直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法

本发明属于高电压设备制造领域，更具体的说，是涉及一种直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法。

背景技术：

1、气体绝缘开关设备(gis)是一种紧凑型金属封装开关设备，因其可靠性高、占地面积小、无二次污染等优点在电力系统中得到广泛应用。在gis中广泛使用的环氧绝缘子主要起到隔离气室和支撑高压导体的作用。绝缘子的绝缘性能在很大程度上决定了gis的安全性和稳定性。然而，研究发现，绝缘子周围的电场畸变会引起闪络，这限制了dc-gis设备的发展和应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，实现dc-gis用多维功能梯度绝缘子表面非线性电导率和体介电常数分布优化，最终设计出多维功能梯度(mfgm)绝缘子，实现dc-gis暂-稳态电场协同调控。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

3、本发明直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，基于comsol有限元仿真软件，以dc-gis用绝缘子为优化模型，以优化沿面直流电场分布和控制表面损耗为目的，采用枚举法选取不同的表面非线性电导率参数，最终获得非线性电导率参数的最优分布；以优化沿面交流电场分布为目的，采用迭代法选取不同的体介电常数分布，最终获得体介电常数的最优分布；具体包括以下设计步骤：

4、第一步：设计表面非线性电导率参数

5、mfgm绝缘子表面部分是表面非线性电导材料，表面非线性电导率γs与电场非线性存在依赖关系，即：

6、

7、式中，γs是表面非线性电导率；a是表面非线性材料的欧姆电导率；b是非线性系数；eτ是沿面切向电场；d是非线性电导涂层的厚度；下面为具体优化步骤：

8、a1)利用comsol有限元仿真软件搭建dc-gis用绝缘子模型，设定预期的绝缘子沿面直流电场畸变率f1，非线性参数a的最小值amin、最大值amax、优化步长δa，以及非线性参数b的最小值bmin、最大值bmax、优化步长δb；

9、a2)判断a是否小于或等于amax，若满足，则执行步骤a3)，否则执行步骤a7)；

10、a3)判断b是否小于或等于bmax，若满足，则执行步骤a4)，否则执行步骤a6)；

11、a4)利用dc-gis用绝缘子模型计算沿面直流电场分布，获得绝缘子沿面直流电场畸变率f以及表面损耗qs；

12、f＝eav/edc-max

13、式中，eav是沿面平均直流电场，edc-max是沿面最大直流电场；

14、qs＝∫γs·eτ2ds

15、式中，eτ是沿面切向直流电场，s为绝缘子表面积；

16、a5)令b＝b+δb，然后循环至步骤a3)；

17、a6)令a＝a·δa，然后循环至步骤a2)；

18、a7)获得沿面直流电场畸变率和表面损耗随非线性参数变化的分布图，然后确定当f＝f1且qs最小时，对应的表面非线性材料的欧姆电导率a、非线性系数b、沿面最大直流电场edc-max、表面损耗qs；

19、第二步：设计体介电常数梯度分布

20、mfgm绝缘子体部分是体介电梯度材料，下面为具体优化步骤：

21、b1)将绝缘子沿径向平均分为n层；

22、b2)设定沿面交流电场优化目标eobj和初始体介电常数分布εr(z)＝εr0；

23、b3)利用体介电常数计算沿面交流电场分布，获得沿面最大交流电场eac-max；

24、b4)判断eac-max是否降低，若满足，则执行步骤b5)，否则执行步骤b9)；

25、b5)判断i是否小于等于n，若满足，则执行步骤b6)，否则执行步骤b8)；

26、b6)根据下式迭代计算绝缘子每层体介电常数：

27、

28、式中，i代表第i层；εri′为第i层迭代后的体介电常数；εri为第i层迭代前的体介电常数；ei为第i层的最大交流电场；εmax和εmin分别为体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eac-max；

29、b7)令i＝i+1，然后循环至步骤b5)；

30、b8)令i＝1，循环至步骤b3)；

31、b9)令c＝kc，其中k为调节系数；

32、b10)判断c是否小于或等于0.01，若满足，则执行步骤b11)，否则循环至步骤b5)；

33、b11)获得优化后的体介电常数分布εr(z)和沿面交流电场分布。

34、进一步地，所述绝缘子为盆式绝缘子或支柱绝缘子或三支柱绝缘子。

35、进一步地，第一步中所述非线性电导涂层的厚度d为0.1～2mm。

36、进一步地，第一步中所述的预期的绝缘子沿面直流电场畸变率f1范围为1～2；所述非线性参数a的最小值amin范围为10-20～10-16s/m，最大值amax范围为10-16～10-12s/m，优化步长δa范围为1～10；所述非线性参数b的最小值bmin范围为0～2mm/kv，最大值bmax范围为3～5mm/kv，优化步长δb范围为0～1。

37、进一步地，第二步中所述绝缘子沿径向平均分为n层，n范围为4～20。

38、进一步地，第二步中所述绝缘子的体介电常数的优化上限εmax为6～100，下限εmin为2～6。

39、进一步地，第二步中所述调节系数k值为0.01～0.1。

40、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

41、本发明基于comsol有限元仿真软件，以dc-gis用绝缘子为优化模型，以优化沿面直流电场分布和控制表面损耗为目的，采用枚举法选取不同的表面非线性电导率参数，最终获得非线性电导率参数的最优分布；以优化沿面交流电场分布为目的，采用迭代法选取不同的体介电常数分布，最终获得体介电常数的最优分布。本发明能够实现dc-gis用多维功能梯度绝缘子表面非线性电导率和体介电常数分布优化，最终设计出多维功能梯度(mfgm)绝缘子，实现dc-gis暂-稳态电场协同调控。

42、本发明提出一种用于新型直流气体绝缘变电站(dc-gis)的多维功能梯度材料(mdfm)绝缘子参数设计方法，其结合了表面非线性导电材料涂层材料(sncm)和体功能梯度介电常数材料(ε-fgm)。本发明基于枚举法和迭代法设计mfgm绝缘子的表面非线性电导率参数和体介电常数梯度分布，实现dc-gis绝缘子暂、稳态电场协同调控，提高绝缘子交-直流闪络电压及dc-gis运行稳定性。利用mfgm绝缘子体介电梯度部分的调控交流电场，利用mfgm绝缘子表面非线性电导材料部分调控直流电场，最终实现dc-gis绝缘子交-直流沿面耐电性能协同提升。

技术特征：

1.一种直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，其特征在于，基于comsol有限元仿真软件，以dc-gis用绝缘子为优化模型，以优化沿面直流电场分布和控制表面损耗为目的，采用枚举法选取不同的表面非线性电导率参数，最终获得非线性电导率参数的最优分布；以优化沿面交流电场分布为目的，采用迭代法选取不同的体介电常数分布，最终获得体介电常数的最优分布；具体包括以下设计步骤：

2.根据权利要求1所述的直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，其特征在于，所述绝缘子为盆式绝缘子或支柱绝缘子或三支柱绝缘子。

3.根据权利要求1所述的直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，其特征在于，第一步中所述非线性电导涂层的厚度d为0.1～2mm。

4.根据权利要求1所述的直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，其特征在于，第一步中所述的预期的绝缘子沿面直流电场畸变率f1范围为1～2；所述非线性参数a的最小值amin范围为10-20～10-16s/m，最大值amax范围为10-16～10-12s/m，优化步长δa范围为1～10；所述非线性参数b的最小值bmin范围为0～2mm/kv，最大值bmax范围为3～5mm/kv，优化步长δb范围为0～1。

5.根据权利要求1所述的直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，其特征在于，第二步中所述绝缘子沿径向平均分为n层，n范围为4～20。

6.根据权利要求1所述的直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，其特征在于，第二步中所述绝缘子的体介电常数的优化上限εmax为6～100，下限εmin为2～6。

7.根据权利要求1所述的直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，其特征在于，第二步中所述调节系数k值为0.01～0.1。

技术总结
本发明公开了一种直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法：基于COMSOL有限元仿真软件，以DC‑GIS用绝缘子为优化模型，以优化沿面直流电场分布和控制表面损耗为目的，采用枚举法选取不同的表面非线性电导率参数，最终获得非线性电导率参数的最优分布；以优化沿面交流电场分布为目的，采用迭代法选取不同的体介电常数分布，最终获得体介电常数的最优分布。本发明直流气体绝缘变电站用多维功能梯度绝缘子设计方法，实现DC‑GIS用多维功能梯度绝缘子表面非线性电导率和体介电常数分布优化，最终设计出多维功能梯度(MFGM)绝缘子，实现DC‑GIS暂‑稳态电场协同调控。

技术研发人员：杜伯学,董佳楠,梁虎成,姚航
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11