CN108875225A - 用于gis/gil中的绝缘子及其表面电场的调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于GIS/GIL中的绝缘子及其表面电场的调控方法，具体包括绝缘子本体形状的设计、内嵌电极尺寸的设计和外屏蔽电极的设计，以及绝缘子表面电场调控方法。采用不同形状的绝缘子配合不同尺寸的内嵌电极和外屏蔽电极结构，可得到不同特征分布的表面电场。通过改变内嵌电极的尺寸，可对绝缘子表面电场进行大范围调节，可得到稍不均匀场分布也可得到极不均匀场分布。本发明可实现表面电场的高精度调控，不仅可以改变表面总场强分布，也可以改变表面场强分量的分布，进而有效调控绝缘子的表面电场分布，具有操作简单、高效、可靠、便于推广等优点。

Description

用于GIS/GIL中的绝缘子及其表面电场的调控方法
技术领域
本发明属于气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、气体绝缘输电线路(GIL)绝缘结构设计技术领域，具体涉及一种用于GIS/GIL中的绝缘子及其表面电场的调控方法。
背景技术
SF6气体绝缘金属封闭开关设备(Gas-insulated switchgear，GIS)、气体绝缘输电线路(Gas insulated transmission line，GIL)具有占地面积小、受自然环境影响小、运行安全可靠、检修和维护周期长等优点，在国内外电力系统中得到了广泛应用。绝缘子是GIS/GIL中重要的部件，主要起到绝缘和机械支撑的作用，其表面闪络是GIS/GIL系统故障的主要形式之一，尤其在特高压GIS/GIL系统中，不明原因的绝缘子闪络事故时有发生。以往研究表明，表面电场分布是影响绝缘子闪络的重要因素。因此，探索不同电场分布绝缘子的闪络特性对优化GIS/GIL绝缘子结构，从而降低绝缘子故障率、保障GIS/GIL的长期稳定运行具有重要意义。
目前，GIS/GIL绝缘子的结构优化技术主要为基于数值计算的结构优化技术，主要目标是通过算法降低绝缘子表面电场最大值，提高表面电场分布的均匀度。但实际GIS/GIL绝缘子闪络的发生不仅与表面电场的最大值相关，与电场的分布特征也息息相关，数值计算方法不能有效模拟电场分布对绝缘子闪络特性的影响，因此有必要设计浇注出具有不同表面电场分布的绝缘子并通过实验研究表面电场分布对其绝缘性能的影响，从而对传统的数值计算结构优化技术进行补充。
发明内容
针对传统的基于数值计算的GIS/GIL绝缘子结构优化技术的不足，本发明提出了一种用于GIS/GIL中的绝缘子及其表面电场调控方法，以期为GIS/GIL的结构优化技术提供更多理论依据。
本发明所采用的技术方案是，一种用于GIS/GIL中的绝缘子表面电场的调控方法，所述方法包括如下步骤：
S1、根据绝缘子所需获得的表面电场分布情况，选择合适的绝缘子本体形状。
S2、根据绝缘子所需在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用，选择合适尺寸的内嵌电极。
S3、根据绝缘子在三结合点处高场强所需的抑制效果，选择合适的外屏蔽电极结构。
S4、根据选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构，建立模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，得到绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。
优选的，步骤S1中，所述绝缘子本体形状包括圆柱形、圆台形、凸面形、凹面形和波浪形。其中，所述圆柱形、圆台形、凸面形和凹面形的绝缘子本体适用于绝缘子所需获得较为均匀的表面电场分布情况，所述波浪形的绝缘子本体适用于绝缘子所需获得具有明显方向变化的表面电场分布情况。
优选的，步骤S2中，所述内嵌电极包括小尺寸内嵌电极和大尺寸内嵌电极。所述小尺寸内嵌电极为嵌件高度小于绝缘子高度的八分之一的内嵌电极；所述大尺寸内嵌电极为嵌件高度大于绝缘子高度的五分之一且小于绝缘子高度的三分之一的内嵌电极。其中，所述小尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用不明显，所述大尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用较明显。
优选的，步骤S3中，所述外屏蔽电极结构包括棒板电极、球板电极和板板电极。其中，所述棒板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果较弱，所述球板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果适中，所述板板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果最好。
优选的，所述步骤S4中，还包括根据实际需求对所选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构进行微调的步骤。对所选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构进行微调后再建立模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，得到更为理想的绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。
本发明还提供了一种用于GIS/GIL中的绝缘子，所述绝缘子包括绝缘子本体、内嵌电极和外屏蔽电极，所述绝缘子本体的形状为圆柱形、圆台形、凸面形、凹面形或波浪形中的一种，所述内嵌电极为小尺寸内嵌电极或大尺寸内嵌电极，所述小尺寸内嵌电极为嵌件高度小于绝缘子高度的八分之一的内嵌电极，所述大尺寸内嵌电极为嵌件高度大于绝缘子高度的五分之一且小于绝缘子高度的三分之一的内嵌电极。所述外屏蔽电极结构为棒板电极、球板电极或板板电极中的一种。
优选的，所述绝缘子本体的形状为圆柱形、圆台形、凸面形或凹面形中的一种时，所述绝缘子可获得较为均匀的表面电场分布，所述绝缘子本体的形状为波浪形时，所述绝缘子可获得具有明显方向变化的表面电场分布。
优选的，所述内嵌电极为小尺寸内嵌电极时，小尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用不明显，所述内嵌电极为大尺寸内嵌电极时，大尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用较明显。
优选的，所述外屏蔽电极结构为棒板电极时，所述棒板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果较弱，所述外屏蔽电极结构为球板电极时，所述球板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果适中，所述外屏蔽电极结构为板板电极时，所述板板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果最好。
优选的，内嵌电极结构为球头圆柱形或球头圆柱组成的旋转体结构。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：本发明是根据现有技术GIS/GIL中的绝缘子结构设计优化方法的缺失，提供的一种可有效调节绝缘子表面电场(包括切向电场和法向电场)的方法，并可根据实际需求，选择不同的绝缘子形状配合结构尺寸合适的内嵌电极和外屏蔽电极，得到所需电场分布的绝缘子。本发明绝缘子及调控方法可实现对GIS/GIL内自由导电微粒的有效检测，具有操作简单、高效、可靠、便于推广等优点。
附图说明
图1是现有技术中给定的绝缘子结构示意图；
图中，代表材质为铝，代表材质为环氧；
图2是图1中所示绝缘子的表面电场分布图；
图3是本发明一个实施例提供的绝缘子A的结构示意图；
图4是图3中所示绝缘子A的表面电场分布图；
图5是本发明另一实施例提供的绝缘子B的结构示意图；
图6是图5中所示绝缘子B的表面电场分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1至6及实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明提出的一种用于GIS/GIL中的绝缘子及其表面电场调控方法，本具体实施方式的调控目的是获得两种不同表面分布的绝缘子结构。给定绝缘子与其表面电场分布如图1、图2所示，需要通过结构设计得到满足如下要求的电场分布的绝缘子：首先，需要两种绝缘子在三结合点处的高场强都得到有效抑制；其次，需要其中一种绝缘子A具有较均匀的表面电场分布，表面电场方向变化较小，另一种绝缘子B需要表面电场有明显的方向变化；最后，需要绝缘子A具有较小的表面法向分量，绝缘子B具有较大的表面法向分量。下面分别对获得的两种绝缘子(绝缘A和绝缘子B)及其表面电场调控方法进行详细说明。
实施例1，所述绝缘子A需要具有较均匀的表面电场分布，表面电场方向变化较小，具有较小的表面法向分量，且绝缘子在三结合点处的高场强需得到有效抑制，该绝缘子A的结构的获得及其表面电场调控方法如下：
S1、确定绝缘子本体形状。圆柱形、圆台形、凸面形或凹面形绝缘子都可以获得较为均匀的表面电场分布，据此，初步确定绝缘子A为凸面结构。
S2、确定内嵌电极大小。小尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用不明显，据此，选择绝缘子A采用小尺寸内嵌电极。
S3、确定外屏蔽电极结构。板板电极对三结合点处的高场强具有显著的抑制作用，有助于获得均匀电场分布。据此，选择板板电极作为绝缘子A的外屏蔽电极结构。
S4、根据确定的绝缘子结构(绝缘子A为采用小尺寸内嵌电极、板板外屏蔽电极结构的凸面绝缘子)，建立几何模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，得到绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。本实施例获得的绝缘子A的结构示意图及其表面电场分布结果如图3、图4所示。
进一步的，根据实际需求对所选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构进行微调后再建立模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，可得到更为理想的绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。
实施例2，所述绝缘子B需要表面电场有明显的方向变化，表面电场方向变化较大，具有较大的表面法向分量，且绝缘子在三结合点处的高场强需得到有效抑制，该绝缘子B的结构的获得及其表面电场调控方法如下：
S1、确定绝缘子本体形状。波浪型绝缘子可以获得具有明显方向变化的表面电场，据此，确定绝缘子B为波浪型结构。
S2、确定内嵌电极大小。大尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用很明显，据此，选择绝缘子B采用大尺寸内嵌电极。
S3、确定外屏蔽电极结构。板板电极对三结合点处的高场强具有显著的抑制作用，有助于获得均匀电场分布。据此，选择板板电极作为绝缘子B的外屏蔽电极结构。
S4、根据确定的绝缘子结构(绝缘子B为采用大尺寸内嵌电极、板板外屏蔽电极结构的波浪型绝缘子)，建立几何模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，得到绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。本实施例获得的绝缘子B的结构示意图及其表面电场分布结果如图5、图6所示。
进一步的，根据实际需求对所选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构进行微调后再建立模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，可得到更为理想的绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。
实施例3.本发明提供的一种用于GIS/GIL中的绝缘子，所述绝缘子包括绝缘子本体、内嵌电极和外屏蔽电极，所述绝缘子本体的形状为圆柱形、圆台形、凸面形、凹面形或波浪形中的一种。所述内嵌电极为小尺寸内嵌电极或大尺寸内嵌电极，所述小尺寸内嵌电极为嵌件高度(嵌入深度)小于绝缘子高度的八分之一的内嵌电极，所述大尺寸内嵌电极为嵌件高度(嵌入深度)大于绝缘子高度的五分之一且小于绝缘子高度的三分之一的内嵌电极。所述外屏蔽电极结构为棒板电极、球板电极或板板电极中的一种。
当所述绝缘子本体的形状为圆柱形、圆台形、凸面形或凹面形中的一种时，所述绝缘子可获得较为均匀的表面电场分布。当所述绝缘子本体的形状为波浪形时，所述绝缘子可获得具有明显方向变化的表面电场分布。
当所述内嵌电极为小尺寸内嵌电极时，小尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用不明显。当所述内嵌电极为大尺寸内嵌电极时，大尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用较明显。
当所述外屏蔽电极结构为棒板电极时，所述棒板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果较弱。当所述外屏蔽电极结构为球板电极时，所述球板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果适中。当所述外屏蔽电极结构为板板电极时，所述板板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果最好。
优选的，所述内嵌电极结构为球头圆柱形或球头圆柱组成的旋转体结构(即轴对称结构)。
综上可见，本发明提供的一种用于GIS/GIL中的绝缘子及其表面电场调控方法，具体包括了绝缘子本体形状的设计、内嵌电极的设计和外屏蔽电极的设计，以及绝缘子表面电场调控方法。采用不同形状的绝缘子配合不同尺寸的内嵌电极和外屏蔽电极结构，可得到不同特征分布的表面电场。通过改变内嵌电极的尺寸，可对绝缘子表面电场进行大范围调节，可得到稍不均匀场分布也可得到极不均匀场分布。本发明可实现表面电场的高精度调控，不仅可以改变表面总场强分布，也可以改变表面场强分量的分布，进而有效调控绝缘子的表面电场分布，可用于研究GIS/GIL绝缘子表面电场分布对其绝缘特性的影响研究中，能够对实际工程中特高压GIS/GIL设备绝缘件进行设计及优化改进，具有简单、高效、易推广的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不能因此而理解为对本发明范围的限制，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于GIS/GIL中的绝缘子表面电场的调控方法，所述方法包括如下步骤：
S1、根据绝缘子所需获得的表面电场分布情况，选择合适的绝缘子本体形状；
S2、根据绝缘子所需在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用，选择合适尺寸的内嵌电极；
S3、根据绝缘子在三结合点处高场强所需的抑制效果，选择合适的外屏蔽电极结构；
S4、根据选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构，建立几何模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，得到绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。
2.根据权利要求1所述的绝缘子表面电场的调控方法，其特征在于，优选的，步骤S1中，所述绝缘子本体形状包括圆柱形、圆台形、凸面形、凹面形和波浪形；其中，
所述圆柱形、圆台形、凸面形和凹面形的绝缘子本体适用于绝缘子所需获得较为均匀的表面电场分布情况；
所述波浪形的绝缘子本体适用于绝缘子所需获得具有明显方向变化的表面电场分布情况。
3.根据权利要求1所述的绝缘子表面电场的调控方法，其特征在于，
步骤S2中，所述内嵌电极包括小尺寸内嵌电极和大尺寸内嵌电极；所述小尺寸内嵌电极为嵌件高度小于绝缘子高度的八分之一的内嵌电极；所述大尺寸内嵌电极为嵌件高度大于绝缘子高度的五分之一且小于绝缘子高度的三分之一的内嵌电极；其中，
所述小尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用不明显；
所述大尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用较明显。
4.根据权利要求3所述的绝缘子表面电场的调控方法，其特征在于，
步骤S3中，所述外屏蔽电极结构包括棒板电极、球板电极和板板电极；其中，
所述棒板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果较弱；
所述球板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果适中；
所述板板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果最好。
5.根据权利要求1所述的绝缘子表面电场的调控方法，其特征在于，
所述步骤S4中，还包括根据实际需求对所选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构进行微调的步骤；对所选择的绝缘子本体形状、内嵌电极尺寸和外屏蔽电极结构进行微调后再建立模型，并采用有限元或模拟电荷法对绝缘子表面电场分布进行计算，得到更为理想的绝缘子表面电场与其切、法向分量的分布结果。
6.一种用于GIS/GIL中的绝缘子，其特征在于，所述绝缘子包括绝缘子本体、内嵌电极和外屏蔽电极，所述绝缘子本体的形状为圆柱形、圆台形、凸面形、凹面形或波浪形中的一种；所述内嵌电极为小尺寸内嵌电极或大尺寸内嵌电极，所述小尺寸内嵌电极为嵌件高度小于绝缘子高度的八分之一的内嵌电极，所述大尺寸内嵌电极为嵌件高度大于绝缘子高度的五分之一且小于绝缘子高度的三分之一的内嵌电极；所述外屏蔽电极结构为棒板电极、球板电极或板板电极中的一种。
7.根据权利要求6所述的绝缘子，其特征在于，所述绝缘子本体的形状为圆柱形、圆台形、凸面形或凹面形中的一种时，所述绝缘子可获得较为均匀的表面电场分布；所述绝缘子本体的形状为波浪形时，所述绝缘子可获得具有明显方向变化的表面电场分布。
8.根据权利要求6所述的绝缘子，其特征在于，所述内嵌电极为小尺寸内嵌电极时，小尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用不明显；所述内嵌电极为大尺寸内嵌电极时，大尺寸内嵌电极对绝缘子在三结合点处高场强的降低及绝缘子表面场强的增大作用较明显。
9.根据权利要求6所述的绝缘子，其特征在于，所述外屏蔽电极结构为棒板电极时，所述棒板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果较弱；所述外屏蔽电极结构为球板电极时，所述球板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果适中；所述外屏蔽电极结构为板板电极时，所述板板电极对绝缘子在三结合点处高场强的抑制效果最好。
10.根据权利要求6所述的绝缘子，其特征在于，所述内嵌电极结构为球头圆柱形或球头圆柱组成的旋转体结构。
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