CN117649987A - 一种hvac gil用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HVAC GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法：首先基于迭代法实现介电梯度三支柱绝缘子介电常数分布设计，然后根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧树脂复合溶液，接着逐层浇筑各层环氧树脂复合溶液实现介电功能梯度三支柱绝缘子制备，最终实现三支柱绝缘子电场优化以及绝缘裕度提升。本发明采用介电功能梯度的概念实现三支柱绝缘子实现绝缘裕度提升。
Description
技术领域
本发明属于高电压设备制造领域，更具体的说，是涉及一种HVAC GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法。
背景技术
高压交流气体绝缘输电线路(HVAC GIL)是一种紧凑型金属封装输电设备，因其输电容量大、输电距离远、受环境影响小等优点在电力系统中得到广泛应用。在HVAC GIL中广泛使用的三支柱绝缘子主要起到绝缘与支撑高压导体的作用。三支柱绝缘子的绝缘性能在很大程度上决定了HVAC GIL的安全性和稳定性。然而，研究发现，绝缘子的电场畸变会引起绝缘击穿，这限制了HVAC GIL设备的发展和应用。。
发明内容
本发明的目的在于提升HVAC GIL用三支柱绝缘子绝缘裕度，提出了一种HVAC GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，基于迭代法实现介电梯度三支柱绝缘子介电常数分布设计，然后根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧树脂复合溶液，接着逐层浇筑各层环氧树脂复合溶液实现介电功能梯度三支柱绝缘子制备，最终实现三支柱绝缘子电场优化以及绝缘裕度提升。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明HVAC GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，基于COMSOL有限元仿真软件，以HVAC GIL用三支柱绝缘子为优化模型，以优化交流电场分布为目的，采用迭代算法自适应调整绝缘子各层的介电常数，以获得最优的介电常数分布；然后根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧复合溶液，利用逐层浇筑法实现介电梯度三支柱绝缘子制备，最终实现HVAC GIL用三支柱绝缘子绝缘裕度的提升；具体包括以下设计步骤：
第一步：设计介电常数梯度三支柱绝缘子介电常数分布
A1)利用COMSOL有限元仿真软件搭建HVAC GIL用三支柱绝缘子模型；
A2)将绝缘子沿径向r平均分为n层；
A3)设定交流电场优化目标Eobj和初始介电常数分布εr(r)＝εr0；其中Eobj为最优交流电场，εr(z)为介电常数分布，εr0为介电常数初始值，每层的体介电常数初始值均设定为εr0；
A4)利用每层介电常数计算交流电场下的三支柱绝缘子交流电场分布，获得绝缘子的最大交流电场Emax；
A5)判断Emax是否降低，若满足，则执行步骤A6)，否则执行步骤A10)；
A6)判断i是否小于或等于n，若满足，则执行步骤A7)，否则执行步骤A9)；
A7)根据下式迭代计算绝缘子每层介电常数：
其中，i代表绝缘子第i层；εri ′为第i层迭代后的介电常数；εri为第i层迭代前的介电常数；Ei为第i层的最大交流电场；εmax和εmin分别为介电常数的优化上限和下限；C是迭代系数，其初始值等于Eobj除以初始条件下的Emax；
A8)令i＝i+1，循环至步骤A6)；
A9)令i＝1，循环至步骤A4)；
A10)令C＝KC，K为调节系数；
A11)判断C是否小于或等于0.01，若满足，则执行步骤A12)，否则循环至步骤A6)；
A12)获得优化后的介电常数分布εr(r)和优化后的交流电场分布；
第二步：制备介电常数梯度三支柱绝缘子
B1)利用高介电填料和低介电填料调节环氧树脂复合材料介电常数，获得环氧树脂复合材料介电常数与填料体积分数的关系，根据第一步中设计的各层介电常数，获得每层材料所需的填料体积分数；
B2)将环氧树脂和固化剂按照100：38的比例进行混合，将混合溶液等分为n份，根据上述步骤B1)中的填料体积分数，向每份混合溶液中分别加入随层数变化的不同体积分数的填料，分别用搅拌器搅拌30min，真空箱真空脱泡1h后，获得填料比例不同的各层环氧树脂复合溶液；
B3)将三支柱绝缘子不锈钢模具中的空腔先用平均分割成n层的聚四氟材料填充；
B4)打开模具，取出第1层区域内的聚四氟材料，保留第1层空腔，安装模具后，将步骤B2)中制备完成的第1层环氧树脂复合溶液倒入第1层空腔内，然后将模具放入烤箱中，并在120℃下加热90min；
B5)待溶液成型后，打开模具，取出第2层区域内的聚四氟材料，保留第2层空腔，安装模具后，将步骤B2)中制备完成的第2层环氧树脂复合溶液倒入第2层空腔内，然后将模具放入烤箱中，并在120℃下加热90min；
B6)重复步骤B4)和B5)，直到加入第n层环氧树脂复合溶液后，将模具放入120℃的烤箱中，待固化10h以上后，打开模具，将绝缘子从模具中取出，切割下浇筑口处的环氧树脂，并对绝缘子表面打磨，最终获得介电常数梯度三支柱绝缘子。
进一步地，步骤A2)中所述绝缘子沿径向r平均分为n层，n取值范围为4～20。
进一步地，步骤A7)中所述介电常数的优化上限εmax取值范围为6～100，下限εmin取值范围为2～6。
进一步地，步骤B1)中所述高介电填料采用钛酸钡、钛酸锶、二氧化钛、二氧化硅、氧化铝中一种或几种。
进一步地，步骤B1)中所述低介电填料采用空心二氧化硅或空心氧化铝。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明HVAC GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，基于COMSOL有限元仿真软件，以HVAC GIL用三支柱绝缘子为优化模型，以优化交流电场分布为目的，采用迭代算法自适应调整绝缘子各层的介电常数，以获得最优的介电常数分布；然后根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧复合溶液，利用逐层浇筑法实现介电梯度三支柱绝缘子制备，最终实现HVAC GIL用三支柱绝缘子绝缘裕度的提升。
(2)本发明将材料学领域的介电功能梯度材料概念应用于电气领域，为了优化HVAC GIL中三支柱绝缘子的电场分布，实现三支柱绝缘子绝缘裕度提升，本发明提出了介电常数梯度三支柱绝缘子。本发明基于迭代法设计了介电常数梯度三支柱绝缘子的介电常数梯度分布，实现了HVAC GIL三支柱绝缘子电场调控，利用根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧复合溶液，逐层浇筑法实现介电常数梯度三支柱绝缘子制备，提升其绝缘击穿裕度，最终实现HVAC GIL运行稳定性。
附图说明
图1为本发明介电常数梯度三支柱绝缘子介电常数分布设计流程图。
图2(a)为本发明HVAC GIL用三支柱绝缘子模型正视图。
图2(b)为本发明HVAC GIL用三支柱绝缘子模型侧视图。
图3(a)为本发明优化前介电常数梯度三支柱绝缘子介电常数分布示意图。
图3(b)为本发明优化后介电常数梯度三支柱绝缘子介电常数分布示意图。
图3(c)为本发明优化后介电常数梯度三支柱绝缘子介电常数分布曲线图。
图4为本发明优化前后介电常数梯度三支柱绝缘子交流电场分布对比图；
其中，4(a)为优化前，4(b)为优化后。
图5为本发明环氧树脂复合材料介电常数与TiO2、H-SiO2填料体积分数的关系示意图。
图6为本发明介电常数梯度三支柱绝缘子的浇筑过程示意图。
附图标记：101-三支柱绝缘子，102-外壳，103-导体，104-金属嵌件，201-套筒，202-浇筑口，203-聚四氟材料，204-空腔，205-模具，206-环氧树脂复合材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明目的在于提升HVAC GIL用三支柱绝缘子绝缘裕度。基于介电常数梯度优化设计，优化三支柱绝缘子电场分布；然后利用梯度浇筑设备，进而研制出介电梯度三支柱绝缘子，最终实现HVAC GIL用三支柱绝缘子绝缘裕度的提升。
本专利涉及一种用于新型高压交流气体绝缘输电线路(HVAC GIL)的介电功能梯度材料三支柱绝缘子介电常数梯度分布参数设计方法与制备方法，提高HVAC GIL设备运行的稳定性与电力系统的安全可靠性。
本发明HVAC GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，基于COMSOL有限元仿真软件，以HVAC GIL用三支柱绝缘子为优化模型，以优化交流电场分布为目的，采用迭代算法自适应调整绝缘子各层的介电常数，以获得最优的介电常数分布；然后根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧复合溶液，利用逐层浇筑法实现介电梯度三支柱绝缘子制备，最终实现HVAC GIL用三支柱绝缘子绝缘裕度的提升；具体包括以下设计步骤：
第一步：设计介电常数梯度三支柱绝缘子介电常数分布，如图1所示。
A1)利用COMSOL有限元仿真软件(如COMSOL Multiphysics有限元仿真软件)搭建HVAC GIL用三支柱绝缘子模型，如图2(a)和图2(b)所示，三支柱绝缘子101外部套设有与其同轴线的外壳102，内部嵌置有与其同轴线的导体103，三支柱绝缘子101与外壳102接触处设置有金属嵌件104。
A2)将绝缘子沿径向r平均分为n层，n取值范围可为4～20，例如n＝10。
A3)设定交流电场优化目标Eobj和初始介电常数分布εr(r)＝εr0；其中Eobj为最优交流电场，εr(z)为介电常数分布，εr0为介电常数初始值，每层的体介电常数初始值均设定为εr0。
A4)利用每层介电常数计算交流电场下的三支柱绝缘子交流电场分布，获得绝缘子的最大交流电场Emax。
A5)判断Emax是否降低，若满足，则执行步骤A6)，否则执行步骤A10)。
A6)判断i是否小于或等于n，若满足，则执行步骤A7)，否则执行步骤A9)。A7)根据下式迭代计算绝缘子每层介电常数：
其中，i代表绝缘子第i层；εri ′为第i层迭代后的介电常数；εri为第i层迭代前的介电常数；Ei为第i层的最大交流电场；εmax和εmin分别为介电常数的优化上限和下限，εmax取值范围可为6～100，εmin取值范围可为2～6，例如εmax＝8.1和εmin＝2.7；C是迭代系数，其初始值等于Eobj除以初始条件下的Emax。
A8)令i＝i+1，循环至步骤A6)。
A9)令i＝1，循环至步骤A4)。
A10)令C＝KC，K为调节系数。
A11)判断C是否小于或等于0.01，若满足，则执行步骤A12)，否则循环至步骤A6)。
A12)获得优化后的介电常数分布εr(r)和优化后的交流电场分布。例如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图4所示，有图4可见，迭代优化后，交流电场明显下降。
第二步：制备介电常数梯度三支柱绝缘子
B1)利用高介电填料和低介电填料调节环氧树脂复合材料介电常数，获得环氧树脂复合材料介电常数与填料体积分数的关系，根据第一步中设计的各层介电常数，获得每层材料所需的填料体积分数。
其中，所述高介电填料可采用钛酸钡、钛酸锶、二氧化钛、二氧化硅、氧化铝中一种或几种。所述低介电填料可采用空心二氧化硅或空心氧化铝。例如利用二氧化钛(TiO2)和空心二氧化硅(H-SiO2)调节环氧树脂复合材料介电常数，获得环氧树脂复合材料介电常数与填料体积分数的关系，如图5所示。
B2)将环氧树脂和固化剂按照100：38的比例进行混合，将混合溶液等分为n份，根据上述步骤B1)中的填料体积分数，向每份混合溶液中分别加入随层数变化的不同体积分数的填料，分别用搅拌器搅拌30min，真空箱真空脱泡1h后，获得填料比例不同的各层环氧树脂复合溶液。
B3)将三支柱绝缘子不锈钢模具中的空腔先用平均分割成n层(例如n＝10)的聚四氟材料填充。如图6所示，在模具205的空腔204中部放置一个套筒201，空腔204的三个端点处分别放置一个金属嵌件104，后期会与绝缘子主体浇筑在一起，在金属嵌件104和套筒201之间的空腔204内填充n层彼此独立的聚四氟材料203，且在模具顶部开设三个用于逐层浇筑环氧树脂复合材料206的浇筑口202。
B4)打开模具，取出第1层区域内的聚四氟材料，保留第1层空腔，安装模具后，将步骤B2)中制备完成的第1层环氧树脂复合溶液倒入第1层空腔内，然后将模具放入烤箱中，并在120℃下加热90min。
B5)待溶液成型后，打开模具，取出第2层区域内的聚四氟材料，保留第2层空腔，安装模具后，将步骤B2)中制备完成的第2层环氧树脂复合溶液倒入第2层空腔内，然后将模具放入烤箱中，并在120℃下加热90min。
B6)重复步骤B4)和B5)，直到加入第n层环氧树脂复合溶液后，将模具放入120℃的烤箱中，待固化10h以上后，打开模具，将绝缘子从模具中取出，切割下浇筑口处的环氧树脂，并对绝缘子表面打磨，最终获得介电常数梯度三支柱绝缘子。
本发明将材料学领域的介电功能梯度材料概念应用于电气领域，为了优化HVACGIL中三支柱绝缘子的电场分布，实现三支柱绝缘子绝缘裕度提升，本发明提出了介电常数梯度三支柱绝缘子。本发明基于迭代法设计了介电常数梯度三支柱绝缘子的介电常数梯度分布，实现了HVAC GIL三支柱绝缘子电场调控，利用根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧复合溶液，逐层浇筑法实现介电常数梯度三支柱绝缘子制备，提升其绝缘击穿裕度，最终实现HVAC GIL运行稳定性。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种HVAC GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，其特征在于，基于COMSOL有限元仿真软件，以HVAC GIL用三支柱绝缘子为优化模型，以优化交流电场分布为目的，采用迭代算法自适应调整绝缘子各层的介电常数，以获得最优的介电常数分布；然后根据设计出的介电常数分布选取高、低介电填料配制出不同介电常数的环氧复合溶液，利用逐层浇筑法实现介电梯度三支柱绝缘子制备，最终实现HVAC GIL用三支柱绝缘子绝缘裕度的提升；具体包括以下设计步骤：
第一步：设计介电常数梯度三支柱绝缘子介电常数分布
A1)利用COMSOL有限元仿真软件搭建HVAC GIL用三支柱绝缘子模型；
A2)将绝缘子沿径向r平均分为n层；
A3)设定交流电场优化目标Eobj和初始介电常数分布εr(r)＝εr0；其中Eobj为最优交流电场，εr(z)为介电常数分布，εr0为介电常数初始值，每层的体介电常数初始值均设定为εr0；
A4)利用每层介电常数计算交流电场下的三支柱绝缘子交流电场分布，获得绝缘子的最大交流电场Emax；
A5)判断Emax是否降低，若满足，则执行步骤A6)，否则执行步骤A10)；
A6)判断i是否小于或等于n，若满足，则执行步骤A7)，否则执行步骤A9)；A7)根据下式迭代计算绝缘子每层介电常数：
其中，i代表绝缘子第i层；εri ′为第i层迭代后的介电常数；εri为第i层迭代前的介电常数；Ei为第i层的最大交流电场；εmax和εmin分别为介电常数的优化上限和下限；C是迭代系数，其初始值等于Eobj除以初始条件下的Emax；
A8)令i＝i+1，循环至步骤A6)；
A9)令i＝1，循环至步骤A4)；
A10)令C＝KC，K为调节系数；
A11)判断C是否小于或等于0.01，若满足，则执行步骤A12)，否则循环至步骤A6)；
A12)获得优化后的介电常数分布εr(r)和优化后的交流电场分布；
第二步：制备介电常数梯度三支柱绝缘子
B1)利用高介电填料和低介电填料调节环氧树脂复合材料介电常数，获得环氧树脂复合材料介电常数与填料体积分数的关系，根据第一步中设计的各层介电常数，获得每层材料所需的填料体积分数；
B2)将环氧树脂和固化剂按照100：38的比例进行混合，将混合溶液等分为n份，根据上述步骤B1)中的填料体积分数，向每份混合溶液中分别加入随层数变化的不同体积分数的填料，分别用搅拌器搅拌30min，真空箱真空脱泡1h后，获得填料比例不同的各层环氧树脂复合溶液；
B3)将三支柱绝缘子不锈钢模具中的空腔先用平均分割成n层的聚四氟材料填充；
B4)打开模具，取出第1层区域内的聚四氟材料，保留第1层空腔，安装模具后，将步骤B2)中制备完成的第1层环氧树脂复合溶液倒入第1层空腔内，然后将模具放入烤箱中，并在120℃下加热90min；
B5)待溶液成型后，打开模具，取出第2层区域内的聚四氟材料，保留第2层空腔，安装模具后，将步骤B2)中制备完成的第2层环氧树脂复合溶液倒入第2层空腔内，然后将模具放入烤箱中，并在120℃下加热90min；
B6)重复步骤B4)和B5)，直到加入第n层环氧树脂复合溶液后，将模具放入120℃的烤箱中，待固化10h以上后，打开模具，将绝缘子从模具中取出，切割下浇筑口处的环氧树脂，并对绝缘子表面打磨，最终获得介电常数梯度三支柱绝缘子。
2.根据权利要求1所述的GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，其特征在于，步骤A2)中所述绝缘子沿径向r平均分为n层，n取值范围为4～20。
3.根据权利要求1所述的GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，其特征在于，步骤A7)中所述介电常数的优化上限εmax取值范围为6～100，下限εmin取值范围为2～6。
4.根据权利要求1所述的GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，其特征在于，步骤B1)中所述高介电填料采用钛酸钡、钛酸锶、二氧化钛、二氧化硅、氧化铝中一种或几种。
5.根据权利要求1所述的GIL用三支柱绝缘子的绝缘裕度提升方法，其特征在于，步骤B1)中所述低介电填料采用空心二氧化硅或空心氧化铝。
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2023
- 2023-11-24 CN CN202311582619.3A patent/CN117649987A/zh active Pending
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