基于有限元法的干式套管参数设计平台及设计方法
技术领域
本发明涉及干式套管参数设计
技术领域
，具体地指一种基于有限元法的干式套管参数设计平台及设计方法。背景技术
当干式套管的电压等级较高时，需要设计电容芯子，电容芯子由电容屏及绝缘层间隔包卷构成，形成多层圆柱体电容器。合理地设计电容芯子结构参数能够使得其径向场强Er和轴向场强El分布均匀，从而提高套管的绝缘强度。通过芯子设计方法可以得到结构尺寸参数，再利用解析法得到相应的电气参数，而解析法求解的电气参数不够精确，存在一定偏差。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于有限元法的干式套管参数设计平台及设计方法，本发明采用有限元法能得到准确的干式套管参数。
为实现此目的，本发明所设计的基于有限元法的干式套管参数设计平台，其特征在于：它包括干式套管类型参数设置模块、有限元计算模块、干式套管电容芯体参数判断模块；
干式套管结构参数设置模块用于根据干式套管的实际应用场合确定干式套管类型、干式套管芯子设计方法、干式套管芯子零层极板与末层极板长度和半径，以及干式套管芯子极板总层数，根据上述干式套管类型、干式套管芯子零层极板与末层极板长度和半径，以及干式套管芯子极板总层数利用选定的干式套管芯子设计方法计算干式套管结构参数；
所述有限元计算模块用于利用有限元软件建立干式套管模型，将干式套管结构参数代入干式套管模型中进行材料性能定义以及网格划分，然后仿真计算得出干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及干式套管芯子轴向电场强度曲线图；
所述干式套管电容芯体参数判断模块用于对干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及轴向电场强度曲线图进行分析，判断干式套管芯子电场强度分布图所反映的干式套管芯子电场强度分布、干式套管芯子电压分布图所反映的干式套管芯子电压分布、干式套管芯子电容分布图所反映的干式套管芯子电容分布、干式套管芯子分压比分布图所反映的干式套管芯子分压比分布、干式套管芯子径向电场强度曲线图反映的干式套管芯子径向电场强度、干式套管芯子轴向电场强度曲线图反映的干式套管芯子轴向电场强度是否满足干式套管电容芯体对应的设计要求。
本发明的有益效果：
本发明首先在通过MATLAB/GUI软件实现的干式套管参数设计界面中，输入所需的干式套管电容芯体结构参数，包括套管形式及计算方法、零末两层极板长度和半径以及极板总层数，经过计算得出详细的电容芯体结构参数，再运用有限元法计算出相关电气参数并展示处理后结果图，综合考虑套管电容芯体电气性能，进一步优化干式套管电容芯体结构参数，可有效提高干式套管电容芯体结构参数设计效率，具有广泛的实用性。
由于解析法主要简化芯子模型，通过基本原理公式进行求解，存在一定偏差，而有限元法以变分原理为基础，将边值问题转化为变分问题，利用剖分插值进行离散化处理，充分保证了计算精度。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的功能及设计流程图；
图3为本发明的平台主界面图。
其中，1—干式套管类型参数设置模块、2—有限元计算模块、3—干式套管电容芯体参数判断模块、4—干式套管电容芯体参数调整模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～3所示的基于有限元法的干式套管参数设计平台，它包括干式套管类型参数设置模块1、有限元计算模块2、干式套管电容芯体参数判断模块3；
干式套管结构参数设置模块1用于根据干式套管的实际应用场合确定干式套管类型、干式套管芯子设计方法、干式套管芯子零层极板与末层极板长度和半径(零层极板为芯子的最内层电容屏，末层极板为芯子的最外层电容屏)，以及干式套管芯子极板总层数，根据上述干式套管类型、干式套管芯子零层极板与末层极板长度和半径，以及干式套管芯子极板总层数利用选定的干式套管芯子设计方法计算干式套管结构参数，所述干式套管结构参数包括干式套管电容芯体的各层极板的长度、半径和厚度以及上下两级极板差；
所述有限元计算模块2用于利用有限元软件建立干式套管模型(无具体尺寸)，将干式套管结构参数代入干式套管模型中进行材料性能定义以及网格划分，然后仿真计算得出干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及干式套管芯子轴向电场强度曲线图；
所述干式套管电容芯体参数判断模块3用于对干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及轴向电场强度曲线图进行分析，判断干式套管芯子电场强度分布图所反映的干式套管芯子电场强度分布、干式套管芯子电压分布图所反映的干式套管芯子电压分布、干式套管芯子电容分布图所反映的干式套管芯子电容分布、干式套管芯子分压比分布图所反映的干式套管芯子分压比分布、干式套管芯子径向电场强度曲线图反映的干式套管芯子径向电场强度、干式套管芯子轴向电场强度曲线图反映的干式套管芯子轴向电场强度是否满足干式套管电容芯体对应的设计要求(套管相关设计规范)。
上述技术方案中，它还包括干式套管电容芯体参数调整模块4，干式套管电容芯体参数调整模块4用于在干式套管电容芯体参数判断模块3判断出存在不满足干式套管电容芯体对应的设计要求时，控制干式套管结构参数设置模块1调整相应的干式套管结构参数，使得调整后的干式套管结构参数经过有限元计算后得到的干式套管芯子电场强度分布图所反映的干式套管芯子电场强度分布、干式套管芯子电压分布图所反映的干式套管芯子电压分布、干式套管芯子电容分布图所反映的干式套管芯子电容分布、干式套管芯子分压比分布图所反映的干式套管芯子分压比分布、干式套管芯子径向电场强度曲线图反映的干式套管芯子径向电场强度、干式套管芯子轴向电场强度曲线图反映的干式套管芯子轴向电场强度满足干式套管电容芯体对应的设计要求。
上述技术方案中，所述干式套管芯子设计方法包括等电容等台阶不等厚度法、不等电容不等台阶等厚度法、等裕度法。
上述技术方案中，所述有限元计算模块2通过后台调用有限元软件运行(运行MATLAB语句，后台启动有限元软件进行仿真分析)，进行仿真计算得出干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及干式套管芯子轴向电场强度曲线图。
上述技术方案中，所述干式套管类型包括变压器套管和穿墙套管。
一种基于有限元法的干式套管参数设计方法，它包括如下步骤：
步骤1：根据干式套管的实际应用场合确定干式套管类型、干式套管芯子设计方法、干式套管芯子零层极板与末层极板长度和半径，以及干式套管芯子极板总层数，根据上述干式套管类型、干式套管芯子零层极板与末层极板长度和半径，以及干式套管芯子极板总层数利用选定的干式套管芯子设计方法计算干式套管结构参数；
步骤2：利用有限元软件建立干式套管模型，将干式套管结构参数代入干式套管模型中进行材料性能定义以及网格划分，然后仿真计算得出干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及干式套管芯子轴向电场强度曲线图；
步骤3：对干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及轴向电场强度曲线图进行分析，判断干式套管芯子电场强度分布图所反映的干式套管芯子电场强度分布、干式套管芯子电压分布图所反映的干式套管芯子电压分布、干式套管芯子电容分布图所反映的干式套管芯子电容分布、干式套管芯子分压比分布图所反映的干式套管芯子分压比分布、干式套管芯子径向电场强度曲线图反映的干式套管芯子径向电场强度、干式套管芯子轴向电场强度曲线图反映的干式套管芯子轴向电场强度是否满足干式套管电容芯体对应的设计要求；
步骤4：判断出存在不满足干式套管电容芯体对应的设计要求时，调整相应的干式套管结构参数，使得调整后的干式套管结构参数经过有限元计算后得到的干式套管芯子电场强度分布图所反映的干式套管芯子电场强度分布、干式套管芯子电压分布图所反映的干式套管芯子电压分布、干式套管芯子电容分布图所反映的干式套管芯子电容分布、干式套管芯子分压比分布图所反映的干式套管芯子分压比分布、干式套管芯子径向电场强度曲线图反映的干式套管芯子径向电场强度、干式套管芯子轴向电场强度曲线图反映的干式套管芯子轴向电场强度满足干式套管电容芯体对应的设计要求。
本发明在具体实施过程中；
首先，在图3的框1中，设定110kV变压器套管电容芯体的类型参数，套管形式选“变压器套管”，计算方法选“等级差”，边界条件的零层极板长度及半径选择“1825mm、25mm”，末层极板长度及半径选“630mm、74.6mm”，极板层数选“16层”，点击“电容芯子参数计算”按钮来进行电容芯体结构参数计算并显示各层极板的长度、半径和厚度以及上下两级极板差值；
然后，针对以上所得初始的详细套管电容芯体结构参数，点击“有限元仿真分析”进行有限元法仿真分析，通过后台调用程序运行，计算及处理完毕后展示有限元分析结果，包括干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及干式套管芯子轴向电场强度曲线图，如图3的框2所示；
对干式套管芯子电场强度分布图、干式套管芯子电压分布图、干式套管芯子电容分布图、干式套管芯子分压比分布图、干式套管芯子径向电场强度及轴向电场强度曲线图进行分析，判断干式套管芯子电场强度分布图所反映的干式套管芯子电场强度分布、干式套管芯子电压分布图所反映的干式套管芯子电压分布、干式套管芯子电容分布图所反映的干式套管芯子电容分布、干式套管芯子分压比分布图所反映的干式套管芯子分压比分布、干式套管芯子径向电场强度曲线图反映的干式套管芯子径向电场强度、干式套管芯子轴向电场强度曲线图反映的干式套管芯子轴向电场强度是否满足干式套管电容芯体对应的设计要求；
最后，综合考虑经有限元法仿真计算出的套管电容芯体电气性能，进一步优化110kV变压器套管电容芯体结构参数，达到有效提高干式套管电容芯体结构参数设计效率的目的。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
