一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，涉及复合绝缘子均压环设计的技术领域，步骤包括：建立复合绝缘子二维轴对称几何模型，设定复合绝缘子各组成部分和周围空气的物性参数；建立考虑绝缘子体电流、绝缘子沿面电流和空气体电流的复合绝缘子表面电荷积聚仿真模型；确定均压环初始安装位置、环半径和管半径的变化范围，利用所述复合绝缘子表面电荷积聚仿真模型随机计算产生初始种群；确定优化目标函数并定义适应度函数为目标函数的倒数，适应度最大的遗传染色体不参加变异，其他遗传染色体以变异概率P进行变异，共迭代变异M次；从最终得到的种群中选择最优个体，即均压环初始安装位置、环半径和管半径的最优参数。的最优参数。的最优参数。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法


[0001]本专利技术涉及复合绝缘子均压环设计的
，特别是涉及一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法。

技术介绍

[0002]±
800kV特高压直流（UHVDC）复合绝缘子，通常用于将高压导体与地面电气隔离并对其进行机械支撑，由于其高机械稳定性和优异的耐污闪性，是特高压直流输电系统中的重要设备。通常，复合绝缘子绝缘承受电应力的影响，UHVDC复合绝缘子的长度超过10m。为了确保此类长复合绝缘子的稳定性和可靠性，有必要充分考虑其电绝缘强度。因此，有必要控制复合绝缘子的表面电场强度以满足绝缘要求。
[0003]表面电场的不均匀分布是导致绝缘失效的主要诱发因素之一。为了平滑表面电场，复合绝缘子两端的均压环至关重要，必须根据设计和运行经验谨慎确定。通常，均压环的参数设计涉及内径、外径以及沿绝缘子的适当位置。现有的均压环优化技术中，通过有限元法或边界元法计算绝缘子的沿面电场，并引入人工智能算法来获得在给定外加电压下的均压环优化配置方案。对于直流复合绝缘子，表面电场的分布由绝缘子电阻率和表面电荷密度决定。然而，以往的研究在计算沿面电场分布时没有考虑累积电荷的影响。事实上，表面电荷在直流电场中大量积聚在复合绝缘子表面，并显著影响复合绝缘子的表面电场，并可能进一步影响均压环的优化结果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，能够提高复合绝缘子均压环参数优化的准确度。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，包括以下步骤：S1：运用有限元分析软件，建立考虑表面电荷积累的二维轴对称模型进行复合绝缘子沿面稳态电场计算；S2：利用S1步骤中获得的复合绝缘子沿面稳态电场分布，采用遗传算法对复合绝缘子均压环参数进行仿真优化。
[0006]进一步地，所述的步骤S1的具体子步骤包括：S11：建立复合绝缘子二维轴对称几何模型，设定复合绝缘子各组成部分和周围空气的物性参数；S12：考虑绝缘子体电流、绝缘子沿面电流和空气体电流，建立复合绝缘子表面电荷积聚仿真模型，复合绝缘子表面电荷密度的具体表达式为：其中，J
IV
为复合绝缘子体电流，J
IS
为复合绝缘子沿面电流，J
G
为空气体电流。
[0007]进一步地，所述的复合绝缘子体电流J
IV
的具体表达式为：其中，kv(T)是绝缘子的体电导率，ε0是真空介电常数，ε
I
是绝缘子相对介电常数，E
I
是绝缘子内部电场强度。
[0008]进一步地，所述的复合绝缘子沿面电流J
IS
的具体表达式为：其中，d
L
是表面电荷积聚薄层厚度，E
t
是绝缘子沿面电场的切向分量。
[0009]进一步地，所述的空气体电流J
G
的具体表达式为：其中，e是元电荷，E
G
是空气域中的电场，b
+
是正电荷迁移率，b
−
是负电荷迁移率，k是玻尔兹曼常数，T是环境温度，n
+
和n
−
分别是正电荷和负电荷密度，n
+
和n
−
的具体表达式为：为：
∂
n
IP
/
∂
t是空气中的离子对产生率；空气域中电场E
G
的具体表达式为：的具体表达式为：的具体表达式为：为空气域中的电势分布。
[0010]进一步地，所述的步骤S2的具体子步骤包括：S21：确定3个需优化的变量：均压环初始安装位置H，均压环环半径R，均压环管半径r的范围分别为[H1,H2]，[R1,R2]和[r1,r2]；S22：对优化变量H，R和r进行实数编码，利用步骤S1所述方法随机计算产生包含N个遗传染色体X
i
的初始种群，i=1
…
30，每一个遗传染色体X
i
包含2个信息，分别是利用步骤S1求得的均压环表面最大电场强度E
i
‑
1max
和绝缘子沿面最大电场强度E
i
‑
2max
；S23：确定优化目标函数f为： ；S24：基于遗传算法迭代变异的优化方法为：定义适应度函数为目标函数f的倒数，适应度最大的遗传染色体不参加变异，其他遗传染色体以变异概率P进行变异，共迭代变异M次，从最终得到的种群中选择最优个体，即均压环最优参数H
o
，R
o
和r
o
。
[0011]本专利技术的有益效果是：基于有限元和遗传算法相结合的复合绝缘子均压环参数优化方法，一方面，利用了有限元优势，采用离散分片技术快速求解考虑表面积累电荷影响下的绝缘子沿面电场分布偏微分方程组，能够提高复合绝缘子均压环参数优化的准确度；另一方面，相比于传统的响应面模型优化法（ANSYS有限元软件自带优化工具箱），遗传算法不依赖于有限元计算样本数量，其所需样本数量更少，计算时间相对较短，在计算效率方面具有一定的优越性。
附图说明
[0012]图1为考虑表面电荷积累影响的均压环优化方法示意图；图2为考虑表面电荷积累的绝缘子沿面稳态电场计算二维轴对称模型示意图；图3为均压环优化后的绝缘子表面电荷密度分布图；图4为均压环优化前后的绝缘子沿面（图2中的AB段）电场分布图。
具体实施方式
[0013]下面将结合实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0014]参阅图1
‑
图4，本专利技术提供一种技术方案：一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，包括以下步骤：S1：运用有限元分析软件，建立考虑表面电荷积累的二维轴对称模型进行复合绝缘子沿面稳态电场计算；S2：利用S1步骤中获得的复合绝缘子沿面稳态电场分布，采用遗传算法对复合绝缘子均压环参数进行仿真优化。
[0015]所述的步骤S1的具体子步骤包括：S11：建立复合绝缘子二维轴对称几何模型，设定复合绝缘子各组成部分和周围空气的物性参数。
[0016]本实施例中的复合绝缘子为应用于云贵直流工程中的
±
800kV复合绝缘子，将复合绝缘子芯棒的相对介电常数设置为4、体积电导率设置为1
×
10
‑
15
S/m，复合绝缘子伞裙的相对介电常数设置为6.5、体积电导率设置为1
×
10
‑
13
S/m，复合绝缘子芯棒的相对介电常数设置为4、体积电导率设置为1
×...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：运用有限元分析软件，建立考虑表面电荷积累的二维轴对称模型进行复合绝缘子沿面稳态电场计算；S2：利用S1步骤中获得的复合绝缘子沿面稳态电场分布，采用遗传算法对复合绝缘子均压环参数进行仿真优化。2.根据权利要求1所述的一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，其特征在于：所述的步骤S1的具体子步骤包括：S11：建立复合绝缘子二维轴对称几何模型，设定复合绝缘子各组成部分和周围空气的物性参数；S12：考虑绝缘子体电流、绝缘子沿面电流和空气体电流，建立复合绝缘子表面电荷积聚仿真模型，复合绝缘子表面电荷密度的具体表达式为：其中， J
IV
为复合绝缘子体电流， J
IS
为复合绝缘子沿面电流，J
G
为空气体电流。3.根据权利要求2所述的一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，其特征在于：所述的复合绝缘子体电流J
IV
的具体表达式为：其中，kv(T)是绝缘子的体电导率，ε0是真空介电常数，ε
I
是绝缘子相对介电常数，E
I
是绝缘子内部电场强度。4.根据权利要求2所述的一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，其特征在于：所述的复合绝缘子沿面电流J
IS
的具体表达式为：其中，d
L
是表面电荷积聚薄层厚度，E
t
是绝缘子沿面电场的切向分量。5.根据权利要求2所述的一种考虑表面电荷积累的复合绝缘子均压环优化方法，其特征在于：所述的空气体电流J
G
的具体表达式为：其中，e是元电荷，E
G
是空气域中的电场，b

【专利技术属性】
技术研发人员：张禹，
申请(专利权)人：苏州纬讯光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：