基於Kriging模型的套管電容芯子電場優化方法與流程
2023-04-24 23:07:11 1
本發明涉及一種變壓器套管內部電容芯子絕緣結構設計，尤其涉及一種基於kriging模型的套管電容芯子電場優化方法。
背景技術：
電力變壓器是構成電網的主要設備，在電力系統中起著電壓等級變換的作用。隨著電力系統輸電電壓的提高，電力變壓器的電壓等級也不斷提高，這就對變壓器套管的絕緣特性提出了更高的要求。套管是變壓器箱外的主要絕緣裝置，它將變壓器的高壓和低壓繞組的引出線引出到油箱外部，同時起固定引線的作用。目前較為常用的變壓器套管有油浸式和電容式兩種，其中電容式套管多用於100kv以上的電力變壓器。
電容式套管的主要絕緣結構為電容芯子，它是將絕緣紙和鋁箔加壓力交替卷在導電桿上形成的。這樣的設計相當於以導電桿為中心串聯多個電容器，根據串聯電路分壓原理，導電桿對接地法蘭的電壓應等於各個電容器的電壓之和，通過控制各層的電容量可使電場均勻的分布在套管內部。套管中的最大場強值直接關係到變壓器的正常運行，而且50％以上的變壓器事故都是由套管故障引起的，因此對套管內部電場進行最優化設計尤為重要。
套管電容芯子中電場分布的均勻程度直接影響到套管內部的最大場強值，而最大場強值則主要受電容芯子的間距和厚度影響。傳統的電場計算方法很難得到電容芯子的最優參數，且得到的參數無法進行驗證缺少可信度。
因此，尋找一種能夠對電容芯子最優參數進行可靠預測的方法具有重要的實用價值。
技術實現要素：
發明的主要目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於kriging模型的套管電容芯子電場優化方法。
該方法利用仿真軟體計算出電容芯子和變壓器油的最大場強值，通過kriging模型預測最優解，最後對最優解進行驗證，預測結果可靠且計算量小。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種基於kriging模型的套管電容芯子電場優化方法，包括以下步驟：
(1)利用cad參數化建模功能,建立電容式變壓器套管模型；
(2)選擇電容芯子間距和厚度為標註約束參數，確定研究範圍，得到電容芯子的結構參數；
(3)利用cad參數化建模功能依次改變電容芯子的結構參數，並將模型導入仿真軟體comsol中，最終計算出各個參數下變壓器油和電容芯子的最大場強值；
(4)利用步驟(3)得到的結果初步分析變壓器油和電容芯子的最大場強值與電容芯子的間距和厚度之間的關係；
(5)構建kriging模型對電容芯子的結構參數進行優化處理；
(6)得到最優化的電容芯子結構參數，並將優化參數導入comsol進行驗證。
進一步地，所述步驟(1)中cad參數化建模功能具體包括：將模型中各個部分設置為相互約束關係，包括相切、相等、垂直、同心約束關係，並選擇電容芯子之間的距離和厚度為標註約束參數，通過改變標註約束參數值進而實現對整個模型的調整。
進一步地，所述步驟(2)中電容芯子的間距在1.0～2.35mm範圍內等間隔選取10個數值進行研究，電容芯子厚度在0.2～0.35mm範圍內等間隔選取10個數值進行研究。
進一步地，所述步驟(3)具體為：
(31)將改變標註約束參數值後得到的變壓器套管模型導入comsol軟體中；
(32)對模型進行條件加載，包括：各部分材料屬性的添加、邊界條件的設定及接地和電勢的接入；
(33)運行軟體計算出電容芯子內部的電場分布，最終得到電容芯子和油間隙中最大場強的數值及出現的位置。
進一步地，所述步驟(5)中構建kriging模型的具體步驟為：
(51)設n×p試驗樣本點x＝{x1，x2…xn},p為設計變量參數，有相應的輸出函數為:
y＝{y1(x),y2(x)…yn(x)}；
(52)據輸出函數，未知參數β，σ2可估計為：
β，＝(ftr-1f)-1ftr-1y
式中：f為每個試驗點f(x)估值向量；r為試驗點相關的函數矩陣；
(53)由於β，σ2均與相關參數θ相關，因此需要先求得θ值，用最大似然估計法對表達式求最小值：
(54)獲取θ後，通過響應最佳線性預測可得β，σ2值。
進一步地，所述步驟(6)中所述最優化的電容芯子結構參數即為使得套管內部變壓器油和電容芯子的最大場強值最低時，電容芯子間距和厚度的參數值。
進一步地，所述步驟(6)中驗證方法具體為：將所得最優化參數代入模型中，再將模型導入仿真軟體comsol中計算出變壓器油和電容芯子的最大場強值，並將所得結果與優化之前獲得的結果進行比較。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
1、本發明採用參數化建模技術，只需要設定各部分之間的約束關係，選擇電容芯子之間的距離和厚度為標註約束參數，通過改變標註約束參數即可實現對模型的修改，無需重新建模；
2、本發明採用kriging模型對電容芯子內部電場進行優化處理，計算量小且結果可靠。
附圖說明
圖1是本發明實施例的流程示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
如圖1所示，基於kriging模型的套管電容芯子電場優化方法包括以下步驟：
s1、利用cad參數化建模功能,建立電容式變壓器套管模型。
本步驟採用cad參數化建模技術，將模型的各個部分設置成各種約束關係,並對套管內部電容芯子結構進行細化，具體如：將模型中各個部分設置為相互約束關係，包括相切、相等、垂直、同心約束關係，並選擇電容芯子之間的距離和厚度為標註約束參數，通過改變標註約束參數值進而實現對整個模型的調整。
影響電容芯子中最大場強值的因素有很多，如中心導電桿的粗細、均壓球的大小、鋁箔的層數、變壓器油中水分和氣泡含量、溫度和承受電壓類型等等。在實際運行中變壓器油溫度、水分和氣泡等難以人為控制，且導電桿的粗細、均壓球的大小都有變壓器的相關電氣特性作為設計依據，而電容芯子的間距和厚度是影響最大場強值的可控因素。因此步驟s1中選擇電容芯子之間的距離和厚度為標註約束參數，通過改變標註約束參數值進而實現對整個模型的調整。
s2、選擇電容芯子間距和厚度為標註約束參數，確定研究範圍，得到電容芯子的結構參數。
本步驟重點研究電容芯子厚度和間距對套管內電場分布的影響，因此選擇間距和厚度為標註約束參數。按照設計要求，選取電容芯子間距和厚度的研究範圍分別為：1～2.35mm和0.2～0.35mm，等間距選取10組結構參數進行研究。
s3、利用cad參數化建模功能依次改變電容芯子的結構參數，並將模型導入仿真軟體comsol中，最終計算出各個參數下變壓器油和電容芯子的最大場強值，具體包括：
s31、將改變標註約束參數值後得到的變壓器套管模型導入comsol軟體中；
s32、對模型進行條件加載，包括：各部分材料屬性的添加、邊界條件的設定及接地和電勢的接入；
s33、運行軟體計算出電容芯子內部的電場分布，最終得到電容芯子和油間隙中最大場強的數值及出現的位置。
本步驟用有限元法建立變壓器套管的電場計算模型，給模型各部分賦予相應的材料屬性，並對電容芯子結構中的鋁箔施加懸浮電位。在對模型進行剖分時，對剖分精度不做太高要求，可以減少計算量，對結果並無太大影響。在將中心導電桿接入電勢，套管外側屏蔽罩設置接地後，通過計算得到結果，繪製電場等勢面圖後分析電場分布。記錄每一組參數下得到的電容芯子內部和變壓器油中最大場強值，這樣便得到一組完整的樣本數據。
s4、利用步驟s3、得到的結果初步分析變壓器油和電容芯子的最大場強值與電容芯子的間距和厚度之間的關係。
s5、建立kriging模型，對電容芯子的結構參數進行優化處理。
初步建立kriging模型，並利用樣本數據進行訓練，確定kriging模型結構。kriging方法為數學、地質學廣泛使用，是基於隨機過程的隨機預測法，其根據區域內若干信息樣品的某種特徵數據對該區域同類特徵未知數做線性無偏、最小方差估計，具有平滑效應及估計方差最小的統計特徵，構建kriging模型具體包括步驟：
s51、設n×p試驗樣本點x＝{x1，x2…xn},p為設計變量參數，有相應的輸出函數為:
y＝{y1(x),y2(x)…yn(x)}；
s52、據輸出函數，未知參數β，σ2可估計為：
β』＝(ftr-1f)-1ftr-1y
式中：f為每個試驗點f(x)估值向量；r為試驗點相關的函數矩陣；
s53、由於β，σ2均與相關參數θ相關，因此需要先求得θ值，用最大似然估計法對表達式求最小值：
s54、獲取θ後，通過響應最佳線性預測可得β，σ2值。
s6、得到最優化的電容芯子結構參數，並將優化參數導入comsol進行驗證。
將上述過程得到的最優解模型重新導入comsol中，按照上述過程進行仿真計算，將得到結果與預測結果進行比較。
本實施例採用有限元方法進行仿真計算，並利用kriging方法進行最優化求解，若得到廣泛推廣，必將降低電容式套管在運行時的故障率。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。