等於預設偏差閾值時，依據場強等效原則進行迭代計算，調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，直至仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度。
在一個實施例中，乾燥機130包括乾燥箱、第一加熱裝置和第一真空泵，第一加熱裝置和第一真空泵均與乾燥箱連接。具體的，烘乾機30對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱乾燥、低真空乾燥及高真空乾燥處理，以除去超特高壓套管模型電容芯子的含水量，乾燥後超特高壓套管模型電容芯子的含水量為5％以下。
在一個實施例中，卷制機120根據所述仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據對切割機160切割好的各層電容極板卷制電纜紙，形成超特高壓套管模型電容芯子。具體的，超特高壓套管模型電容芯子的卷制方式與原型超特高壓套管的電容芯子的卷制方式相同，包括條卷、整卷、熱棍溫度等均保持一致，以保證超特高壓套管模型和原型超特高壓套管在工藝上的一致性。
在一個實施例中，浸油裝置140包括浸油罐、第二加熱裝置和第二真空泵，浸油罐內裝有變壓器油，第二加熱裝置和第二真空泵均與浸油罐連接。具體的，浸油裝置在真空加熱條件下對乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子進行變壓器油浸漬處理，使電容芯子充分浸漬變壓汽油。
進一步的，在一個實施例中，浸油裝置140還包括檢漏裝置，檢漏裝置設置在浸油罐內，用於檢測超特高壓套管模型電容芯子是否漏油。
進一步的，裝配裝置150將浸油後的超特高壓套管模型電容芯子與外殼組裝，形成超特高壓套管模型，在一個實施例中，外殼為絕緣玻璃外殼。
如圖1所示，在一個實施例中，上述套管模型製造系統還包括切割機160，切割機160與上位機110連接，用於根據電容極板長度切割電容極板，使電容極板長度達到加工要求。進一步的，切割機160還與卷制機120連接，將切割後的電容極板傳送至卷制機。
基於上述套管模型製造系統，提供一種套管模型製造方法，包括以下步驟：
步驟202：根據原型超特高壓套管的電容屏數和最高工作相電壓計算超特高壓套管模型的電容極板層數，並根據預設縮比係數、原型超特高壓套管的第零層電容極板長度和層間厚度計算超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，根據電容極板層數、極板長度和層間厚度建立仿真超特高壓套管模型。
步驟204：對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據的偏差小於預設偏差閾值，並確定仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度和層間厚度。
步驟206：根據所述仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據製作超特高壓套管模型。
在一個實施例中，步驟204包括：對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，分析仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差是否小於預設偏差閾值，當仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差大於或等於預設偏差閾值時，依據場強等效原則進行迭代計算，調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，直至仿真超特高壓套管模型的電場分布數據與原型超特高壓套管的電場分布數據偏差小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度。
具體的，在一個實施例中，電場分布數據包括徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值，步驟204包括：對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，獲得仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值；將超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值與原型超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值進行比較，分別計算徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值和下臺階軸向場強最大值偏差值，當徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值或下臺階軸向場強最大值偏差值大於或等於預設偏差閾值時，依據場強等效原則進行迭代計算調整每層電容極板的極板長度和層間厚度，直至徑向場強最大值偏差值、上臺階軸向場強最大值偏差值和下臺階軸向場強最大值偏差值都小於預設偏差閾值，確定仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度。
在一個實施例中，預設偏差閾值為0～±5％。即電容芯子徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值及下臺階軸向場強最大值與原型超特高壓套管的電容芯子徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值及下臺階軸向場強最大值偏差在±5％以內，以保證仿真超特高壓套管模型和原模型即原型超特高壓套管在場強分布上的一致性。
具體的，在一個實施例中，步驟202中，根據試驗需求及國標GB/T156-2007《標準電壓》規定，選擇滿足試驗條件並符合芯子場強控制要求的電壓等級(U0)；根據製作的可行性，選擇與縮比模型縮比係數適合的較小規格的導電桿作為第零層電容極板，選定導電桿半徑，即第零層電容極板的半徑。同時，根據原型超特高壓套管的場強分布特點，依據預設偏差閾值不大於±5％的原則，計算超特高壓套管模型的電容芯子徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值及下臺階軸向場強最大值的取值範圍，選取預估電容芯子徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值及下臺階軸向場強最大值建立仿真超特高壓套管模型。
微處理器根據原型超特高壓套管的電容屏數和最高工作相電壓計算超特高壓套管模型的電容極板層數，具體電容極板層數的選擇如下：根據高電壓等級套管電容屏數(Nt)及最高工作相電壓(Ut)，利用相似性，超特高壓套管模型模型電容極板層數為N＝Nt/Ut×U0。
進一步的，微處理器根據預設縮比係數、原型超特高壓套管的第零層電容極板長度和層間厚度計算超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，根據電容極板層數、極板長度和層間厚度建立仿真超特高壓套管模型。具體的，層間厚度選擇原型超特高壓套管的平均層間厚度。
電容極板長度方面，在一個實施例中，根據縮比係數和原型超特高壓套管第零層電容極板長度結合電容極板的臺階長度遞推計算公式計算各層電容極板的極板長度，具體包括以下步驟：
首先，根據縮比係數和原型超特高壓套管第零層電容極板長度計算仿真超特高壓套管模型的第零層電容極板長度L0：
L0＝L0′×s； (1)
其中，L0′為原型超特高壓套管第零層電容極板長度，s為縮比係數；
其次，根據所述仿真超特高壓套管模型的第零層電容極板長度、依據電容極板的臺階長度遞推公式計算其它各層電容極板的極板長度Li：
Li＝Li-1+λi上+λi下，(i＝1～n)； (2)
其中λi上為第i層極板的上極差，λi下為第i層極板的下極差。
具體的，上極差λi上、下極差λi上可通過以下公式計算得到：
首先，根據層間厚度遞推公式計算各層電容極板的極板半徑，層間厚度遞推公式如下：
di＝(ri-ri-1)*2，(i＝1～n)； (3)
其中，di為第i層電容極板與第i-1層電容極板之間的層間厚度，ri為第i層電容極板的極板半徑。
本實施中，層間厚度di為原型超特高壓套管的平均層間厚度，初始建模階段各層電容極板之間層間厚度相同，第零層電容極板的半徑即為導電桿半徑，由以上公式(3)遞推計算各層電容極板的極板半徑。
之後，根據預估電容芯子徑向場強最大值和各層電容極板的極板半徑通過徑向場強計算公式計算各層電容極板之間的分壓電壓ΔUi，徑向電場強度Eri的計算公式如下：
最後，根據軸向場強計算公式分別計算上極差λi上和下極差λi下，上軸向電場強度及下軸向電場強度的計算公式如下：
其中，λi上為第i層極板的上極差。
其中，λi下為第i層極板的下極差。
依據公式(5)根據預估上臺階軸向場強最大值計算上極差λi上，依據公式(6)根據預估下臺階軸向場強最大值計算下極差λi下。
進一步的，微處理器通過上述公式計算各層電容極板長度後建立仿真超特高壓套管模型後，對仿真超特高壓套管模型進行仿真電場分布測試，依據場強等效原則調整超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使得仿真超特高壓套管模型的電場分布的最大值與原型超特高壓套管相近。
依據場強等效原則，超特高壓套管模型的徑向場強、上、下臺階軸向場強最大值均勻部位的最大值與實際高壓套管相似，根據真型套管各絕緣層電場分布曲線修改模型，使得仿真超特高壓套管模型的電場分布的最大值與原型超特高壓套管相近，且偏差不超過±5％。各層電容極板的極板長度分別對應高電壓等級套管上、下臺階場強最大值偏差小於±5％的原則調整；層間絕緣厚度方面，根據電容分壓原理，調節極板間的厚度使得芯子場強分布達到與真型套管場強分布相近的原則。
在一個實施例中，根據場強分布要求，步驟204中，通過電容分壓公式及電場計算公式進行迭代計算，調整極板長度及厚度，最終使仿真超特高壓套管模型的電場分布與原型超特高壓套管的電場分布相似，滿足預設偏差閾值要求。
具體的，本實施例中，依據場強等效原則進行迭代計算調整所述每層電容極板的極板長度和層間厚度的步驟通過以下電容分壓原理及電場計算公式進行迭代計算：
首先，計算i層極板的電容值Ci，公式如下：
其中，li為第i層電容極板的極板長度，ri為第i層電容極板的極板半徑；ri-1為第i-1層電容極板的極板半徑；ε0為真空介電常數；εr為變壓器油的相對介電常數。
具體的，本實施例中，真空介電常數ε0為8.85×10-12F/m；變壓器油的相對介電常數εr取3.8。
之後，計算各層間電壓分壓，公式如下：
其中，C總為電容芯子總電容量，U為導杆與末屏之間的電壓；
然後，利用公式(4)和公式(5)及公式(6)計算所述徑向電場強度最大值、所述上臺階軸向場強最大值和所述下臺階軸向場強最大值。
微處理器根據上述公式計算仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值，之後，將得到的仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值與原型超特高壓套管的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值進行比較，判斷各場強最大值的差值是否小於所述預設偏差閾值，當所述徑向場強最大值偏差值、所述上臺階軸向場強最大值偏差值或所述下臺階軸向場強最大值偏差值大於或等於所述預設偏差閾值時，繼續通過以上公式進行迭代計算，直至所述徑向場強最大值偏差值、所述上臺階軸向場強最大值偏差值和所述下臺階軸向場強最大值偏差值都小於所述預設偏差閾值，確定所述仿真超特高壓套管模型的層間厚度和各層電容極板的極板長度。
具體的，微處理器通過以上公式(4)、公式(5)、公式(6)以及公式(7)及公式(8)進行迭代計算，調整仿真超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度，使得仿真超特高壓套管模型的電場分布的最大值與原型超特高壓套管的電場分布最大值滿足偏差小於±5％的偏差要求，確定超特高壓套管模型各層電容極板的極板長度和層間厚度。
根據上述公式(7)至公式(8)計算出仿真超特高壓套管模型的各層間電壓分壓後再根據上述公式(4)、公式(5)和公式(6)計算仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值。之後，微處理器將得到的仿真超特高壓套管模型的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值與原型超特高壓套管的徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值進行比較，判斷各場強最大值的差值是否滿足±5％的偏差要求，只要其中有一項不滿足偏差要求，即調整仿真超特高壓套管模型的電容極板長度和層間厚度，通過以上公式(7)、公式(8)及公式(4)、公式(5)和公式(6)進行迭代計算，直至各場強最大值的差值均滿足偏差要求，確定仿真超特高壓套管模型的電容極板的極板長度和層間厚度，並根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數、電容極板的極板長度和層間厚度生產超特高壓套管模型。
在一個實施例中，步驟206包括以下步驟：
首選，根據仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和層間厚度數據對符合仿真超特高壓套管模型的各層電容極板的極板長度的各層電容極板進行電纜紙的，形成超特高壓套管模型電容芯子。
具體的，超特高壓套管模型電容芯子的卷制方式與原型超特高壓套管的電容芯子的卷制均相同，包括條卷、整卷、熱棍溫度等方式保持一致，以保證超特高壓套管模型和原型超特高壓套管在工藝上的一致性。
其次，對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥處理。
在一個實施例中，對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥處理包括：依次對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱乾燥、低真空乾燥和高真空乾燥處理。
具體的，如圖3所示，對超特高壓套管模型電容芯子進行乾燥處理，首先將超特高壓套管模型電容芯子放置在乾燥箱內，之後調節第一加熱裝置和第一真空裝置，分別對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱乾燥、低真空乾燥和高真空乾燥處理。具體的，加熱乾燥的壓力為大氣壓，溫度為110±10℃；低真空乾燥的壓力小於14Pa，溫度為110±10℃；高真空乾燥的壓力大於或等於14Pa，溫度為110±10℃。完成高真空乾燥處理後，乾燥箱內壓力恢復大氣壓，溫度降到50℃～60℃，電容芯子乾燥處理結束，將超特高壓套管模型電容芯子移出乾燥箱，進入下一道工序。
之後，對乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子進行變壓器油浸漬處理。
在一個實施例中，對乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子進行變壓器油浸漬處理包括：依次對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱抽真空處理、檢漏處理和浸油處理。
具體的，如圖4所示，首先將乾燥後的超特高壓套管模型電容芯子置於浸油罐內，之後通過第二加熱裝置和第二真空裝置調節浸油罐內的溫度及壓力，對超特高壓套管模型電容芯子進行檢漏和浸油處理。浸油裝置首先對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱抽真空處理，除去超特高壓套管模型電容芯子電纜紙內部的氣泡，保證超特高壓套管模型電容芯子能夠充分浸油，加熱抽真空處理的管內壓力小於等於14Pa，溫度為75±5℃。之後，分別對超特高壓套管模型電容芯子進行負壓檢漏和保壓檢漏處理，以避免模型產品漏油，具體負壓檢漏的管理壓力小於或等於40Pa，保壓檢漏的管內壓力不大於14Pa，保壓檢漏時長為5min～15min。檢漏處理後再對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱抽真空處理，使浸油罐內的壓力小於或等於14Pa，溫度達到75±5℃，去除電纜紙內部的氣泡，之後將超特高壓套管模型電容芯子放入變壓器油中浸油，浸油溫度為75±5℃，浸油完成後，再次對超特高壓套管模型電容芯子進行加熱抽真空處理，確保電纜紙內部無氣泡，最後，進行降溫處理，將管內壓力恢復至大氣壓，溫度調節至室溫，超特高壓套管模型電容芯子浸油結束。
最後，將浸漬變壓器油後的超特高壓套管模型電容芯子與外殼進行組裝，形成超特高壓套管模型。
具體的，為保證超特高壓套管模型除要與原型超特高壓套管的電場分布相似，需要保持電氣特性一致和結構相似。為保證超特高壓套管模型和原型超特高壓套管在電氣特性上的一致性，超特高壓套管模型選材需與原型超特高壓套管相同，包括選用的絕緣材料類型、介電常數、電阻率等均相同。在一個實施例中，超特高壓套管模型的第零層電容極板為導電桿，其它層電容極板為鋁箔極板。
進一步的，結構相似包括超特高壓套管模型的主絕緣結構與實際超特高壓高壓套管相似，均為同軸圓柱型絕緣結構，內置具有一定長度、一定數量的鋁箔極板，極板層間厚度極板的數量及長度由上位機依據實際套管層間厚度，場強分布目標計算獲得，以保證超特高壓套管模型和實際超特高壓高壓套管在結構上的相似性。
為便於理解，以下結合圖5、圖6列舉具體實施例對應用上套管模型製造系統生產超特高壓套管模型的過程進行詳細說明。本實施例中，以500kV油紙絕緣套管的縮比模型設計為例進行說明。
本實施例中，通過上位機仿真建模並預測得到圖6所示的仿真超特高壓套管模型500，再根據仿真超特高壓套管模型500加工生產目標超特高壓套管模型，具體超特高壓套管模型生產過程如下。
如圖5所示，首先，分析原500kV油紙絕緣套管的主要結構特點及場強分布特點。具體的，原型套管的結構類型為油紙電容式，額定電壓為500kV，極板層數為70層，第零層極板長度6079mm，絕緣厚度具有0.9mm、1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm五個梯度。經對該套管的電場分析，原型套管的場強分布特點如下：主絕緣中部場強分布的最大值即徑向場強最大值為4.51kV/mm，上臺階軸向場強最大值為0.108kV/mm，下臺階軸向場強最大值0.43kV/mm。
其次，設定縮比係數、模擬的關鍵場強分布及偏差閾值。為模擬該套管內部放電規律及電氣特性，取場強最大值為模擬關鍵點，場強最大值偏差範圍設置為±5％，縮比係數s選為1/10。
設定縮比係數、模擬的關鍵場強分布及偏差閾值後，根據原型套管的結構類型確定縮比模型的結構類型。之後，設定縮比模型即超特高壓套管模型的電壓，本實施例中，縮比模型電壓等級的選擇，依據GB/T156-2007《標準電壓》中推薦設備最高電壓系列，如7.2kV、12kV、24kV、40.5kV、72.5kV、126kV、252kV、363kV、550kV、800kV、1100kV，考慮試驗電源及試驗場地，縮比模型電壓等級U0選為40.5kV。
然後，選定縮比模型的導電桿直徑。本實施例中，縮比模型中心導電桿直徑的選擇，考慮現有工藝卷制的可行性，導電桿610直徑選為46mm。
完成上述結構分析和電場分析，設定參數後，通過輸入模塊輸入各參數至上位機，微處理器根據獲取到的各項參數計算仿真超特高壓套管模型的電容極板層數和各層電容極板620的極板長度，建立仿真超特高壓套管模型。
具體的，微處理器首先進行電容極板層數的選擇，原型550kV油紙絕緣套管的電容屏數Nt為70層，最高工作相電壓Ut為550kV，依據電容極板層數計算公式計算，套管模型電容極板層數為：N＝Nt/Ut×U0＝5.15，考慮模型內部放電的多樣性，套管模型層數取6層。
之後，微處理器計算仿真超特高壓套管模型各層電容極板620的極板長度和層間厚度。層間厚度方面，選擇原型套管的平均層間厚度，仿真超特高壓套管模型的層間厚度d＝(0.9+1+1.2+1.4+1.6)/5＝1.25mm。極板長度方面，第零屏電容極板長度L0根據縮比係數由公式(1)計算獲得,其餘極板長度根據軸向場強分布的要求，由極板的臺階長度遞推公式即公式(2)Li＝Li-1+λi上+λi下，(i＝1～n)計算得到。
具體的，依據套管主絕緣場強偏差不大於±5％的原則，本實施例中，縮比模型電容芯子絕緣徑向場強最大值取4.28kV/mm與4.73kV/mm之間，上臺階軸向場強最大值取0.102kV/mm和0.11kV/mm之間，下臺階軸向場強最大值取0.409kV/mm和0.45kV/mm之間。
根據上述計算得到的層間厚度及選定的導電桿直徑、縮比模型電容芯子絕緣徑向場強最大值、上臺階軸向場強最大值和下臺階軸向場強最大值，通過公式(3)、公式(4)和公式(5)計算上極差λi上和下極差λi下，將計算結果代入公式(2)計算得到各級電容極板620的極板長度，建立仿真超特高壓套管模型。
完成仿真超特高壓套管模型建模後，對仿真超特高壓套管模型進行仿真測試，調整仿真超特高壓套管模型的電容極板長度及層間厚度，確定縮比模型結構參數。根據場強分布要求，依據電容分壓原理及電場計算公式，通過上述公式(4)至公式(7)進行迭代計算，調整電容極板長度及層間厚度，最終獲得縮比模型的電場分布，確定電容極板的極板長度和層間厚度確認仿真超特高壓套管模型結構，得到仿真超特高壓套管模型600，如圖6所示。具體的，仿真超特高壓套管模型600的場強分布如圖7至圖9所示，仿真超特高壓套管模型的電容極板參數如以下表1所示。
表1電容極板參數
確定仿真超特高壓套管模型600結構後，按照仿真超特高壓高管模型600加工生產超特高壓套管模型，通過卷制機繞制電容芯子，對導電桿610和電容極板620卷制電纜紙630，電容芯子卷制按照仿真設計圖樣要求控制絕緣層外徑。本實施例中，卷制機採用小型卷制機，卷制過程中應用紅藍筆標記，卷制過程中嚴禁落入鋁屑、紙屑、頭髮等雜物，並且電纜紙及鋁箔需保持一定的張力，不得起皺紋和鼓包，不得撕裂。
最後，芯子製作完畢後，通過乾燥機、浸油裝置和裝配裝置對電容芯子進行乾燥、浸油及外殼裝配處理，形成超特高壓套管模型，完成超特高壓套管模型生產。
上述套管模型製造系統根據相似原理，從結構相似性、場強等效性的原則出發，針對目標超特高壓套管結構特點及場強分布情況，對超特高壓套管模型仿真建模並仿真測試仿真超特高壓套管模型的電場分布，根據超特高壓套管模型的場強值及目標要求，調整仿真超特高壓套管模型結構使得仿真超特高壓套管模型與原型超特高壓套管在結構及場強分布均相似；且超特高壓套管模型卷制過程中，其卷制工藝及材料選材上均與原型超特高壓套管相同，以保證超特高壓套管模型與原型超特高壓套管的電氣特性一致。最終，通過生產出的超特高壓套管模型可預測大型原型超特高壓套管的電氣特性及放電規律。
上述套管模型製造系統實現了超特高壓套管模型的生產，超特高壓套管模型體積小，測試方便，且上述套管模型製造系統生產的超特高壓套管模型與原型超特高壓套管的電場分布相同，保證了超特高壓套管模型與原型超特高壓套管的電氣特性一致，通過對超特高壓套管模型與原型進行試驗測量即可預測大型原型超特高壓套管的電氣特性及放電規律，能夠大大降低超特高壓套管主絕緣性能測試的試驗成本、縮短試驗周期、測試操作方便、測試結果監測方便，為大型超特高壓套管的絕緣性能預測及優化提供理論及試驗支撐，以有效避免超特高壓套管爆炸事故發生。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。