一种基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法及系统与流程

本发明涉及电力工程，特别是一种基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法及系统。

背景技术：

1、随着电力系统的快速发展，电力变压器在电网中起着至关重要的作用，对电网的安全稳定运行起到关键的支撑作用。因此，预测和评估电力变压器的寿命成为电力行业中的重要议题。而变压器的工作寿命主要受到其内绝缘材料绝缘纸的影响，因此绝缘纸材料的性能直接反映了变压器的工作状态和健康状况。

2、绝缘纸的聚合度是评估其寿命一个关键参数，直接关系到其绝缘性能、机械强度和热稳定性。随着绝缘纸老化，其聚合度可能会下降，从而降低绝缘效果和安全性。然而，目前的绝缘纸聚合度检测方法存在局限性，一是取样困难，获取需要变压器停止工作后对其进行吊罩取纸，过程繁琐且具有破坏性。二是测量不准确，吊罩取纸只能测量变压器绝缘纸的某一部分，而且根本无法做到同时测量整体绝缘的聚合度分布情况，测量部位的绝缘纸聚合度没有代表性。三是无法实现在线监测，变压器内部位置限制导致无法直接安装相应的传感器进行实时的在线监测。

3、考虑到目前行业中存在的这些问题，本发明对变压器内部绝缘状态的实时评估方法提出了一个新的思路和解决方案。结合多场耦合老化行为，提出一种基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法。这种方法旨在解决现有技术的局限性，通过模拟和分析变压器内部的多物理场，进一步计算聚合度分布并分析绝缘纸的寿命，从而实现对绝缘状态的全面、准确和实时的评估，为电力行业的持续发展和电网的安全稳定运行提供了关键技术支持。

技术实现思路

1、鉴于现有的绝缘纸聚合度检测方法存在局限性，取样困难并且测量过程具有破坏性，且结果只能测量局部位置，无法实现分布式测量，不具有代表性提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于通过模拟和分析变压器内部的多物理场，进一步计算聚合度分布并分析绝缘纸的寿命，从而实现对绝缘状态的全面、准确和实时的评估。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法，其包括采集数据，仿真计算变压器多物理场耦合结果；考虑时间、温度和水分对聚合度的影响，确定纤维素聚合度累积损失的动态方程；采用时间-温度-电场-水分叠加的方法获得不同温度、电场和水分下的聚合度，建立多老化因素同时影响的聚合度分布动态推演模型；预测变压器使用寿命，评估变压器内绝缘老化状态。

5、作为本发明所述基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的一种优选方案，其中：建立多老化因素同时影响的聚合度分布动态推演模型包括以下步骤：通过温度场分布和实际监测数据，分析变压器内部不同位置的纸中水分分布规律；结合油中水分监测数据和纸中总水分含量与运行时间的关系，建立水分含量的经验公式；假设变压器油中水分均匀，采用油纸平衡方程和水分扩散定律确定纸中水分含量及分布；利用仿真软件进行温度场仿真，结合传感器数据获取纸中饱和水分，再根据扩散定律和纸中总水分含量计算任意位置和时刻下的水分浓度；考虑时间、温度和水分对聚合度的影响，确定纤维素聚合度累积损失的动态方程；根据时温叠加原理，引入了温度平移因子，修正活化能；考虑水分对活化能的影响，推导水分平移因子；考虑温度、电场和水分影响，推导聚合度的公式。

6、作为本发明所述基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的一种优选方案，其中：计算任意位置和时刻下的水分浓度的步骤如下：根据油纸水分平衡曲线，计算各参数的公式如下：

7、

8、其中，c1表示饱和条件下的水分浓度，t表示温度，p1表示饱和条件下的水蒸气分压，p2表示条件下的标准气压，p0表示1个标准气压对应的压力，pv表示条件下的水蒸气分压，coil表示当前条件下的油中水分浓度，c表示各个局部位置对应的纸中饱和水分浓度；当获得边界的饱和水分浓度后，根据fick扩散定律，局部位置水分沿着纸板扩散，计算扩散系数的具体公式如下：

9、

10、其中，c表示水分浓度，t表示时间，x表示沿厚度方向上的距离，d表示水分扩散系数，d0表示初值，k0表示初值常数，c0表示初始水分浓度，ea表示温度对水分扩散系数影响的常数，t0表示常温，t表示温度，e表示电场强度，b表示电场影响水分的常数；当局部位置的水分沿着纸板一侧扩散时，存在水分边界条件如下：

11、

12、其中，c0表示初始水分浓度，c表示水分浓度，t表示时间，x表示沿厚度方向上的距离，l表示绝缘纸板厚度；任意位置和时刻下的绝缘纸水分浓度具体公式如下：

13、

14、其中，c0表示初始水分浓度，c表示水分浓度，t表示时间，x表示沿厚度方向上的距离，l表示绝缘纸板厚度，d表示水分扩散系数，n表示求和的序号数。

15、作为本发明所述基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的一种优选方案，其中：纤维素聚合度累积损失的动态方程如下：

16、

17、其中，wdp表示聚合度的累积损失率，dpt表示t时刻的聚合度，dp0表示初始聚合度，wdp*表示聚合度降解储蓄的能力，kdp表示纤维素聚合度降解的速率。

18、作为本发明所述基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的一种优选方案，其中：所述修正活化能的具体公式如下：

19、ea*＝ea+γc

20、其中，ea表示活化能，γ表示一个具有体积量纲的常数，c表示水分浓度。

21、作为本发明所述基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的一种优选方案，其中：水分平移因子的具体公式如下：

22、

23、其中，αc表示时间-水分平移因子，k表示化学反应速率，c表示水分浓度，ea表示活化能，γ表示一个具有体积量纲的常数，a表示指前因子，r表示气体常数，t表示温度。

24、作为本发明所述基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的一种优选方案，其中：所述考虑温度、电场和水分影响，推导聚合度的公式包括以下步骤：采用时间-温度-电场-水分叠加的方法获得不同温度、电场和水分下聚合度下降至dpt的推演公式如下：

25、

26、其中，αc表示时间-水分平移因子，αt表示温度平移因子，αt,c表示温度平移因子与水分平移因子的乘积，wdp表示聚合度的累积损失率，wdp*表示聚合度降解储蓄的能力，表示曲线平移并构成主曲线的一部分后对应的时间值，tt,c表示为温度t，水分c下曲线上某点平移前的时间，kdp表示纤维素聚合度降解的速率，tref表示参考温度，r表示气体常数，t表示温度；任意时刻下不同温度、电场、水分联合作用的聚合度具体公式如下：

27、

28、其中，dpt表示t时刻的聚合度，dp0表示初始聚合度，wdp表示聚合度的累积损失率，t表示变压器运行的时间。

29、第二方面，本发明实施例提供了基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估系统，其包括仿真模块，用于采集数据，仿真计算变压器多物理场耦合结果；建模模块，用于采用时间-温度-电场-水分叠加的方法获得不同温度、电场和水分下的聚合度，建立多老化因素同时影响的聚合度分布动态推演模型；监测模块，用于预测变压器使用寿命，评估变压器内绝缘老化状态。

30、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的步骤。

31、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于comsol的变压器内绝缘老化状态评估方法的步骤。

32、本发明有益效果为：通过结合多场耦合老化行为，利用基于comsol的仿真计算，能够全面评估变压器内绝缘纸的状态，实现对其聚合度的准确分析，相较于传统的取样方式，本发明避免了取样过程的繁琐和破坏性，提高了评估的可靠性和准确性。通过建立考虑时间、电场、温度和水分分布影响下的聚合度模型，可以更准确地预测绝缘纸的寿命，为电力变压器的维护提供了重要参考依据。本发明还实现了对变压器内部绝缘状态的实时在线监测，有助于及时发现潜在问题并采取相应措施，确保电网的安全稳定运行，为电力行业的发展和电网的可靠性提供了关键的技术支持，有望在提高变压器使用效率和延长其使用寿命方面发挥重要作用。