基于表面场强扫描的金具结构优化方法
【专利摘要】本发明涉及基于表面场强扫描的金具结构优化方法，属于电力系统输电线路金具设计【技术领域】。该方法包括：给定金具的结构和尺寸；根据金具的结构和尺寸建立三维模型，采用有限元方法计算出金具整个表面场强；搜索金具表面场强最大值，并测量得到该值对应点的曲率半径；若表面场强最大值在目标范围之内，则优化结束；否则计算场强不均匀系数：将金具分解为若干个对称结构，分别在每个对称结构上取若干对称路径进行场强测量，并对所有路径的场强最大值和最小值取平均得到场强值；并计算场强不均匀系数；优化表面场强最大点的曲率半径，得到优化后的金具的结构和尺寸，迭代优化；本发明大大降低了金具尺寸优化的试验成本，具有非常突出的工程价值。
【专利说明】基于表面场强扫描的金具结构优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统输电线路金具设计【技术领域】，涉及一种基于三维有限元场强计算的金具尺寸优化方法。
【背景技术】
[0002]线路电晕放电是线路工程设计、建设和运行的关键技术问题。金具作为输电线路的金属附件，当其表面电位梯度超过一定临界值后，将会引起金具周围空气电离而发光放电，即发生电晕放电现象，成为输电线路电晕放电的一部分。按照国家标准的规定，实际线路中不允许金具电晕现象的存在，所带来的无线电干扰和可听噪声等电磁环境问题也应相应地得到抑制。通过增大金具表面的曲率半径，从而使金具表面场强分布均匀能够从根本上解决这个问题。然而，一方面金具的形式与电压等级、导线型号、分裂方式等工程技术参数密切相关，其结构的复杂性导致了其表面电场分布的不均匀性，另一方面，实际工程需要本着节约的原则，不能一味扩大金具的尺寸，保守的设计极有可能带来资源的浪费。
[0003]目前在金具尺寸优化方面，主要采用实验测试金具电晕放电情况。若产生电晕放电，则增加金具表面的曲率半径，再次进行测试，直至满足要求。一方面，增加的金具表面曲率半径，往往凭工程设计人员的经验决定，人工方法往往不能很好解决均匀性问题，另一方面，多次对金具进行改造和试验会大大提高成本。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于表面场强扫描的金具结构优化方法；本方法降低金具尺寸设计成本，提高了金具表面场强的均匀性，抑制金具电晕放电现象。
[0005]本发明提出的基于三维有限元场强计算的金具表面的曲率半径优化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤:
[0006]I)给定金具的结构和尺寸；
[0007]2)根据金具的结构和尺寸建立三维模型，根据三维模型采用有限元方法计算出金具整个表面场强；
[0008]3)搜索金具表面场强最大值Emax,并测量得到该值对应点的曲率半径；
[0009]4)若表面场强最大值Emax在目标范围之内，则优化步骤结束；否则进行步骤5)；
[0010]5)计算场强不均匀系数:将金具分解为若干个对称结构，分别在每个对称结构上取若干对称路径进行场强测量，取每条路径上的场强最大值，并对所有路径的场强最大值取平均得到场强值Eav ;并计算场强不均匀系数为:K = Emax/Eav ；
[0011]6)优化步骤3)中表面场强最大点的曲率半径，得到优化后的金具的结构和尺寸，转至步骤2)；
[0012]优化步骤3)中表面场强最大点曲率半径的具体方法为:
[0013]设步骤3)中表面场强最大点的曲率半径为R，优化后的曲率半径为:R’ =f⑷XR，其中f (K)是场强不均匀系数K的函数:=。
V2 K
[0014]本发明的技术特点及有益效果:
[0015]针对金具尺寸设计中的重点部分即较大场强处的曲率半径设定，通过三维有限元计算软件的使用与曲率半径优化函数的设计，将优化过程转化为一种闭环式的迭代计算，最终取得符合设计标准的最优值，将整个设计过程大大简化。将以往的经验式设计转化为计算程序，整个过程可在计算机上完成，不需要反复对实体进行修改和实验，大大缩减了设计成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的方法流程框图；
【具体实施方式】
[0017]本发明提出的基于三维有限元场强计算的金具表面的曲率半径优化方法结合附图详细说明【具体实施方式】。
[0018]本发明的基于三维有限元场强计算的金具表面的曲率半径优化方法，如图1所示，具体包括以下步骤:
[0019]I)给定金具的结 构和尺寸；
[0020]2)根据金具的结构和尺寸建立三维模型，根据三维模型采用有限元方法计算出金具整个表面场强(例如可采用有限元方法的Ansoft或Ansys软件程序进行计算)；
[0021]3)搜索金具表面场强最大值Emax,并测量得到该值对应点的曲率半径；
[0022]4)若表面场强最大值Emax在目标范围(即设计标准中的要求范围，如不发生电晕放电的安全值)之内，则优化步骤结束；否则进行步骤5)；
[0023]5)计算场强不均匀系数:将金具分解为若干个对称结构，分别在每个对称结构上取若干对称路径进行场强测量(路径的数目与位置根据具体金具的结构和尺寸而定，但要求所有路径的集合能够等效为与金具结构及尺寸相同的几何体，Ansoft或Ansys可对路径上的场量进行查看)，取每条路径上的场强最大值，并对所有路径的场强最大值取平均得到场强值Eav ;并计算场强不均匀系数为:K = Emax/Eav ；
[0024]6)优化步骤3)中表面场强最大点的曲率半径，得到优化后的金具的结构和尺寸，转至步骤2)；
[0025]优化步骤3)中表面场强最大点曲率半径的具体方法为:
[0026]设步骤3)中表面场强最大点的曲率半径为R，优化后的曲率半径为:R’ =
f⑷XR，其中f (K)是场强不均匀系数K的函数:/(/() =。
V2 K
【权利要求】
1.一种基于三维有限元场强计算的金具表面的曲率半径优化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤: 1)给定金具的结构和尺寸； 2)根据金具的结构和尺寸建立三维模型，根据三维模型采用有限元方法计算出金具整个表面场强； 3)搜索金具表面场强最大值Emax，并测量得到该值对应点的曲率半径； 4)若表面场强最大值Emax在目标范围之内，则优化步骤结束；否则进行步骤5)； 5)计算场强不均匀系数:将金具分解为若干个对称结构，分别在每个对称结构上取若干对称路径进行场强测量，取每条路径上的场强最大值，并对所有路径的场强最大值取平均得到场强值Eav ;并计算场强不均匀系数为:K = Emax/Eav ； 6)优化步骤3)中表面场强最大点的曲率半径，得到优化后的金具的结构和尺寸，转至步骤2)； 优化步骤3)中表面场强最大点曲率半径的具体方法为: 设步骤3)中表面场强最大点的曲率半径为R，优化后的曲率半径为:R’ = f (K) XR，其中f(K)是场强不均匀系数K的函数: =。
【文档编号】G06F17/50GK103530480SQ201310529196
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】余占清, 戴梦婷, 高志野, 李敏, 李锐海, 曾嵘, 高超, 刘磊, 杨芸, 田丰, 张波 申请人:清华大学, 南方电网科学研究院有限责任公司