一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，利用变密度或水平集算法求解支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电参数的最优空间分布；利用图像分割算法提取出高介电区域的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸。考虑浇注后制件的机械性能及界面粘结强度引入介电功能梯度材料分布，完善高介电区域制件的结构设计，并通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用3D打印完成制件的制造。最后，将高介电制件放入传统环氧浇注金属模具中，浇注热固化环氧树脂完成支撑绝缘子的制造。造。造。

【技术实现步骤摘要】
一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法


[0001]本专利技术属于高电压电力设备设计制造
，具体涉及一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法。

技术介绍

[0002]气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)因其占地面积小，运行环境稳定等优点，广泛应用于超、特高压变电站中。而气体绝缘管道输电(Gas Insulated Transmission Line,GIL)作为一种新型的先进输电方式，具有输送容量大、传输损耗小、安全性高等优点，常作为架空线路的替代方案，应用于特殊的输电环境中。
[0003]在GIS/GIL设备生产、安装阶段，不可避免地会在管道内部引入金属微粒，这些金属微粒在重力、电场力、洛伦兹力的作用下，会聚集在GIS/GIL中支撑绝缘子靠近法兰侧的气隙当中，由于气隙中电场强度较高，金属微粒的存在会严重畸变电场，超过SF6的耐受场强，引发局部放电乃至沿面闪络，造成电网安全事故。目前，抑制金属微粒的常规方法包括金属表面覆膜、设置微粒捕捉陷阱、法兰处设置R弧型金属屏蔽阻碍等。金属表面覆膜即通过外壳内表面涂胶或涂覆绝缘介质，可以降低微粒的带电量，从而可以防止微粒浮起，因而得到了广泛应用。但是,由于GIS/GIL内部电场分布为稍不均匀场，微粒即使不带电，微粒在电场梯度力的作用下也会向电场较强的区域运动，导致微粒浮起或附着到绝缘子表面。微粒陷阱法是在金属管道内部放置带有矩形槽的同轴金属微粒捕捉器，一旦微粒掉入陷阱中，由于上下高度差，微粒获得的能量无法使其脱陷，从而达到抑制金属微粒的目的。但这种方法一方面减小了绝缘距离，降低了设计裕度，另一方面引入额外的金属部件会与管道内壁发生摩擦，带来产生额外金属微粒的风险。法兰处设置R弧型金属屏蔽可以阻碍金属微粒运动到支撑绝缘子的两侧气隙内，但这种方法一方面带来了额外的加工流程，且难以阻碍微米级别微粒的运动。因此，全面有效的金属微粒抑制手段已经成为GIS/GIL设备发展的瓶颈。
[0004]通过改变材料介电参数空间分布可以主动调控电场，从而均化沿面电场分布或降低某区域内的电场强度。数值仿真手段可以实现物理过程的可视化和物理量的精确量化，优化绝缘配合和电气设计，如何通过数值模拟实现绝缘结构的高效优化设计是制造高性能盆式绝缘子的关键所在。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，采用精细化仿真设计结合高精度3D打印技术，可在支撑绝缘子法兰侧形成金属微粒的屏蔽区域，从而抑制局部放电的产生，保障设备的安全稳定运行。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，包括以下步骤：
[0008]S1、以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，根据拓扑优化方法求解支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电参数的最优空间分布；
[0009]S2、根据步骤S1计算得到的最优空间分布结果，采用图像分割算法提取优化得到的高介电区域光滑的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸；
[0010]S3、引入介电功能梯度材料分布，并结合步骤S2获得的高介电区域几何形状CAD图纸，通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用3D打印完成高介电制件；
[0011]S4、将步骤S3制造的高介电制件内嵌到热固化浇注成型的环氧树脂GIS/GIL支撑绝缘子中的指定位置，抑制绝缘子法兰侧的电场畸变形成金属微粒的屏蔽区域，抑制由金属微粒引起的局部放电的发生。
[0012]具体的，步骤S1中，设计变量ε(r,z),(r,z)∈Ω1，得到优化目标f如下：
[0013][0014]其中，Ω1为介电参数设计可行域，Ω2为优化目标区域1，Ω3为优化目标区域2；C
ref
为电场积分项中优化分量的归一化参数；A、h
mesh
和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度；q为权重系数，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域。
[0015]进一步的，约束条件为：
[0016][0017]0＜m＜10,0＜ρ
i
＜1,0≤q≤10
[0018][0019]其中，ε
ri
、ε
max
和ε
min
分别为第i个网格内的介电常数、介电常数变化的上限以及介电常数下限，m为密度函数形状控制系数，ρ
i
为第i个网格内的材料密度。
[0020]具体的，步骤S2中，采用图像分割算法提取高介电区域光滑的几何轮廓具体为：
[0021][0022]其中，F1(C)为优化目标，u0为图像的灰度值，C(I)为二维图像中的参数化曲线，s为积分路径，α、β和λ分别为优化目标中正的系数，C'(s)为参数化曲线的一阶导数，C”(s)为参数化曲线的二阶导数。
[0023]具体的，步骤S3中，制备高介电复合材料具体为：
[0024]通过高介电填料与聚合物共混制备复合材料；材料调制完成后，利用3D打印制造高介电制件。
[0025]进一步的，3D打印工艺为光固化3D打印或熔融堆积3D打印。
[0026]具体的，步骤S4中，将环氧树脂与氧化铝粉体混合，然后加入固化剂，倒入内嵌有3D打印高介电制件的金属模具中进行预固化，随后在120～130℃固化处理18～25h，最后将支撑绝缘子随炉冷却至室温，将高介电制件嵌入到支撑绝缘子中。
[0027]进一步的，环氧树脂：固化剂：氧化铝粉体的质量分数比为100：38：(300～320)。
[0028]进一步的，环氧树脂与氧化铝粉体在110～120℃、真空度为1～2mbar的环境下共混1～2小时，然后加入固化剂。
[0029]更进一步的。固化剂加入前，先将固化剂在温度90～100℃，真空度10～15mbar的环境下放置30～40分钟。
[0030]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0031]本专利技术一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，采用的拓扑优化算法，将设计区域离散化，通过建立介电参数与材料虚拟密度的关系构建优化数学模型，能够快速优化出用于抑制法兰处电场的高介电制件的几何结构雏形，在法兰处形成屏蔽金属微粒的低电场区域。进一步地，采用图像分割算法，将拓扑优化得到介电参数分布转换为图像的灰度，利用图像灰度梯度差异得到平滑的几何边界，生成可用于3D打印的原始文件；采用3D打印制备高介电制件，一方面能够快速实现复杂优化结构的快速、高精度的生产制造，另一方面聚合物材料本身与支撑绝缘子所用环氧树脂相容性好，界面粘结强度高。
[0032]进一步的，设计变量为支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电常数空间分布，优化目标f本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GIS/GIL支撑绝缘子法兰处局部放电抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以降低法兰侧局部气隙区域内电场强度为优化目标，根据拓扑优化方法求解支撑绝缘子法兰侧绝缘内部介电参数的最优空间分布；S2、根据步骤S1计算得到的最优空间分布结果，采用图像分割算法提取优化得到的高介电区域光滑的几何轮廓，并通过参数建模的方式获得高介电区域的几何形状的CAD图纸；S3、引入介电功能梯度材料分布，并结合步骤S2获得的高介电区域几何形状CAD图纸，通过高介电填料/聚合物共混的方式制备高介电复合材料，利用3D打印完成高介电制件；S4、将步骤S3制造的高介电制件内嵌到热固化浇注成型的环氧树脂GIS/GIL支撑绝缘子中的指定位置，抑制绝缘子法兰侧的电场畸变形成金属微粒的屏蔽区域，抑制由金属微粒引起的局部放电的发生。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，设计变量ε(r,z),(r,z)∈Ω1，得到优化目标f如下：其中，Ω1为介电参数设计可行域，Ω2为优化目标区域1，Ω3为优化目标区域2；C
ref
为电场积分项中优化分量的归一化参数；A、h
mesh
和ρ分别为计算域Ω1的面积、网格剖分的最大尺寸、以及网格内人造材料密度；q为权重系数，r为二维轴对称坐标系下的横坐标，z为二维轴对称坐标系下的纵坐标，E为优化目标区域Ω2内的电场强度，Ω为积分计算区域。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，约束条件为：0＜m＜10,0＜ρ
i
＜1,0≤q≤10其中，ε
ri
、ε
max
和ε

【专利技术属性】
技术研发人员：张冠军，王超，李文栋，尹昊阳，杨雄，张宇程，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：