一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法与流程

本发明属于高电压设备，尤其是一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法。

背景技术：

1、高压电缆终端在电缆传输系统中发挥着重要作用，包裹电缆绝缘层的橡胶应力锥是电缆终端的关键部件，但应力锥内部及应力锥与电缆绝缘层之间界面电场畸变问题严重，容易引发局部放电，甚至绝缘失效，限制了高压电缆终端设备的发展与应用。本发明为了防止界面损伤的产生与发展，考虑了界面的切向电场分布特性。首先，设计了一种具有较小半导体部分的新型应力锥，以降低界面上的法向电场强度。然后，在新型应力锥的基础上，将介电常数功能梯度材料(ε-fgm)橡胶应用于应力锥的绝缘部分，以减缓切向电场畸变。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，采用拓扑优化方法得到了最优的介电常数梯度分布，最终实现了新型应力锥的切向电场优化。

2、本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

3、一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1、在应力锥橡胶区域中添加设计变量和惩罚因子；

5、步骤2、根据改善沿xlpe和橡胶界面的切向电场分布，构建第一优化目标；

6、步骤3、根据避免最优解中的网格依赖性，构建第二优化目标；

7、步骤4、根据步骤1中添加设计变量和惩罚因子，以及构建的第一优化目标和第二优化目标构建优化问题，通过优化问题得到最优的介电常数梯度分布。

8、而且，所述步骤1中的具体实现方法为：

9、

10、其中ρdesign为设计变量，p为惩罚因子，ε(r，z)为相对介电常数分布；εmax和εmin为ε的最大值和最小值。

11、而且，所述步骤2中第一优化目标f1为：

12、

13、其中，et为xlpe和橡胶界面上的切向电场；etmean为et的平均值；c为归一化系数。在优化前通过调整c将积分的初值归一化为1。

14、而且，所述步骤3中第二优化目标f2为：

15、

16、其中，h0和hmax为橡胶区域的最小和最大网格尺寸；a为橡胶区域的截面面积，ω为求解区域。

17、而且，所述步骤4中优化问题为：

18、

19、其中，en为xlpe和橡胶界面上的法向电场。

20、本发明的优点和积极效果是：

21、本发明通过在应力锥橡胶区域中添加设计变量和惩罚因子；根据改善沿xlpe和橡胶界面的切向电场分布，构建第一优化目标；并根据避免最优解中的网格依赖性，构建第二优化目标，构建了优化问题，实现了应力锥电场分布优化，提高高压电缆终端设备运行的稳定性与电力系统的安全可靠性。本发明基于拓扑优化法，调控应力锥绝缘的介电常数分布，最终实现了切向电场优化，解决了界面电场畸变问题。仿真结果表明，具有ε-fgm的新型应力锥在调节界面和绝缘部件内部的电场分布方面具有优异的表现。

技术特征：

1.一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，其特征在于：所述步骤1中的具体实现方法为：

3.根据权利要求2所述的一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，其特征在于：所述步骤2中第一优化目标f1为：

4.根据权利要求3所述的一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，其特征在于：所述步骤3中第二优化目标f2为：

5.根据权利要求4所述的一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，其特征在于：所述步骤4中优化问题为：

技术总结
本发明涉及一种交流高压电缆终端应力锥的介电功能梯度设计方法，通过在应力锥橡胶区域中添加设计变量和惩罚因子；根据改善沿交联聚乙烯(XLPE)和橡胶界面的切向电场分布，构建第一优化目标；并根据避免最优解中的网格依赖性，构建第二优化目标，构建了优化问题，实现了应力锥电场分布优化，提高高压电缆终端设备运行的稳定性与电力系统的安全可靠性。本发明基于拓扑优化法，调控应力锥绝缘的介电常数分布，最终实现了切向电场优化，解决了界面电场畸变问题。

技术研发人员：王泽华,曹卓然,张峥,兰宇,解颖,侯翼天,张伟龙,李世阳,王兆阳,王强
受保护的技术使用者：国网天津市电力公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21