一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法技术

一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法，包括以下步骤：在三维CAD软件中建立高压直流GIL几何模型；通过基于Krylov子空间方法对高压直流GIL绝缘子的温度场进行降阶处理，求解高压直流GIL的温度场；使用弱气体电离模型仿真求解高压直流GIL绝缘子的电场分布；在一定范围内对气体电导率进行扫描，获得高压直流GIL恒定电流场的电场分布；提取弱气体电离模型仿真结果和扫描计算结果的绝缘子表面电位分布，选择最接近弱气体电离模型的气体电导率模型，将其对应的气体电导率作为高压直流GIL绝缘子气体等效电导率；使用气体等效电导率进行绝缘子结构优化；将优化结果进行验算；本发明专利技术使得高压直流GIL电场仿真时间大大缩短，为高压直流GIL绝缘子优化提供了新思路。为高压直流GIL绝缘子优化提供了新思路。为高压直流GIL绝缘子优化提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法


[0001]本专利技术属于电力设备绝缘结构
，特别涉及一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法。

技术介绍

[0002]支撑绝缘子是直流GIL的重要部分，起到支撑母线和电气绝缘的作用，其一旦发生沿面放电，将导致严重故障，危害系统稳定运行。支撑绝缘子的可靠性和安全性，绝缘结构设计是基础，电场分布均匀程度对其性能起到了至关重要的作用。然而，与交流GIL不同，由于直流电压的单极性作用，支柱绝缘子表面会积聚电荷，使直流GIL电场分布变得复杂。表面电荷的积聚是导致绝缘子沿面放电的重要原因之一，其局部积聚显著畸变了局部电场分布，是绝缘子结构设计优化中必须考虑的因素之一。
[0003]由于传统恒定电场方法未充分考虑表面电荷积聚，且SF6气体电导率值无法准确测量，目前学者在直流GIL绝缘子表面电荷存在下的电场仿真方法领域多采用弱气体电离方式进行获取，被认为是直流GIL设备电荷和电场计算比较准确的方法。该方法建立气体电导特性的物理模型，考虑温升效应对绝缘子电导率的影响，认为气体内部存在正负电荷，并考虑载流子的产生、迁移、扩散、复合等物理过程，使用弱气体电离方式进行计算时需要求解流体场和电场的耦合方程，在此基础上得到的电场结果能够比较全面的描述直流GIL的电场分布。但采用弱气体电离方式计算表面电荷积聚下的电场分布，由于存在迁移、扩散项，方程耦合迭代、非线性特性复杂，导致计算量巨大。且使用弱气体电离的方法难以保证其收敛性，在三维模型仿真中稳定性较差，存在着很大的局限性。<br/>[0004]另一方面，由于绝缘子环氧
‑
复合材料随温度变化的特性，直流GIL中温度梯度造成GIL绝缘子材料变化，使得计算时必须考虑绝缘子的温度场分布，而温度分布的计算又涉及热传导、热对流和热辐射过程，这进一步耗费了大量运算时间。
[0005]由于在直流GIL绝缘子结构优化的过程中，需要重复获取直流GIL绝缘子电场多次，如果采用弱气体电离方式进行计算，完成优化的过程会花费很长的时间，造成研发周期的严重迟缓，且可能发生不收敛的情况，难以满足直流GIL绝缘子结构优化的要求。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于满足计算精确度的情况下，考虑GIL内温度梯度分布，提供一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法，从高压直流GIL的等效电导率获取出发，使用降阶模型的方法对绝缘子的温度场进行计算，获得绝缘子的温度场分布，缩短了求取温度场所需要的时间，从而得到绝缘子的电导率；通过对比气体等效电导率和弱气体电离模型的仿真结果，提取绝缘子表面的电位作为衡量等效性的指标，选择最接近弱气体电离模型分布的气体等效电导率；最终使用此电导率在恒定电场中求解电场分布，进行结构优化迭代；本专利技术求取等效的气体电导率，能够有效减小工作量，大大的缩短了设计周期。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法，具体包括如下步骤：
[0009]步骤1通过三维有限元CAD软件建立直流GIL绝缘子的几何模型，用以获取直流GIL绝缘子温度场和电场；
[0010]步骤2通过降阶模型算法获取绝缘子的温度场分布，其中包括热传导、热对流和热辐射的传热效应；
[0011]步骤3通过步骤2获得的绝缘子温度场，计算绝缘子固体的电导率，公式(1)
[0012][0013]其中，γ
s
为材料电导率，S/m；γ0为基础电导率，S/m；α为温度系数，K；T为材料温度，K；
[0014]使用弱气体电离方式对直流GIL绝缘子直流电场进行仿真，得到基于弱气体电离方法的直流电场；
[0015]步骤4将气体等效为线性电导率的介质；选择不同的气体等效电导率进行仿真，通过求解恒定电流场方程得到服从电导率分布的电场分布结果；从而获得不同气体电导率对应的直流GIL绝缘子电场分布和弱气体电离方式的电场分布；
[0016]步骤5使用步骤4得到的服从电导率分布的电场分布结果，提取绝缘子表面的电位分布曲线；使用步骤3得到的弱气体电离方法的直流电场结果，提取相同位置的绝缘子表面的电位分布曲线，将上述两条曲线求差，计算等效误差值；选择出误差最小的曲线对应的气体等效电导率，考虑步骤2降阶模型得到的温度场对绝缘子固体电导率的影响，在恒定电场仿真下对绝缘子电气性能进行结构优化；
[0017]步骤6对步骤5优化后的绝缘子结构进行验证，步骤如下：
[0018]6.1使用步骤2应用的降阶模型方法对步骤5优化后的绝缘子结构求解，得到优化后绝缘子的温度场分布；
[0019]6.2使用步骤3所述的弱气体电离方法对优化后的绝缘子进行电场仿真，得到基于弱气体电离方法的直流电场结果；
[0020]6.3使用步骤5最终优化的绝缘子电场结果，提取绝缘子表面的电位分布曲线；使用步骤6.2得到的弱气体电离方法的直流电场结果，提取相同位置的绝缘子表面的电位分布曲线，将上述两条曲线求差，得到等效误差值；
[0021]6.4若误差小于设定值η，则完成优化，否则使用优化后的绝缘子结构模型跳转至步骤4重新选择等效电导率并进行优化。
[0022]所述步骤1中所建立的电场有限元模型中，包含直流GIL的几何结构，直流GIL的几何结构包含中心导体、支柱绝缘子、GIL外壳和粒子捕捉器结构。
[0023]所述步骤2中使用的降阶模型方法，具体为，确定高压直流GIL的热力学过程，其中包括热传导、热对流和热辐射；考虑流动情况下的热力学方程如下所示：
[0024][0025]其中，v为材料内部的流速(固体为0)，m/s；T为温度变量，K；Q为热源总和，W/m3；ρ为材料密度，kg/m3；C
p
为材料的恒压热容，J/(kg
·
K)；k为材料的热导率，W/(m
·
K)；
[0026]上式中热源来源于发热导体热量Q0、热对流传热Q1以及热辐射传热Q2；表达式如下式(3)所示：
[0027]Q＝Q0+Q1+Q2ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]考虑单位面积上流体和固体界面的传热过程，其热量表示如下式(4)：
[0029]Q1＝h
c
(T1‑
T2)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0030]其中，Q1为单位面积界面传递的热量，W/m2；h
c
为对流换热系数，W/(m2·
K)
[0031]T1，T2分别为流体和固体温度，K；
[0032]热辐射换热速率公式如下式(5)所示：
[0033][0034]其中，Q2为净热辐射换热量，W/m2；ω
i
为材料的发射率，0～1；S
B
为斯提芬博尔赫兹常数，5.67
×
10
‑8W/(m2·
K4)；T
s1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1 通过三维有限元CAD软件建立直流GIL绝缘子的几何模型，用以获取直流GIL绝缘子温度场和电场；步骤2 通过降阶模型算法获取绝缘子的温度场分布，其中包括热传导、热对流和热辐射的传热效应；步骤3 通过步骤2获得的绝缘子温度场，用公式(1)计算绝缘子固体的电导率，其中，γ
s
为材料电导率，S/m；γ0为基础电导率，S/m；α为温度系数，K；T为材料温度，K；使用弱气体电离方式对直流GIL绝缘子直流电场进行仿真，得到基于弱气体电离方法的直流电场；步骤4 将气体等效为线性电导率的介质；选择不同的气体等效电导率进行仿真，通过求解恒定电流场方程得到服从电导率分布的电场分布结果；从而获得不同气体电导率对应的直流GIL绝缘子电场分布和弱气体电离方式的电场分布；步骤5 使用步骤4得到的服从电导率分布的电场分布结果，提取绝缘子表面的电位分布曲线；使用步骤3得到的弱气体电离方法的直流电场结果，提取相同位置的绝缘子表面的电位分布曲线，将上述两条曲线求差，计算等效误差值；选择出误差最小的曲线对应的气体等效电导率，考虑步骤2降阶模型得到的温度场对绝缘子固体电导率的影响，在恒定电场仿真下对绝缘子电气性能进行结构优化；步骤6 对步骤5优化后的绝缘子结构进行验证，步骤如下：6.1 使用步骤2应用的降阶模型方法对步骤5优化后的绝缘子结构求解，得到优化后绝缘子的温度场分布；6.2 使用步骤3所述的弱气体电离方法对优化后的绝缘子进行电场仿真，得到基于弱气体电离方法的直流电场结果；6.3 使用步骤5最终优化的绝缘子电场结果，提取绝缘子表面的电位分布曲线；使用步骤6.2得到的弱气体电离方法的直流电场结果，提取相同位置的绝缘子表面的电位分布曲线，将上述两条曲线求差，得到等效误差值；6.4 若误差小于设定值η，则完成优化，否则使用优化后的绝缘子结构模型跳转至步骤4重新选择等效电导率并进行优化。2.根据权利要求1所述的一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法，其特征在于，步骤1中所建立的电场有限元模型中，包含直流GIL的几何结构，直流GIL的几何结构包含中心导体、支柱绝缘子、GIL外壳和粒子捕捉器结构。3.根据权利要求1所述的一种高压直流GIL电场等效及其结构快速优化方法，其特征在于，步骤2中使用的降阶模型方法，具体为，确定高压直流GIL的热力学过程，其中包括热传导、热对流和热辐射；考虑流动情况下的热力学方程如下所示：其中，v为材料内部的流速(固体为0)，m/s；T为温度变量，K；Q为热源总和，W/m3；ρ为材料
密度，kg/m3；C
p
为材料的恒压热容，J/(kg
·
K)；k为材料的热导率，W/(m
·
K)；上式中，热源来源于发热导体热量Q0、热对流传热Q1以及热辐射传热Q2；表达式如下式(3)所示：Q＝Q0+Q1+Q2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)考虑单位面积上流体和固体界面的传热过程，其热量表示如下式(4)：Q1＝h
c
(T1‑
T2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，Q1为单位面积界面传递的热量，W/m2；h
c
为对流换热系数，W/(m2·
K)；T1，T2分别为流体和固体温度，K；热辐射换热速率公式如下式(5)所示：其中，Q2为净热辐射换热量，W/m2；ω
i
为材料的发射率，0～1；S
B
为斯提芬博尔赫兹常数，5.67
×
10
‑8W/(m2·
K4)；T
s1
为固体1表面温度；T
s2
为固体2表面温度；对上述系统，建立如下式(6)的单输入单输出系统，输入变量为导体发热功率，输出变量为温度变量；其中，A，b，c，E为系数矩阵，y(t)为输出变量，x(t)为状态变量，u(t)为输入变量；y(t)为整个系统的温度矩阵，u(t)为系统的输入参数；使用双侧Arnoldi方法进行降阶：将krylov子空间的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭宗仁，张语桐，吴泽华，刘鹏，吴子豪，
申请(专利权)人：国网陕西省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：