CN113470907B - 一种gis/gil支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，利用变密度或水平集算法求解支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电参数的最优空间分布；利用图像分割算法提取出高介电区域的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸。考虑浇注后制件的机械性能及界面粘结强度引入介电功能梯度材料分布，完善高介电区域制件的结构设计，并通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用3D打印完成制件的制造。最后，将高介电制件放入传统环氧浇注金属模具中，浇注热固化环氧树脂完成支撑绝缘子的制造。

Description

一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法
技术领域
本发明属于高电压电力设备设计制造技术领域，具体涉及一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法。
背景技术
气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)因其占地面积小，运行环境稳定等优点，广泛应用于超、特高压变电站中。而气体绝缘管道输电(Gas InsulatedTransmission Line,GIL)作为一种新型的先进输电方式，具有输送容量大、传输损耗小、安全性高等优点，常作为架空线路的替代方案，应用于特殊的输电环境中。
在GIS/GIL设备生产、安装阶段，不可避免地会在管道内部引入金属微粒，这些金属微粒在重力、电场力、洛伦兹力的作用下，会聚集在GIS/GIL中支撑绝缘子靠近法兰侧的气隙当中，由于气隙中电场强度较高，金属微粒的存在会严重畸变电场，超过SF6的耐受场强，引发局部放电乃至沿面闪络，造成电网安全事故。目前，抑制金属微粒的常规方法包括金属表面覆膜、设置微粒捕捉陷阱、法兰处设置R弧型金属屏蔽阻碍等。金属表面覆膜即通过外壳内表面涂胶或涂覆绝缘介质，可以降低微粒的带电量，从而可以防止微粒浮起，因而得到了广泛应用。但是,由于GIS/GIL内部电场分布为稍不均匀场，微粒即使不带电，微粒在电场梯度力的作用下也会向电场较强的区域运动，导致微粒浮起或附着到绝缘子表面。微粒陷阱法是在金属管道内部放置带有矩形槽的同轴金属微粒捕捉器，一旦微粒掉入陷阱中，由于上下高度差，微粒获得的能量无法使其脱陷，从而达到抑制金属微粒的目的。但这种方法一方面减小了绝缘距离，降低了设计裕度，另一方面引入额外的金属部件会与管道内壁发生摩擦，带来产生额外金属微粒的风险。法兰处设置R弧型金属屏蔽可以阻碍金属微粒运动到支撑绝缘子的两侧气隙内，但这种方法一方面带来了额外的加工流程，且难以阻碍微米级别微粒的运动。因此，全面有效的金属微粒抑制手段已经成为GIS/GIL设备发展的瓶颈。
通过改变材料介电参数空间分布可以主动调控电场，从而均化沿面电场分布或降低某区域内的电场强度。数值仿真手段可以实现物理过程的可视化和物理量的精确量化，优化绝缘配合和电气设计，如何通过数值模拟实现绝缘结构的高效优化设计是制造高性能盆式绝缘子的关键所在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，采用精细化仿真设计结合高精度3D打印技术，可在支撑绝缘子法兰侧形成金属微粒的屏蔽区域，从而抑制局部放电的产生，保障设备的安全稳定运行。
本发明采用以下技术方案：
一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，包括以下步骤：
S1、以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，根据拓扑优化方法求解支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电参数的最优空间分布；
S2、根据步骤S1计算得到的最优空间分布结果，采用图像分割算法提取优化得到的高介电区域光滑的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸；
S3、引入介电功能梯度材料分布，并结合步骤S2获得的高介电区域几何形状CAD图纸，通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用3D打印完成高介电制件；
S4、将步骤S3制造的高介电制件内嵌到热固化浇注成型的环氧树脂GIS/GIL支撑绝缘子中的指定位置，抑制绝缘子法兰侧的电场畸变形成金属微粒的屏蔽区域，抑制由金属微粒引起的局部放电的发生。
具体的，步骤S1中，设计变量ε(r,z),(r,z)∈Ω1，得到优化目标f如下：
Figure BDA0003129821690000031
其中，Ω1为介电参数设计可行域，Ω2为优化目标区域1，Ω3为优化目标区域2；Cref为电场积分项中优化分量的归一化参数；A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度；q为权重系数，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域。
进一步的，约束条件为：
Figure BDA0003129821690000032
0＜m＜10,0＜ρi＜1,0≤q≤10
Figure BDA0003129821690000033
其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限，m为密度函数形状控制系数，ρi为第i个网格内的材料密度。
具体的，步骤S2中，采用图像分割算法提取高介电区域光滑的几何轮廓具体为：
Figure BDA0003129821690000034
其中，F1(C)为优化目标，u0为图像的灰度值，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径，α、β和λ分别为优化目标中正的系数，C'(s)为参数化曲线的一阶导数，C”(s)为参数化曲线的二阶导数。
具体的，步骤S3中，制备高介电复合材料具体为：
通过高介电填料与聚合物共混制备复合材料；材料调制完成后，利用3D打印制造高介电制件。
进一步的，3D打印工艺为光固化3D打印或熔融堆积3D打印。
具体的，步骤S4中，将环氧树脂与氧化铝粉体混合，然后加入固化剂，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在120～130℃固化处理18～25h，最后将支撑绝缘子随炉冷却至室温，将高介电制件嵌入到支撑绝缘子中。
进一步的，环氧树脂：固化剂：氧化铝粉体的质量分数比为100：38：(300～320)。
进一步的，环氧树脂与氧化铝粉体在110～120℃、真空度为1～2mbar的环境下共混1～2小时，然后加入固化剂。
更进一步的。固化剂加入前，先将固化剂在温度90～100℃，真空度10～15mbar的环境下放置30～40分钟。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，采用的拓扑优化算法，将设计区域离散化，通过建立介电参数与材料虚拟密度的关系构建优化数学模型，能够快速优化出用于抑制法兰处电场的高介电制件的几何结构雏形，在法兰处形成屏蔽金属微粒的低电场区域。进一步地，采用图像分割算法，将拓扑优化得到介电参数分布转换为图像的灰度，利用图像灰度梯度差异得到平滑的几何边界，生成可用于3D打印的原始文件；采用3D打印制备高介电制件，一方面能够快速实现复杂优化结构的快速、高精度的生产制造，另一方面聚合物材料本身与支撑绝缘子所用环氧树脂相容性好，界面粘结强度高。
进一步的，设计变量为支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电常数空间分布，优化目标f的第一和第二分量为电场控制项，用于降低法兰侧气隙内的电场强度，使得优化方向朝着降低局部区域电场强度、形成电场屏蔽区的方向进行。优化目标f的第一和第二分量为梯度惩罚项，用于控制算法的收敛速度和算法稳定性，合适的权重参数q能够得到边界较为清晰、且内部无孔洞的高介电区域形状，从而避免出现“棋盘格”等数值不稳定现象。
进一步的，约束条件的第一分量建立了材料虚拟密度(其取值可在0～1范围内变化)与介电参数的关系，通过优化材料密度即可得到介电常数的空间分布，约束条件的第二分量限定了系数m和q的合理取值范围，可缩小求解范围，节省计算时间。约束条件的第三分量规定了高介电区域的面积不超过整个设计区域面积的0.6，使得优化结果能够以最低的高介电材料实现最优的电场调控效果。
进一步的，通过拓扑优化得到的结构边界通常不够清晰，无法直接用于3D打印文件的生成，采用图像分割算法，利用介电参数分布灰度的差异，提取出边界较为平滑的几何轮廓，能够为后续的3D打印提供边界光滑的打印文件。
进一步的，为了实现优化得到的复合结构高介电区域的制造，采用成型精度高、缺陷少的光固化3D打印(SLA工艺)或熔融堆积3D打印(FDM工艺)技术，在打印之前，需按照优化结果，配制高介电参数的复合材料，采用碳纳米管、石墨烯等导电填料与聚合物复合，一方面可以使用极少的添加量即可实现较高的介电常数提升，另外，由于碳材料本身较轻，复合材料不存在粘度变化大的问题，能够保证打印过程的稳定性。
进一步的，将打印制得的高介电制件内嵌至支撑绝缘子内需要注意浇注过程的兼容性，在本发明设置的固化条件下，预热良好的高介电制件能够充分与环氧树脂浸润，反应过程中热效应较为平衡，不会造成两者界面出现开裂等问题，显著提高界面强度。
综上所述，本发明提出了一种有效、可靠的GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法。一方面，可以简化现有的绝缘结构，省略掉加工制造难度大、且费时费力的“R弧”型金属屏蔽，另一方面，通过拓扑优化结合3D打印可制造出形状复杂、法兰处电场控制效果理想的高介电制件，可在支撑绝缘子法兰侧形成金属微粒的屏蔽区域。将高介电制件内嵌入传统环氧浇注支撑绝缘子内部，所采用的工艺能够保证两者界面相容性好，从而提高长期运行可靠性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明实施案例，其中，(a)为110kV支撑绝缘子建模过程，(b)为550kV支撑绝缘子建模过程，(c)为110kV支撑绝缘子高介电常数分布，(d)为550kV支撑绝缘子高介电常数分布，(e)为110kV支撑绝缘子高介电区域提取，(f)为550kV支撑绝缘子高介电区域提取。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，采用拓扑优化理论，以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，利用变密度或水平集算法求解支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电参数的最优空间分布；根据优化结果，利用图像分割算法提取出高介电区域的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸；考虑浇注后制件的机械性能及界面粘结强度引入介电功能梯度材料分布，进一步完善高介电区域制件的结构设计，并通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用光固化3D打印(SLA工艺)或熔融堆积3D打印(FDM工艺)完成制件的制造，随后将高介电制件放入传统环氧浇注金属模具中，浇注热固化环氧树脂完成支撑绝缘子的制造。
请参阅图1，本发明一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，包括以下步骤：
S1、支撑绝缘子法兰侧介电参数分布优化；
采用拓扑优化理论，以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，优化问题的数学描述如下：
设计变量：ε(r,z),(r,z)∈Ω1
优化目标：
Figure BDA0003129821690000081
约束条件：
Figure BDA0003129821690000082
0＜m＜10,0＜ρi＜1,0≤q≤10
Figure BDA0003129821690000083
其中，Ω1为介电参数设计可行域，Ω2指优化目标区域，设计变量为设计可行域Ω1内任一网格中的介电常数，优化目标分为两部分，f1为电场积分项，用于降低优化目标区域Ω2内的电场模值。Cref为f1中优化分量的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而提高算法的收敛速度。f2为梯度惩罚项，用于防止出现“棋盘格”等数值不稳定现象，提高优化得到高介电绝缘结构的制造可行性，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度(取值范围为0～1)。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。
在实际的计算过程中，为了得到清晰的边界，经过优化选取后，m取值范围为1-3(且为整数)，q为0～1。约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限。为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的0.6倍以下，并把不等式的中间项除以0.6后定义为密度利用率，其取值范围为0～1。
S2、绝缘内部高介电区域外形轮廓提取及形状设计；
根据步骤S1的优化结果，采用图像分割算法，提取高介电区域光滑的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸。
优化目标F1(C)为：
Figure BDA0003129821690000091
其中，u0为图像的灰度值，将整个二维图像二维坐标归一化至0～1，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径。通过该曲线的演变寻找出图像灰度的边界。α、β和λ分别为优化目标中正的系数，前两项控制曲线的平滑程度，第三项驱动轮廓曲线收敛至图片中灰度差异大的区域边界上。
通过水平集算法计算上述优化问题，得到了高介电区域平滑且清晰的边界轮廓。并设计其三维形状、生成CAD文件用于后续的3D打印。
S3、高介电区域3D打印；
考虑浇注后制件的机械性能及界面粘结强度引入介电功能梯度材料分布，进一步完善高介电区域制件的结构设计，并通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用光固化3D打印(SLA工艺)或熔融堆积3D打印(FDM工艺)完成制件的制造。
首先通过碳纳米管、氟化碳纳米管、石墨烯等导电或半导电碳填料与聚合物(SLA工艺为光敏树脂、FDM工艺为ABS塑料)共混制备复合材料。如下表所示，材料性能参数列表中，括号外为基体是纯ABS聚合物的数据，括号内为基体是纯光敏树脂聚合物的数据。可以看出，随着碳材料添加量的提高，复合材料介电常数和电导率逐渐提高，并且复合材料的界面抗冲击强度更好，有利于设备的长期稳定运行。
Figure BDA0003129821690000101
Figure BDA0003129821690000111
Figure BDA0003129821690000121
复合材料制备完成后，利用光固化3D打印(SLA工艺，基体为纯光敏树脂聚合物)或熔融堆积3D打印(FDM工艺，基体为纯ABS聚合物)，按照上表中所示的数据，寻找与优化得到的介电参数分布相接近的填料含量和填料类型。并采用相应的制造工艺完成高介电制件的3D打印。
S4、金属模具内组装及环氧树脂浇注成型。
将高介电制件放入传统环氧浇注金属模具中，浇注热固化环氧树脂完成支撑绝缘子的制造。
将步骤S3中制得的高介电制件放入传统环氧浇注金属模具中并在90℃的条件下进行热备用，随后浇注热固化环氧树脂，完成支撑绝缘子的制造。
环氧树脂、固化剂、氧化铝粉体的质量分数比为100：38：(300～320)，固化剂首先在温度90～100℃，真空度10～15mbar的环境下放置30～40分钟进行预热；
环氧树脂与氧化铝粉体在110～120℃、真空度:1～2mbar的环境下共混1～2个小时后，再与固化剂共混，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在130℃烘箱内后固化18～25h。将支撑绝缘子移出烘箱前，随炉缓慢冷却至室温，从而得到嵌有高介电制件的支撑绝缘子。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：110kV盘式支撑绝缘子
1)支撑绝缘子法兰侧介电参数分布优化
110kV盘式支撑绝缘子的二维轴对称结构如图2(a)所示，以优化介电常数为例，支撑绝缘子根部Ω1区域为设计可行域，箭头所指区域为优化目标区域Ω2和Ω3，优化问题的数学描述如式1，设计变量为设计可行域Ω1内任一网格中的介电常数，优化目标分为两部分，f1为电场积分项，用于降低优化目标区域Ω2和Ω3内的电场模值。Cref1和Cref2分别为f1中两优化分量的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而提高算法的收敛速度。f2为梯度惩罚项，用于防止出现“棋盘格”等数值不稳定现象，提高优化得到高介电绝缘结构的制造可行性。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度(取值范围为0～1)。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。在实际的计算过程中，为了得到清晰的边界，经过优化选取后，m取值为2，q为0.01。约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限。为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的0.6倍以下，并把不等式的中间项除以0.6后定义为密度利用率。
Figure BDA0003129821690000141
2)绝缘内部高介电区域外形轮廓提取及形状设计
通过移动渐近线算法求解上述的变密度拓扑优化问题，优化得到的高介电区域的几何轮廓如图2(c)所示，在绝缘子法兰侧形成了几何结构复杂、边界轮廓模糊的高介电常数区域。为了得到高介电区域清晰的几何结构和三维模型，采用图像分割算法，提取高介电区域光滑的几何轮廓，计算的数学模型如式2所示，F1(C)为优化目标，u0为图像的灰度值，将整个二维图像二维坐标归一化至0～1，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径。通过该曲线的演变寻找出图像灰度的边界。α、β和λ分别为优化目标中正的系数，前两项控制曲线的平滑程度，第三项驱动轮廓曲线收敛至图片中灰度差异大的区域边界上。
Figure BDA0003129821690000142
通过水平集算法计算上述优化问题，得到了高介电区域平滑且清晰的边界轮廓。并设计其三维形状、生成CAD文件用于后续的光固化3D打印，设计结果如图2(e)所示，分为上下两个高介电环，中间通过局部支撑结构实现连接。
3)高介电区域3D打印
为了实现高介电光固化材料的制备，同时降低光敏树脂固化成型后的脆性，采用氟化碳纳米管作为填料，提高复合材料的抗冲击特性，填料质量分数为0.6％，复合材料经高速分散后制得均匀的复合浆料，采用355nm的工业级立体光固化3D打印设备(SLA工艺)，曝光能量范围为100mW/cm2，完成图2(e)所示制件的制造。
4)金属模具内组装及环氧树脂浇注成型
将步骤3制得的高介电制件放入110kV盘式支撑绝缘子浇注模具的相应位置当中，然后将热固化型环氧树脂倒入完成浇注。具体地，环氧树脂、固化剂、氧化铝填料的质量分数比为100:38:300～320，固化剂首先在温度约90℃，真空度约10mbar的环境下放置30分钟；环氧树脂与氧化铝粉体在110℃、真空度:2mbar的环境下共混1个小时后，再与固化剂共混，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在130℃烘箱内后固化25h。将支撑绝缘子移出烘箱前，随炉缓慢冷却至室温，从而得到嵌有高介电制件的支撑绝缘子。
比较支撑绝缘子内嵌高介电制件前后的耐局放和闪络特性，在法兰侧放置粒径约为50μm的金属微粒粉尘，在工频试验电压下，未嵌有高介电制件的绝缘子128kV下即出现了局部放电信号，并且闪络电压仅为145kV；相比而言，在支撑绝缘子内部内嵌高介电制件后，绝缘子出现局部放电信号的电压值为254kV，并且闪络电压可达408kV。这说明本发明说提出的方法对于盘式绝缘子而言，具有优越的局部放电抑制作用，从而提高了设备的运行可靠性。
实施例2：110kV盆式支撑绝缘子
1)支撑绝缘子法兰侧介电参数分布优化
110kV盘式支撑绝缘子以优化介电常数为例，支撑绝缘子根部Ω1区域为设计可行域，箭头所指区域为优化目标区域Ω2和Ω3，优化问题的数学描述如式3，设计变量为设计可行域Ω1内任一网格中的介电常数，优化目标分为两部分，f1为电场积分项，用于降低优化目标区域Ω2和Ω3内的电场模值。Cref1和Cref2分别为f1中两优化分量的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而提高算法的收敛速度。f2为梯度惩罚项，用于防止出现“棋盘格”等数值不稳定现象，提高优化得到高介电绝缘结构的制造可行性。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。在实际的计算过程中，为了得到清晰的边界，经过优化选取后，m取值为2，q为0.01。约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限。为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的0.6倍以下，并把不等式的中间项除以0.6后定义为密度利用率。
Figure BDA0003129821690000161
2)绝缘内部高介电区域外形轮廓提取及形状设计
通过移动渐近线算法求解上述的变密度拓扑优化问题，优化得到的高介电区域的几何轮廓如图2(c)所示，在绝缘子法兰侧形成了几何结构复杂、边界轮廓模糊的高介电常数区域。为了得到高介电区域清晰的几何结构和三维模型，采用图像分割算法，提取高介电区域光滑的几何轮廓，计算的数学模型如式2所示，F1(C)为优化目标，u0为图像的灰度值，将整个二维图像二维坐标归一化至0～1，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径。通过该曲线的演变寻找出图像灰度的边界。α、β和λ分别为优化目标中正的系数，前两项控制曲线的平滑程度，第三项驱动轮廓曲线收敛至图片中灰度差异大的区域边界上。
Figure BDA0003129821690000171
通过水平集算法计算上述优化问题，得到了高介电区域平滑且清晰的边界轮廓。并设计其三维形状、生成CAD文件用于后续的光固化3D打印，设计结果如图2(e)所示，分为上下两个高介电环，中间通过局部支撑结构实现连接。
3)高介电区域3D打印
为了实现高介电制件的制备，同时满足成型尺寸及介电常数上下限的要求，采用石墨烯作为填料，提高复合材料的抗冲击特性以及介电常数，填料质量分数为0.5％，复合材料经高速分散后制得均匀的复合材料线材，采用熔融堆积3D打印设备(FDM工艺)，完成图2(e)所示制件的制造。
4)金属模具内组装及环氧树脂浇注成型
将步骤3制得的高介电制件放入110kV盘式支撑绝缘子浇注模具的相应位置当中，然后将热固化型环氧树脂倒入完成浇注。具体地，环氧树脂、固化剂、氧化铝填料的质量分数比为100:38:300～320，固化剂首先在温度约100℃，真空度约5mbar的环境下放置20分钟；环氧树脂与氧化铝粉体在120℃、真空度:4mbar的环境下共混2个小时后，再与固化剂共混，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在120℃烘箱内后固化20h。将支撑绝缘子移出烘箱前，随炉缓慢冷却至室温，从而得到嵌有高介电制件的支撑绝缘子。
比较支撑绝缘子内嵌高介电制件前后的耐局放和闪络特性，在法兰侧放置粒径约为50μm的金属微粒粉尘，在工频试验电压下，未嵌有高介电制件的绝缘子139kV下即出现了局部放电信号，并且闪络电压仅为164kV；相比而言，在支撑绝缘子内部内嵌高介电制件后，绝缘子出现局部放电信号的电压值为271kV，并且闪络电压可达454kV。这说明本发明说提出的方法对于盘式绝缘子而言，具有优越的局部放电抑制作用，从而提高了设备的运行可靠性。
实施例3：550kV盆式支撑绝缘子
1)支撑绝缘子法兰侧介电参数分布优化
550kV盆式支撑绝缘子的二维轴对称结构如图2(b)所示，以优化介电常数为例，支撑绝缘子根部Ω1区域为设计可行域，箭头所指区域为优化目标区域Ω2，优化问题的数学描述如式5，设计变量为设计可行域Ω1内任一网格中的介电常数，优化目标分为两部分，f1为电场积分项，用于降低优化目标区域Ω2和Ω3内的电场模值。Cref为f1中两优化分量的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而提高算法的收敛速度。f2为梯度惩罚项，用于防止出现“棋盘格”等数值不稳定现象，提高优化得到高介电绝缘结构的制造可行性。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度；权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。在实际的计算过程中，为了得到清晰的边界，经过优化选取后，m取值为3，q为2。约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限。为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的0.6倍以下，并把不等式的中间项除以0.6后定义为密度利用率，其取值范围为0～1。
Figure BDA0003129821690000191
2)绝缘内部高介电区域外形轮廓提取及形状设计
通过移动渐近线算法求解上述的变密度拓扑优化问题，优化得到的高介电区域的几何轮廓如图2(d)所示，在绝缘子法兰侧形成了几何结构复杂、边界轮廓模糊的高介电常数区域。为了得到高介电区域清晰的几何结构和三维模型，采用图像分割算法，提取高介电区域光滑的几何轮廓，计算的数学模型如式6所示，F1(C)为优化目标，u0为图像的灰度值，将整个二维图像二维坐标归一化至0～1，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径。通过该曲线的演变寻找出图像灰度的边界。α、β和λ分别为优化目标中正的系数，前两项控制曲线的平滑程度，第三项驱动轮廓曲线收敛至图片中灰度差异大的区域边界上。
Figure BDA0003129821690000192
通过水平集算法计算上述优化问题，得到了高介电区域平滑且清晰的边界轮廓。并设计其三维形状、生成CAD文件用于后续的光固化3D打印，设计结果如图2(f)所示，分为上下两个高介电环，中间通过局部支撑结构实现连接。
3)高介电区域3D打印
为了实现高介电光固化材料的制备，同时降低光敏树脂固化成型后的脆性，采用碳纳米管作为填料，提高复合材料的抗冲击特性和介电常数，填料质量分数为0.5％，复合材料经高速分散后制得均匀的复合浆料，采用355nm的工业级立体光固化3D打印设备(SLA工艺)，曝光能量范围为45mW/cm2，完成图2(e)所示制件的制造。
4)金属模具内组装及环氧树脂浇注成型
将步骤3制得的高介电制件放入550kV盆式支撑绝缘子浇注模具的相应位置当中，然后将热固化型环氧树脂倒入完成浇注。具体地，环氧树脂、固化剂、氧化铝填料的质量分数比为100:38:300～320，固化剂首先在温度约95℃，真空度约15mbar的环境下放置40分钟；环氧树脂与氧化铝粉体在115℃、真空度:1mbar的环境下共混1.5个小时后，再与固化剂共混，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在125℃烘箱内后固化18h。将支撑绝缘子移出烘箱前，随炉缓慢冷却至室温，从而得到嵌有高介电制件的支撑绝缘子。
比较支撑绝缘子内嵌高介电制件前后的耐局放和闪络特性，在法兰侧放置粒径约为50μm的金属微粒粉尘，在工频试验电压下，未嵌有高介电制件的绝缘子217kV下即出现了局部放电信号，并且闪络电压仅为263kV；相比而言，在支撑绝缘子内部内嵌高介电制件后，绝缘子出现局部放电信号的电压值为521kV，并且闪络电压可达878kV。这说明本发明说提出的方法对于盆式绝缘子而言，具有优越的局部放电抑制作用，从而提高了设备的运行可靠性。
实施例4：550kV盆式支撑绝缘子
1)支撑绝缘子法兰侧介电参数分布优化
550kV盆式支撑绝缘子的二维轴对称结构如图2(b)所示，以优化介电常数为例，支撑绝缘子根部Ω1区域为设计可行域，箭头所指区域为优化目标区域Ω2，优化问题的数学描述如式7，设计变量为设计可行域Ω1内任一网格中的介电常数，优化目标分为两部分，f1为电场积分项，用于降低优化目标区域Ω2和Ω3内的电场模值。Cref为f1中两优化分量的归一化参数，使得初次计算过程中得到的数值为1，从而提高算法的收敛速度。f2为梯度惩罚项，用于防止出现“棋盘格”等数值不稳定现象，提高优化得到高介电绝缘结构的制造可行性。参数A、hmesh和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度。权重系数q用于调整f1和f2在总优化目标中的权重。在实际的计算过程中，为了得到清晰的边界，经过优化选取后，m取值为3，q为2。约束条件中，为了调整设计域内的介电常数，通过第一项约束条件所示的插值函数，建立人造材料密度与相应网格内介电常数之间的数学关系，其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限。为了减小材料特性发生变化的区域，降低制造难度，如约束条件的第3项所示，将高介电区域的面积限制在设计域面积的0.6倍以下，并把不等式的中间项除以0.6后定义为密度利用率，其取值范围为0～1。
Figure BDA0003129821690000211
2)绝缘内部高介电区域外形轮廓提取及形状设计
通过移动渐近线算法求解上述的变密度拓扑优化问题，优化得到的高介电区域的几何轮廓如图2(d)所示，在绝缘子法兰侧形成了几何结构复杂、边界轮廓模糊的高介电常数区域。为了得到高介电区域清晰的几何结构和三维模型，采用图像分割算法，提取高介电区域光滑的几何轮廓，计算的数学模型如式8所示，F1(C)为优化目标，u0为图像的灰度值，将整个二维图像二维坐标归一化至0～1，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径。通过该曲线的演变寻找出图像灰度的边界。α、β和λ分别为优化目标中正的系数，前两项控制曲线的平滑程度，第三项驱动轮廓曲线收敛至图片中灰度差异大的区域边界上。
Figure BDA0003129821690000221
通过水平集算法计算上述优化问题，得到了高介电区域平滑且清晰的边界轮廓。并设计其三维形状、生成CAD文件用于后续的光固化3D打印，设计结果如图2(f)所示，分为上下两个高介电环，中间通过局部支撑结构实现连接。
3)高介电区域3D打印
为了实现高介电材料的制备，采用氟化碳纳米管作为填料，提高复合材料的抗冲击特性和介电常数，填料质量分数为0.6％，基体为ABS聚合物，复合材料经高速分散后制得均匀的复合浆料，采用熔融堆积3D打印设备(FDM工艺)，完成图2(e)所示制件的制造。
4)金属模具内组装及环氧树脂浇注成型
将步骤3制得的高介电制件放入550kV盆式支撑绝缘子浇注模具的相应位置当中，然后将热固化型环氧树脂倒入完成浇注。具体地，环氧树脂、固化剂、氧化铝填料的质量分数比为100:38:300～320，固化剂首先在温度100℃，真空度12mbar的环境下放置35分钟；环氧树脂与氧化铝粉体在120℃、真空度:1mbar的环境下共混2个小时后，再与固化剂共混，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在130℃烘箱内后固化22h。将支撑绝缘子移出烘箱前，随炉缓慢冷却至室温，从而得到嵌有高介电制件的支撑绝缘子。
比较支撑绝缘子内嵌高介电制件前后的耐局放和闪络特性，在法兰侧放置粒径约为50μm的金属微粒粉尘，在工频试验电压下，未嵌有高介电制件的绝缘子217kV下即出现了局部放电信号，并且闪络电压仅为263kV；相比而言，在支撑绝缘子内部内嵌高介电制件后，绝缘子出现局部放电信号的电压值为541kV，并且闪络电压可达922kV。这说明本发明说提出的方法对于盆式绝缘子而言，具有优越的局部放电抑制作用，从而提高了设备的运行可靠性。
综上所述，本发明一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，在设计理念方面，通过材料设计替代传统的结构优化方法，可以优化绝缘子法兰处的生产制造工艺，避免引入额外的金属微粒。同时，通过高介电区域结构的引入，在支撑绝缘子法兰处的气隙中形成可以屏蔽金属微粒的低电场区域，从而抑制由于金属微粒引发的局部放电乃至沿面闪络的现象。在制造工艺方面，采用3D打印材料与碳材料共混制备复合材料后使用3D打印工艺制备出高介电制件，一方面制件本身具有优异的力学和热学性能，另一方面，利用3D打印灵活高效、可制备复杂结构的特点，进一步设计制件的几何形状提高界面粘接强度。将高介电制件放入传统浇注成型的模具中浇注形成支撑绝缘子，由于不改变传统的制造工艺，制造成本更低，同时机械性能能够得到保证。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，根据拓扑优化方法求解支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电参数的最优空间分布，设计变量ε(r,z),(r,z)∈Ω1，得到优化目标f如下：
Figure FDA0003614395370000011
其中，Ω1为介电参数设计可行域，Ω2为优化目标区域1，Ω3为优化目标区域2；Cref为电场积分项中优化分量的归一化参数，Cref1为优化目标区域1中电场积分项的归一化参数，Cref2为优化目标区域2中电场积分项的归一化参数，ρ2为介电参数设计可行域内网格剖分后的材料虚拟密度；A和hmesh分别为Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸；q为权重系数，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E1为优化目标区域1内的电场强度，E2为优化目标区域2内的电场强度，Ω为积分计算区域，约束条件为：
Figure FDA0003614395370000012
0＜m＜10,0＜ρi＜1,0≤q≤10
Figure FDA0003614395370000013
其中，εri、εmax和εmin分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限，m为密度函数形状控制系数，ρi为第i个网格内的材料密度；
S2、根据步骤S1计算得到的最优空间分布结果，采用图像分割算法提取优化得到的高介电区域光滑的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸，采用图像分割算法提取高介电区域光滑的几何轮廓具体为：
Figure FDA0003614395370000014
其中，F1(C)为优化目标，u0为图像的灰度值，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径，α、β和λ分别为优化目标中正的系数，C'(s)为参数化曲线的一阶导数，C”(s)为参数化曲线的二阶导数；
S3、引入介电功能梯度材料分布，并结合步骤S2获得的高介电区域几何形状CAD图纸，通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用3D打印完成高介电制件；
S4、将步骤S3制造的高介电制件内嵌到热固化浇注成型的环氧树脂GIS/GIL支撑绝缘子中的指定位置，抑制绝缘子法兰侧的电场畸变形成金属微粒的屏蔽区域，抑制由金属微粒引起的局部放电的发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，制备高介电复合材料具体为：
通过高介电填料与聚合物共混制备复合材料；调制完成后，利用3D打印制造高介电制件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，3D打印工艺为光固化3D打印或熔融堆积3D打印。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，将环氧树脂与氧化铝粉体混合，然后加入固化剂，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在120～130℃固化处理18～25h，最后将支撑绝缘子随炉冷却至室温，将高介电制件嵌入到支撑绝缘子中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，环氧树脂：固化剂：氧化铝粉体的质量分数比为100：38：(300～320)。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，环氧树脂与氧化铝粉体在110～120℃、真空度为1～2mbar的环境下共混1～2小时，然后加入固化剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，固化剂加入前，先将固化剂在温度90～100℃，真空度10～15mbar的环境下放置30～40分钟。
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