一种梯度绝缘子的设计方法、系统及装置制造方法及图纸

本申请适用于高电压电力设备制备技术领域，提供了一种梯度绝缘子的设计方法、系统及装置，包括：获取第一介电常数，第一介电常数用于表征采用点阵材料的梯度绝缘子的介电常数；对第一介电常数进行优化处理，得到第二介电常数；将第二介电常数输入第一预测模型，获得第一半径，第一预测模型是基于梯度绝缘子的桁架半径样本数据和梯度绝缘子的介电常数样本数据训练得到的；基于第一半径，生成梯度绝缘子的三维结构模型。通过上述方式，不仅能够在不改变绝缘子的几何结构的基础上，有效优化梯度绝缘子的沿面电场分布和缓解局部电场集中现象，从而大幅提升绝缘子的绝缘性能，有效减少梯度绝缘子沿面闪络的发生，还能够有力促进电力设备小型化发展。力设备小型化发展。力设备小型化发展。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度绝缘子的设计方法、系统及装置


[0001]本申请属于高电压电力设备制备
，尤其涉及一种梯度绝缘子的设计方法、系统及装置。

技术介绍

[0002]绝缘子广泛应用于架空输电线路中，可支持和固定带电导体，并与地绝缘，或置于多个带电导体之间进行绝缘。然而在实际使用过程中，由于绝缘子在外部电场作用下，其内部少量载流子定向移动形成电流，导致绝缘子呈带电现象，极易发生固体绝缘子沿面闪络事故，严重影响电力系统的安全稳定运行。现有研究普遍认为，固体绝缘子表面电场分布不均匀，以及局部电场过高会使绝缘子表面产生放电，进而发展为沿面闪络。因此，提升固体绝缘子的绝缘性能，防止其发生沿面闪络，已经成为制约电力设备发展的关键问题。
[0003]为解决这一问题，近年来技术人员尝试通过改善绝缘子几何结构的方法来优化绝缘子沿面电场分布，然而实际使用过程中，其优化效果有限，且复杂的几何结构增加了制造的成本和难度，且实用性不高。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供了一种梯度绝缘子的设计方法、系统及装置，能够在不改变绝缘子几何结构的基础上，有效改善梯度绝缘子的沿面电场分布和缓解局部电场集中现象，提高固体绝缘子的绝缘性能，减少梯度绝缘子沿面闪络的发生，从而确保了电力系统的安全稳定运行。
[0005]第一方面，本申请实施例提供了一种梯度绝缘子的设计方法，包括：
[0006]获取第一介电常数，所述第一介电常数用于表征采用点阵材料的梯度绝缘子的介电常数；
[0007]基于所述第一介电常数进行优化处理，得到第二介电常数，所述第二介电常数用于表征经过优化处理后所述绝缘子的介电常数；
[0008]将所述第二介电常数输入第一预测模型，获得第一半径，所述第一预测模型是基于梯度绝缘子的桁架半径样本数据和梯度绝缘子的介电常数样本数据训练得到的，所述第一半径是所述第二介电常数对应的桁架半径；
[0009]基于所述第一半径，生成梯度绝缘子的三维结构模型，所述三维结构模型用于生成点阵梯度绝缘子。
[0010]在本申请实施例中，通过利用优化处理后的第二介电常数计算第一半径，并基于所述第一半径生成梯度绝缘子的三维结构。相较于调整绝缘子几何结构的方式，本申请提供的梯度绝缘子设计方法并不改动原有梯度绝缘子结构，而是将介电常数与桁架半径相关联，通过对其上的介电常数分布进行调整，进而利用调整后的介电常数定量调整绝缘子尺寸。这种方式可以有效优化绝缘子的沿面电场分布，降低三结合点处电场集中，从而大幅提升绝缘子的绝缘性能，有效降低了绝缘子因沿面闪络而被损毁的可能性。
[0011]在一种可能的实现方式里，所述对所述第一介电常数进行优化处理，得到第二介电常数，包括：
[0012]基于目标函数，对第一虚拟密度进行优化，得到第二虚拟密度，所述第一虚拟密度与所述第一介电常数相关；
[0013]获取映射关系，所述映射关系至少包括第二介电常数和第二虚拟密度的对应关系；
[0014]通过所述映射关系和所述第二虚拟密度，获取所述第二介电常数。
[0015]在一种可能的实现方式里，所述目标函数至少包括固体各向同性材料惩罚插值模型和梯度惩罚项。
[0016]基于SIMP使第一虚拟密度的数值尽可能趋近0或1，可以有效降低后续加工制造绝缘子的难度；以及在优化过程中，当绝缘子的某处区域第一介电常数分布太过复杂(例如，棋盘格或锯齿形界面)时，梯度惩罚项可简化此处区域的第一介电常数分布，从而有效抑制数值不稳定性。
[0017]在一种可能的实现方式里，所述目标函数满足下式：
[0018]findρ＝{ρ1,ρ2,
…
,ρ
i
,
…
ρ
n
},0<ρ
min
≤ρ
i
≤1,i＝1,2,
…
,n
[0019][0020]s.t.ε＝(ε
max
‑
ε
min
)ρ
ip
+ε
min p>0,i＝1,2,
…
,n
[0021]其中，ρ为第一虚拟密度，n为微小单元的个数；f
E_opt
为绝缘子沿线电场均匀程度函数，f
grad
为梯度惩罚项，q为梯度惩罚项的比例系数；f
E_opt
中的两个子目标分别表征沿线电场均匀度和三结合点处的电场强度，第一个子目标为梯度绝缘子沿线电场均匀度，其中，w为权重系数，C
ref
为归一化参数值，Ω2为梯度绝缘子与绝缘气体的交界线，Ω为积分计算域的面积，E为沿线各点的电场强度，E
mean
为平均场强；第二个子目标为当前三结合点处的电场强度E
TJ
与初始条件下电场强度值E
TJ0
的比值；Ω1为梯度绝缘子设计区域，h
mesh
为梯度绝缘子设计区域Ω1的网格单元尺寸，A为设计区域Ω1的面积；ε
max
为所述第一介电常数ε
lattice
的上限，ε
min
为所述第一介电常数ε
lattice
的下限，p为固体各向同性材料惩罚插值函数的变量参数。
[0022]在一种可能的实现方式里，在将所述第二介电常数输入第一预测模型之前，所述方法还包括：
[0023]获取样本数据，所述样本数据包括梯度绝缘子的介电常数、梯度绝缘子的桁架半径；
[0024]根据桁架材料介电常数、填料材料介电常数，以及所述样本数据，通过前馈神经网络进行拟合训练，获得所述第一预测模型。
[0025]通过建立第一预测模型的方式，可以精准预测梯度绝缘子的介电常数，从而节省仿真计算时间；还可以基于梯度绝缘子的介电常数与梯度绝缘子的桁架半径之间的数学关
系，获得精确的桁架半径取值，为生成梯度绝缘子的三维结构模型奠定坚实基础。
[0026]在一种可能的实现方式里，所述方法还包括：
[0027]基于桁架材料介电常数、填料材料介电常数、第二半径，获得点阵单胞的总电场能量，所述点阵单胞为梯度绝缘子的基本组成单元；
[0028]根据第一高度、第一面积、第一电压、真空介电常数、所述总电场能量，获取所述第一介电常数，其中所述第一高度用于表征所述点阵单胞的高度值，所述第一面积用于表征所述点阵单胞的上表面积，所述第一电压用于表征施加在所述点阵单胞上下边界的电压值。
[0029]通过有限元方法获取第一介电常数的方式，不仅可以精准仿真得到第一介电常数的取值，避免了耗费大量时间精力进行测试的情况；而且可以为后续训练第一预测模型提供样本数据。
[0030]在一种可能的实现方式里，所述第一介电常数满足下式：
[0031][0032]其中，ε
lattice
表示所述第一介电常数，h表示所述第一高度，W表示所述总电场能量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度绝缘子的设计方法，其特征在于，包括：获取第一介电常数，所述第一介电常数用于表征采用点阵材料的梯度绝缘子的介电常数；基于所述第一介电常数进行优化处理，得到第二介电常数，所述第二介电常数用于表征经过优化处理后所述绝缘子的介电常数；将所述第二介电常数输入第一预测模型，获得第一半径，所述第一预测模型是基于梯度绝缘子的桁架半径样本数据和梯度绝缘子的介电常数样本数据训练得到的，所述第一半径是所述第二介电常数对应的桁架半径；基于所述第一半径，生成梯度绝缘子的三维结构模型，所述三维结构模型用于生成点阵梯度绝缘子。2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述对所述第一介电常数进行优化处理，得到第二介电常数，包括：基于目标函数，对第一虚拟密度进行优化，得到第二虚拟密度，所述第一虚拟密度与所述第一介电常数相关；获取映射关系，所述映射关系至少包括第二介电常数和第二虚拟密度的对应关系；通过所述映射关系和所述第二虚拟密度，获取所述第二介电常数。3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述目标函数至少包括固体各向同性材料惩罚插值模型和梯度惩罚项。4.如权利要求2或3所述的设计方法，其特征在于，所述目标函数满足下式：findρ＝{ρ1,ρ2,
…
,ρ
i
,
…
ρ
n
},0<ρ
min
≤ρ
i
≤1,i＝1,2,
…
,ns.t.ε＝(ε
max
‑
ε
min
)ρ
ip
+ε
min p>0,i＝1,2,
…
,n其中，ρ为第一虚拟密度，n为微小单元的个数；f
E_opt
为绝缘子沿线电场均匀程度函数，f
grad
为梯度惩罚项，q为梯度惩罚项的比例系数；f
E_opt
中的两个子目标分别表征沿线电场均匀度和三结合点处的电场强度，第一个子目标为梯度绝缘子沿线电场均匀度，其中，w为权重系数，C
ref
为归一化参数值，Ω2为梯度绝缘子与绝缘气体的交界线，Ω为积分计算域的面积，E为沿线各点的电场强度，E
mean
为平均场强；第二个子目标为当前三结合点处的电场强度E
TJ
与初始条件下电场强度值E
TJ0
的比值；Ω1为梯度绝缘子设计区域，h
mes...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，李文栋，张宇程，王超，陈俊鸿，李金殊，刘子豪，邓军波，张冠军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：