CN108319781B - 一种基于多物理场的gis/gil内部绝缘件优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及输配电设备绝缘组件领域，尤其涉及一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，具体包括参数测量；生成模型；热学计算；电学计算；力学计算；优化目标六个步骤，本发明通过整合力、电、热三个物理场，通过计算得出函数曲线，进而获得测试绝缘件的形态，通过对比选择最优形态的绝缘件投入使用，保证了策略运行得出的绝缘件能够克服现有技术中绝缘件表面电荷积聚、温度分布不均匀、气压变动带来的恶劣工作条件，从根本上保证了设计得出的绝缘件的鲁棒性。

Description

一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法

技术领域

本申请涉及输配电设备绝缘组件领域，尤其涉及一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)及气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)具有安全性高以及环境友好等诸多特点，目前在世界范围内虽然已经逐步得到广泛应用。

然而，由于气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)及气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)其主要应用于交流电网中，而在直流输电系统中GIS/GIL的应用鲜见报道。近几年，国际上已经有许多制造单位，如三菱、东芝、Siemens以及ABB等电力知名企业，都围绕直流GIS/GIL相继开展了研发工作，但均未见正式的商业运营报道。长期工作于高压直流环境下，其内部的绝缘子存在电场法向分量，导致工作环境下表面会有电荷的积聚；另外，交流GIS/GIL设备中当开关断开后，母线上也将会有一定幅值的直流电势存在，这也将使内部绝缘件表面积聚电荷。这种表面电荷的存在将畸变原有电场，导致设备中的内部绝缘件闪络电压显著降低。目前，随着我国高压直流输电工程的快速发展，对直流GIS/GIL设备的需求日益迫切，其内部绝缘件在高压直流下的表面电荷积聚特性及控制措施的研究已成为各国电力科研人员研究的热点问题之一。

近年来，针对直流GIS/GIL中内部绝缘件表面电荷积聚问题的研究大部分仍停留在电磁场这一个物理场中。而实际工作状态下，内部绝缘件面临着电、热、力三大物理场的考验，这三者相互之间还存在着诸多制约关系。因此内部绝缘设计工作面临着这三者的重重考验。

发明内容

本申请提供了一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，整合了力、电、热三个物理场，保证了设计得出的绝缘件能够克服表面电荷积聚、温度分布不均匀、气压变动带来的恶劣工作条件。

有鉴于此，本发明提供了以下的技术方案：一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，包括以下步骤：

步骤一：参数测量；测量得到所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线，构建对应的函数关系；测量在不同温度下所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度，构建泊松比、杨氏模量和密度随温度变化的关系曲线，形成对应的函数关系；

步骤二：生成模型；由遗传算法或实际生产经验得到多个几何形态或不同材料掺杂的内部绝缘件模型；

步骤三：热学计算；分别针对上述步骤中的不同几何形态或不同材料构成的内部绝缘件进行热学计算，得到上述内部绝缘件模型各处的温度分布；

步骤四：电学计算；根据上述温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的电导率，进行电学计算，得出当表面电荷积聚量达到最大值之后，表面切向电场的最大值；

步骤五：力学计算；根据温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的泊松比、杨氏模量、密度，进行力学计算，得出绝缘件表面最大应力值；

步骤六：优化目标；筛选上述内部绝缘件模型中满足最大应力值低于应许值的绝缘件模型，进一步筛选满足条件的绝缘件中表面切向电场最大值最小的模型作为最终优化结果。

进一步地，所述步骤一中的所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线由电导测量平台实际测量得到；所述不同温度下所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度由杨氏模量测定仪实际测量。

进一步地，上述步骤四中当表面电荷积聚量达到最大值之后，计算表面切向电场的最大值中，所述表面电荷积聚量达到最大值的判断标准是：当表面电荷积聚达到动态平衡的时候，此时表面电荷积聚量则定为最大值。

进一步地，所述步骤六中的应许值为所用绝缘材料的剪切强度或拉伸强度。

进一步地，所述步骤三计算过程如下：

在热学方面，求解域中热平衡方程如下所示：

其中ρ为材料密度，C_p为材料比热容，

为热对流速度，T为温度，

为热传导热量，Q为内部热源产热量，k为热导率；边界条件为狄利克雷边界：

低压侧(接地)：T＝T_L

高压侧：T＝T_H

其中T_L通常为GIS/GIL外部温度，T_H可设定为GIS/GIL最高耐受温度。

进一步地，所述步骤四计算过程如下：

电学方面，采样静电场的设定，域内方程如下：

其中

为电位移矢量，ρ_v为体电荷密度，

为电场强度，V为电势值；边界条件为狄利克雷边界：

低压侧(接地)：V＝0

高压侧：V＝U_set

为了将GIL/GIS中的绝缘件的表面电荷积聚现象考虑进入计算过程，在绝缘件表面上添加电荷积聚的边界条件：

其中ρ_s为表面电荷密度，γ_bulk、γ_surface与γ_gas分别为绝缘件的体积电导、表面电导以及六氟化硫气体的等效电导，E_1n、E_2n、E_t分别为表面附近绝缘侧的法向电场强度、表面附近六氟化硫气体侧的法向电场强度和切向电场强度，D₁、D₂分别为界面两侧的电位移强度；电场与热场存在耦合，主要在于γ_bulk、γ_surface与温度存在直接函数关系如下：

γ_gas＝f(T)

其中γ_bulk随温度的倒数

呈指数关系，γ_gas随温度变化呈现更为复杂的函数关系；在完成与温度场耦合之后，设定的电场优化目标为：当表面电荷积聚达到最大值到动态平衡之后，使得表面切向电场的最大值低于一个固定标准。

进一步地，所述步骤五计算过程如下：

力学方面，在求解域中应用固体力学方程如下：

其中

为某一个确定点对应的9个应力分量组成的一个3×3的2阶张量，

为该确定点对应的3个方向上的体内力组成的一个1阶张量；在绝缘子与两侧金属电极连接处为位移边界条件，在绝缘子上下两个表面处为应力边界条件，如下：

u＝0(位移边界条件，位移为0)

(应力边界条件，外部施加力为P)

在上述力学方程中，起作用的材料参数为泊松比、杨氏模量以及密度，这三者都与材料温度相关：

nu＝f_nu(T)

E＝f_E(T)

ρ＝f_ρ(T)

其中nu、E、ρ分别为泊松比、杨氏模量、密度，f_nu(T)、f_E(T)、f_ρ(T)分别为泊松比、杨氏模量、密度随温度变化的函数。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：本发明中的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法通过整合力、电、热三个物理场，通过计算得出函数曲线，进而获得测试绝缘件的形态，通过对比选择最优形态的绝缘件投入使用，保证了策略运行得出的绝缘件能够克服表面电荷积聚、温度分布不均匀、气压变动带来的恶劣工作条件，从根本上保证了设计得出的绝缘件的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法的流程示意图；

图2为本申请实施例一提供的盆式绝缘子结构示意图；

图3为本申请实施例一提供的测量得到所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线图；

图4为本申请实施例一提供的测量得到的所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度随温度变化的曲线图；

图5为本申请实施例一提供的绝缘子一的几何形态示意图；

图6为本申请实施例一提供的绝缘子二的几何形态示意图；

图7为本申请实施例一提供的绝缘子三的几何形态示意图；

图8为本申请实施例一提供的施加高温后的绝缘子一的温度分布示意图；

图9为本申请实施例一提供的施加高温后的绝缘子二的温度分布示意图；

图10为本申请实施例一提供的施加高温后的绝缘子三的温度分布示意图。

具体实施方式

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例一

参见图1，本发明实施例提供了一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，包括以下步骤：

步骤一：参数测量；测量得到所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线，构建对应的函数关系；测量在不同温度下所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度，构建泊松比、杨氏模量和密度随温度变化的关系曲线，形成对应的函数关系；

步骤二：生成模型；由遗传算法或实际生产经验得到多个几何形态或不同材料掺杂的内部绝缘件模型；

步骤三：热学计算；分别针对上述步骤中的不同几何形态或不同材料构成的内部绝缘件进行热学计算，得到上述内部绝缘件模型各处的温度分布；

步骤四：电学计算；根据上述温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的电导率，进行电学计算，得出当表面电荷积聚量达到最大值之后，表面切向电场的最大值；

步骤五：力学计算；根据温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的泊松比、杨氏模量、密度，进行力学计算，得出绝缘件表面最大应力值；

步骤六：优化目标；筛选上述内部绝缘件模型中满足最大应力值低于应许值的绝缘件模型，进一步筛选满足条件的绝缘件中表面切向电场最大值最小的模型作为最终优化结果。

具体的说，所述步骤一中‘测量在不同温度下所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度，构建泊松比、杨氏模量和密度随温度变化的关系曲线，形成对应的函数关系’；通过测量数据得到的关系曲线，这些关系曲线对应形成的函数，就是对应的函数关系。

所述步骤二中‘由遗传算法或实际生产经验得到多个几何形态或不同材料掺杂的内部绝缘件模型’，内部绝缘件模型的方法不仅限于遗传算法或实际生产经验，也可以不限方法的广泛生成多种模型。

作为本实施例的一种优选方式，所述步骤一中的所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线由电导测量平台实际测量得到；所述不同温度下所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度由杨氏模量测定仪实际测量。

作为本实施例的一种优选方式，上述步骤四中当表面电荷积聚量达到最大值之后，计算表面切向电场的最大值中，所述表面电荷积聚量达到最大值的判断标准是：当表面电荷积聚达到动态平衡的时候，此时表面电荷积聚量则定为最大值。

作为本实施例的一种优选方式，所述步骤六中的应许值为所用绝缘材料的剪切强度或拉伸强度。

本实施例一中的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法整合了力、电、热三个物理场，从计算方面保证了策略运行得出的绝缘件能够克服表面电荷积聚、温度分布不均匀、气压变动带来的恶劣工作条件，从根本上保证了设计得出的绝缘件的鲁棒性。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例具体描述一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法的计算方法和过程。

具体的说，电学方面，采样静电场的设定，域内方程如下：

其中

为电位移矢量，ρ_v为体电荷密度，

为电场强度，V为电势值。边界条件为狄利克雷边界：

低压侧(接地)：V＝0

高压侧：V＝U_set

为了将GIL/GIS中的绝缘件的表面电荷积聚现象考虑进入计算过程，在绝缘件表面上添加电荷积聚的边界条件：

其中ρ_s为表面电荷密度，γ_bulk、γ_surface与γ_gas分别为绝缘件的体积电导、表面电导以及六氟化硫气体的等效电导，E_1n、E_2n、E_t分别为表面附近绝缘侧的法向电场强度、表面附近六氟化硫气体侧的法向电场强度和切向电场强度，D₁、D₂分别为界面两侧的电位移强度。电场与热场存在耦合，主要在于γ_bulk、γ_surface与温度存在直接函数关系如下：

γ_gas＝f(T)

其中γ_bulk随温度的倒数

呈指数关系，γ_gas随温度变化呈现更为复杂的函数关系。在完成与温度场耦合之后，设定的电场优化目标为：当表面电荷积聚达到最大值到动态平衡之后，使得表面切向电场的最大值低于一个固定标准，以200kV运行电压下的GIS/GIL绝缘举例而言，表面切向电场强度应当低于19kV/mm。

力学方面，在求解域中应用固体力学方程如下：

其中

为某确定点对应的9个应力分量组成的一个3×3的2阶张量，

为该确定点对应的3个方向上的体内力组成的一个1阶张量。在绝缘子与两侧金属电极连接处为位移边界条件，在绝缘子上下两个表面处为应力边界条件，如下：

u＝0(位移边界条件，位移为0)

(应力边界条件，外部施加力为P)

在上述力学方程中，起作用的材料参数为泊松比、杨氏模量以及密度，这三者都与材料温度相关：

nu＝f_nu(T)

E＝f_E(T)

ρ＝f_ρ(T)

其中nu、E、ρ分别为泊松比、杨氏模量、密度，f_nu(T)、f_E(T)、f_ρ(T)分别为泊松比、杨氏模量、密度随温度变化的函数，该函数一般由实际测量得出。由此力学部分与温度建立起来了耦合关系。力学优化目标为：在边界条件固定的情况下，使得绝缘子的表面最大应力低于一个固定值(应许值)，该值一般为材料的剪切强度或拉伸强度。

热学方面，在求解域中热平衡方程如下所示：

其中ρ为材料密度，C_p为材料比热容，

为热对流速度，T为温度，

为热传导热量，Q为内部热源产热量，k为热导率。边界条件为狄利克雷边界：

低压侧(接地)：T＝T_L

高压侧：T＝T_H(可设定为GIS/GIL最高耐受温度)

其中T_L通常为GIS/GIL外部温度，T_H可设定为GIS/GIL最高耐受温度。热学方面不存在直接的约束条件，但其间接影响到力学和电学的性质。

综上，该优化方法同时考虑电、热、力三大物理场，其中优化策略约束条件存在于电、力两个物理场中，而热则与电、力两场耦合，间接影响到优化过程。

实施例三

在实施例一和二的基础上，本实施例重点以盆式绝缘子为例，说明本发明提供的这种优化方法的优化过程。

以盆式绝缘子为例，如图2所示，区域1为高压侧电极，区域2为绝缘子主体，区域3为低压侧电极，其余部分为六氟化硫气体，其中绝缘子主体由掺杂氧化铝的环氧材料构成，其构成比例为环氧树脂100份、氧化铝330份、固化剂38份。

第一步，测量得到所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线如图3所示；其中,横坐标为温度，纵坐标为电导率。

测量所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度随温度变化的曲线如图4所示；其中横坐标为温度，纵坐标分别为泊松比、杨氏模量和密度。

第二步，由遗传算法或实际生产经验得到三种不同几何形态的绝缘子一、绝缘子二和绝缘子三分别如图5、图6和图7所示。

第三步，分别针对上述三种不同几何形态的内部绝缘件进行热学计算，在左侧高压侧电极施加工作时的高温393.15K(120℃)，在右侧低压侧电极施加室温293.15K(20℃)，通过仿真计算得到模型的绝缘子一的温度分布如图8所示，绝缘子二的温度分布如图9所示，绝缘子三的温度分布如图10所示。

第四步，根据温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的电导率，进行电学计算,在绝缘件左侧的高压侧电极施加-200kV高压，右侧低压侧电极接地，得出当表面电荷积聚量达到最大值之后，表面切向电场的最大值如表1所示，其中绝缘子一、绝缘子二和绝缘子三分别对应编号1、2、3；

表1表面电荷积聚量最大值时绝缘件表面切向电场最大值

第五步，根据温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的泊松比、杨氏模量、密度，进行力学计算，在绝缘件下表面施加2.5MPa的压力，得出绝缘件表面最大应力值如表2所示：

表2三种绝缘件表面最大应力值

第六步，在工业生产中，盆式绝缘子的应许应力为20MPa，可见上述三种绝缘子都满足实际应用中的力学性能要求，因此，从最优化的角度出发，应当选择表面切向电场最大值最小的编号3形态，因此本次计算的结果为3号形态最优。由于在电场计算中考虑了表面电荷的积聚，因此3号形态抵抗表面电荷积聚的能力最强。由此，选择3号绝缘件为最优形态的绝缘件，其能最大限度的克服表面电荷积聚、温度分布不均匀、气压变动带来的恶劣工作条件。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：参数测量；测量得到所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线，构建对应的函数关系；测量在不同温度下所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度，构建泊松比、杨氏模量和密度随温度变化的关系曲线，形成对应的函数关系；

步骤二：生成模型；由遗传算法或实际生产经验得到多个几何形态或不同材料掺杂的内部绝缘件模型；

步骤三：热学计算；分别针对上述步骤中的多个几何形态或不同材料掺杂的内部绝缘件进行热学计算，得到上述内部绝缘件模型各处的温度分布；

步骤四：电学计算；根据上述温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的电导率，进行电学计算，得出当表面电荷积聚量达到最大值之后，计算表面切向电场的最大值；

步骤五：力学计算；根据温度分布计算得出绝缘材料及绝缘气体各处的泊松比、杨氏模量、密度，进行力学计算，得出绝缘件表面最大应力值；

步骤六：优化目标；筛选上述内部绝缘件模型中满足最大应力值低于应许值的绝缘件模型，进一步筛选满足条件的绝缘件中表面切向电场最大值最小的模型作为最终优化结果；

所述步骤四计算过程如下：

电学方面，采样静电场的设定，域内方程如下：

其中

为电位移矢量，ρ_v为体电荷密度，

为电场强度，V为电势值；边界条件为狄利克雷边界：

低压侧，接地:V＝0

高压侧：V＝U_set

为了将GIL/GIS中的绝缘件的表面电荷积聚现象考虑进入计算过程，在绝缘件表面上添加电荷积聚的边界条件：

其中ρ_s为表面电荷密度，γ_bulk、γ_surface与γ_gas分别为绝缘件的体积电导、表面电导以及六氟化硫气体的等效电导，E_1n、E_2n、E_t分别为表面附近绝缘侧的法向电场强度、表面附近六氟化硫气体侧的法向电场强度和切向电场强度，

分别为界面两侧的电位移强度；电场与热场存在耦合，体积电导γ_bulk、表面电导γ_surface与温度T的函数关系如下：

γ_gas＝f(T)

其中γ_bulk与温度倒数

的关系呈指数关系，γ_gas与温度T呈现函数关系；在完成与温度场耦合之后，设定的电场优化目标为：当表面电荷积聚达到最大值到动态平衡之后，使得表面切向电场的最大值低于一个固定标准。

2.根据权利要求1所述的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，其特征在于：所述步骤一中的所用绝缘材料及绝缘气体的电导率随温度变化的关系曲线由电导测量平台实际测量得到；所述不同温度下所用绝缘材料及绝缘气体的泊松比、杨氏模量和密度由杨氏模量测定仪实际测量。

3.根据权利要求1所述的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，其特征在于：上述步骤四中当表面电荷积聚量达到最大值之后，计算表面切向电场的最大值中，所述表面电荷积聚量达到最大值的判断标准是：当表面电荷积聚达到动态平衡的时候，此时表面电荷积聚量则定为最大值。

4.根据权利要求1所述的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，其特征在于：所述步骤六中的应许值为所用绝缘材料的剪切强度或拉伸强度。

5.根据权利要求1所述的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，其特征在于：所述步骤三计算过程如下：

在热学方面，求解域中热平衡方程如下所示：

其中ρ为材料密度，C_p为材料比热容，

为热对流速度，T为温度，

为热传导热量，Q为内部热源产热量，k为热导率；边界条件为狄利克雷边界：

低压侧，接地:T＝T_L

高压侧：T＝T_H

其中T_L为GIS/GIL外部温度，T_H设定为GIS/GIL最高耐受温度。

6.根据权利要求1所述的一种基于多物理场的GIS/GIL内部绝缘件优化方法，其特征在于：所述步骤五计算过程如下：

力学方面，在求解域中应用固体力学方程如下：

其中

为某一个确定点对应的9个应力分量组成的一个3×3的2阶张量，

为该确定点对应的3个方向上的体内力组成的一个1阶张量；在绝缘子与两侧金属电极连接处为位移边界条件，在绝缘子上下两个表面处为应力边界条件，如下：

u＝0，u为位移边界条件；

应力边界条件，外部施加力为P；

其中：

nu＝f_nu(T)

E＝f_E(T)

ρ＝f_ρ(T)

其中nu、E、ρ分别为泊松比、杨氏模量、密度，f_nu(T)、f_E(T)、f_ρ(T)分别为泊松比、杨氏模量、密度随温度变化的函数；

在力学方程中，起作用的材料参数为泊松比、杨氏模量以及密度。

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