基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电气设备技术领域，尤其是涉及一种气体绝缘母线（含Gis母线和气 体绝缘输电线路）的设计方法。
【背景技术】
[0002] 相关技术中指出，气体绝缘输电线路（含GIS母线）具有输送容量大、无绝缘老化 问题、损耗低、电磁辐射低等优点，是特殊环境下（例如垂直落差大、电磁干扰需要严格限 制、自然或人文景观要求受到保护的区域等）替代架空输电线路的首选方案，而且也是解 决大城市市区负荷不断增长而导致走廊紧张问题的可选方案。
[0003] 相关技术中气体绝缘母线的设计主要依赖于经验公式确定其具体尺寸，或者使用 数值分析的方法验证已知尺寸的气体绝缘母线的性能，没有准确、系统的设计方法与设计 过程，造成设计困难、可靠性有待提高，且难以确保产品的外形尺寸最小、经济效益最佳。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一 种基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，所述设计方法更加系统、精准，设计结果 更优、更可靠。
[0005] 根据本发明的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，所述气体绝缘母线 包括导电杆和套设在所述导电杆外的壳体，所述导电杆与所述壳体之间填充有气体，所述 设计方法包括如下步骤：S1、根据所述气体绝缘母线的最低工作气压计算所述导电杆的击 穿场强Eb，通过计算所述导电杆的表面场强E与所述Eb比较，确定所述导电杆的初始外半径 i>hl和所述壳体的初始内半径R_;S2、根据所述壳体的壁厚公式和所述Rftl，计算所述壳体 的初始外半径Rm;S3、通过仿真计算所述导电杆在最小电磁损耗下的壁厚S ，结合所 述i>hi确定所述导电杆的初始内半径ri;S4、根据所述r%i、所述i、所述R#i、所述Rft :建立模型，通过仿真计算所述导电杆的温升At和所述壳体的温升AT，调整所述i>hl、所 述i、所述&i、所述Rfti之中的最少一个，重新建模并迭代仿真，直至当所述导电杆的最 大温升于等于所述导电杆的国标允许温升[At]、且当所述壳体的最大温升ATmax 小于等于所述壳体的国标允许温升[AT]时，使得所述气体绝缘母线的成本C达到所述气 体绝缘母线的预设成本Ch为止。
[0006] 根据本发明的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，系统化、精准化、高 效率化，有效避免由母线尺寸致使母线工作异常，为气体绝缘母线的可靠设计提供指导依 据。
[0007] 进一步地，所述步骤S4中仅调整所述、所述rftl、所述Rw1、所述Rftl中的所 述1~内！。
[0008] 具体地，所述气体为六氟化硫气体，所述步骤Sl进一步包括：S11、根据公式Eb = 7. 5 (IOP) 75计算所述导电杆的击穿场强Eb，其中，P为所述气体在所述最低工作气压下的 绝对压力；S12、根据公式Es=Eb/K计算所述导电杆的表面设定场强Es，其中，K为安全系 数；S13、根据同轴圆柱导体表面场强公式得E=U/[r外XIn(1? /i>h)]，得知当所述导电杆 的外半径i>h和所述壳体的内半径Rft满足关系：R@ /i>h=e时，所述导电杆的表面场强E可 以取到最小值，设定多个导电杆外径i>h(i)，计算出多个i>h(i)对应的多个所述导电杆的最小 表面场强Emin⑴，根据Emin⑴<ES确定r外⑴的可选取值区间内和所述取值区间内r外⑴的下 限值i>h(N)，其中，U为雷电冲击为负极性峰值时的雷电冲击电压，i和N均为大于等于1的 正整数；S14、根据公式i?fr,hXe(w(&x%h?，计算在所述取值区间多个卜⑴所对应的多个R 内⑴，根据Rft⑴〈[Rft ]得到Rft⑴的最小允许值R内⑴min，与所述Rft⑴min对应的r外⑴即为i>hw在所述取值区间内的上限值〇〇，其中，[R@ ]为所述壳体的经济内半径，M为大于等 于1的正整数；S15、在所述i>h(N)到所述i>h(M)的区间内选取任意一个值作为所述导电杆的 所述初始外半径i>hl ;S16、再次根据公式i?rt=r +Xe-mx'W计算所述i>hl所对应的所述 壳体的所述初始内半径1?i。
【主权项】
1. 一种基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在于，所述气体绝缘母 线包括导电杆和套设在所述导电杆外的壳体，所述导电杆与所述壳体之间填充有气体，所 述设计方法包括如下步骤： 51、 根据所述气体绝缘母线的最低工作气压计算所述导电杆的击穿场强Eb，通过计算 所述导电杆的表面场强E与所述Eb比较，确定所述导电杆的初始外半径r% 1和所述壳体的 初始内半径Rh1; 52、 根据所述壳体的壁厚公式和所述Rh1，计算所述壳体的初始外半径R% 1; 53、 通过仿真计算所述导电杆在最小电磁损耗下的壁厚5 ，结合所述确定所 述导电杆的初始内半径1; 54、 根据所述r% 1、所述rh1、所述R% 1、所述Rh1建立模型，通过仿真计算所述导电杆 的温升At和所述壳体的温升AT，调整所述r^i、所述rhi、所述R^i、所述Rhi之中的最 少一个，重新建模并迭代仿真，直至当所述导电杆的最大温升Atma/j、于等于所述导电杆的 国标允许温升[At]、且当所述壳体的最大温升ATm。/]、于等于所述壳体的国标允许温升 [AT]时，使得所述气体绝缘母线的成本C达到所述气体绝缘母线的预设成本Cg为止。
2. 根据权利要求1所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在 于，所述步骤S4中仅调整所述r外1、所述r内1、所述R外1、所述R内1中的所述r内1。
3. 根据权利要求1所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在 于，所述气体为六氣化硫气体，所述步骤S1进一步包括： 511、 根据公式Eb= 7. 5 (lOP)"'75计算所述导电杆的击穿场强Eb，其中，P为所述气体在 所述最低工作气压下的绝对压力； 512、 根据公式Es=Eb/K计算所述导电杆的表面设定场强氏，其中，K为安全系数； 513、 根据同轴圆柱导体表面场强公式得E=U/ XIn(Rh/r%)]，得知当所述导电杆 的外半径r%和所述壳体的内半径Rh满足关系；Rfte时，所述导电杆的表面场强E可 W取到最小值，设定多个导电杆外径r%W，计算出多个r%W对应的多个所述导电杆的最小 表面场强Em加)，根据Eminw化确定r外W的可选取值区间内和所述取值区间内r外W的下 限值，其中，U为雷电冲击为负极性峰值时的雷电冲击电压，i和N均为大于等于1的 正整数； 514、 根据公式i?A=r ，计算在所述取值区间多个所对应的多个R内 山，根据R内W< [R内]得到R内(1)的最小允许值R内wmin，与所述Rft(細。对应的r外W即为r%W在所述取值区间内的上限值r%?，其中，[Rft]为所述壳体的经济内半径，M为大于等 于1的正整数； 515、 在所述r%W到所述r% ?的区间内选取任意一个值作为所述导电杆的所述初始 外半径; 516、 再次根据公式i? 户e<W&x''*卢，计算所述r外1所对应的所述壳体的所述初始 内丰径Rpij1。
4. 根据权利要求1所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在 于，所述步骤S2还包括： 521、 根据所述壳体的壁厚公式
，计算当Rh为所述Rh1时所述壳体的 壁厚5*^1，其中，M为设计裕度，Pb为所述壳体的破坏水压，4为焊接系数，[0]为设计 温度下所述壳体的设计强度许用值； 522、 根据公式R外1 =Rh1 + 5胃体1计算所述壳体的所述初始外半径R外1。
5. 根据权利要求1所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在 于，所述步骤S3进一步包括： 531、 通过有限元仿真软件计算所述5 使所述导电杆的电磁损耗最小； 532、 根据所述5 ^电巧和公式Th1 ^ 1~外1 - 5 ^电巧计算所述导电杆的所述初始内半径 1〇
6. 根据权利要求5所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在 于，所述步骤S31中采用有限元软件ANSYS进行仿真计算。
7. 根据权利要求1所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在 于，所述步骤S4进一步包括： 541、 根据所述、所述rh1、所述R% 1、所述Rh1建立所述气体绝缘母线的模型； 542、 根据国标要求通过标准电流，计算所述气体绝缘母线的电磁损耗，通过电磁 场-温度场-流场的禪合仿真计算所述At和所述AT; 543、 调整所述r内1，重复建模仿真，直至C=C预且Atmax《 [At]、ATmax《 [All。
8. 根据权利要求1所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，其特征在 于，所述步骤S4中，所述Cg满足；Cg^C]，其中，的为所述气体绝缘母线的最经济成本。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法， 其特征在于，所述导电杆为侣杆或者铜杆。
【专利摘要】本发明公开了一种基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，所述气体绝缘母线包括导电杆和壳体，所述设计方法包括如下步骤：S1、根据气体绝缘母线的最低工作气压，确定导电杆的表面场强E，确定导电杆的初始外半径r外1和壳体的初始内半径R内1；S2、根据壳体的壁厚公式和R内1，计算壳体的初始外半径R外1；S3、通过仿真计算导电杆在最小损耗下的壁厚δ导电杆，结合r外1确定导电杆的初始内半径r内1；S4、通过多物理场耦合的数值计算方法仿真迭代计算气体绝缘母线的理想尺寸，以使得气体绝缘母线的温升符合要求、成本低。根据本发明的基于可靠性提升的气体绝缘母线结构设计方法，可靠性高、系统化、精准化、高效率化，为气体绝缘母线的可靠设计提供指导依据。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104794273
【申请号】CN201510175345
【发明人】吐松江·卡日, 高文胜, 赵宇明, 张欣, 姚森敬, 朱正国
【申请人】清华大学, 深圳供电局有限公司
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月14日