550kV GIS盆式絕緣子小型化設(shè)計（一）——幾何形狀優(yōu)化

王 超 李文棟 陳泰然 李文強(qiáng) 宮瑞磊 張冠軍

550kV GIS盆式絕緣子小型化設(shè)計（一）——幾何形狀優(yōu)化

王 超1李文棟1陳泰然2李文強(qiáng)3宮瑞磊3張冠軍1

（1. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2. 國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司 泰安 271000 3. 山東泰開高壓開關(guān)有限公司 泰安 271000）

在保證氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）絕緣強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，為減少SF6氣體使用量、縮小設(shè)備體積，基于有限元仿真及數(shù)值優(yōu)化方法開展了針對工程實(shí)際中的550kV盆式絕緣子小型化設(shè)計研究。在中心導(dǎo)桿與密封罐體之間距離縮小10%的條件下，通過對盆體凸面、凹面輪廓以及兩端厚度的形狀優(yōu)化，可使得沿面電場分布更加均勻，盆體中心導(dǎo)體側(cè)及低壓法蘭處的機(jī)械應(yīng)力集中現(xiàn)象得到大幅緩解。相較于原始結(jié)構(gòu)，經(jīng)幾何形狀優(yōu)化后的盆式絕緣子顯著提升了的電氣性能和力學(xué)性能。優(yōu)化后的小型化絕緣子凹面沿面最大電場強(qiáng)度及最大形變量可分別降低25.4%和29.9%，并可減少盆式絕緣子6.1%的環(huán)氧復(fù)合材料使用量以及GIS密封罐體內(nèi)約15%的SF6氣體使用量。該文提出的GIS小型化改造方案兼顧了電氣和力學(xué)性能，具有較高的制造可行性和應(yīng)用前景，能夠?yàn)榫o湊型、環(huán)境友好型GIS設(shè)備的研制提供參考。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備 盆式絕緣子 小型化 有限元仿真 幾何形狀優(yōu)化

0 引言

SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）因其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、配置靈活、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在高壓輸電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。由于極強(qiáng)的自由電子吸附能力和良好的二次復(fù)合特性（在電弧中分解的低價氟化物在熄弧后能夠迅速還原），SF6氣體耐電強(qiáng)度高，是目前最理想的絕緣和滅弧介質(zhì)。然而SF6作為溫室效應(yīng)氣體，單個分子對溫室效應(yīng)的影響約為CO2的23 900倍[4]。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者積極探索SF6/N2、干燥空氣、C4F7N、CF3I以及C5F10O等多種新型環(huán)保絕緣氣體及其組合[5-8]。經(jīng)過多年的努力，對于環(huán)保氣體的絕緣與滅弧性能研究均取得了一些重要進(jìn)展，為電力裝備環(huán)?；壍於藞詫?shí)的基礎(chǔ)。但目前幾種具有應(yīng)用前景的環(huán)保氣體的綜合性能（尤其是滅弧性能）仍無法媲美SF6，且在降低工業(yè)化生成成本、設(shè)備長期帶電考核方面仍有待進(jìn)一步深入研究。

通過GIS設(shè)備小型化可在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上減少SF6氣體的使用量，同時也可與未來發(fā)展的環(huán)保氣體技術(shù)相結(jié)合，降低生產(chǎn)成本。例如，隨著設(shè)計能力及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增加，145kV及以下電壓等級的GIS設(shè)備逐漸由分箱型發(fā)展到三相共箱型，不僅顯著降低了絕緣氣體的使用量，減少的材料使用量還使其具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。但對于更高電壓等級的GIS設(shè)備，出于運(yùn)行安全性的考慮，仍廣泛采用一相一殼式的分箱結(jié)構(gòu)。目前，高電壓等級的GIS主要研究工作集中于在一定絕緣距離下絕緣結(jié)構(gòu)局部幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，即通過遺傳算法、粒子群算法等優(yōu)化方法，以絕緣子、屏蔽罩等結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)為設(shè)計變量，降低沿面/界面的電場分布為目標(biāo)，對現(xiàn)有的絕緣結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)[11-13]。但基于坐標(biāo)位置調(diào)整的尺寸參數(shù)優(yōu)化方法設(shè)計空間有限，容易提早陷入局部極值。此外，當(dāng)存在局部電場畸變區(qū)域時，幾何形狀優(yōu)化效果有限，且易造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜度上升。為解決這一問題，本團(tuán)隊在前期研究中提出了基于幾何形狀/介電分布綜合優(yōu)化的盆式絕緣子優(yōu)化設(shè)計方法[14]，為高電壓等級GIS絕緣子小型化提供了新思路。

在此背景下，針對某廠家550kV交流GIS盆式絕緣子開展了小型化設(shè)計，研究內(nèi)容可分為三部分：幾何形狀優(yōu)化、介電分布優(yōu)化與結(jié)構(gòu)制造及驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)在滿足電氣強(qiáng)度的基礎(chǔ)上罐體絕緣距離縮小15%，絕緣氣體使用量減少20%，為小型化、高可靠性、低成本和GIS設(shè)備制造提供參考。作為系列文章第一部分，本文研究內(nèi)容為幾何形狀優(yōu)化，在絕緣距離縮小10%的條件下，通過控制多項式函數(shù)中的參量可在近似矩形區(qū)域內(nèi)尋找支撐絕緣子的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，相較基于坐標(biāo)的優(yōu)化方法，本文優(yōu)化方法具有設(shè)計變量少、尋優(yōu)空間大、計算效率高的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)化過程揭示了盆式結(jié)構(gòu)的合理性，且得到的小型化盆式絕緣子電氣、力學(xué)性能夠滿足設(shè)計控制值，為后續(xù)介電分布優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

1 優(yōu)化前盆式絕緣子電氣、力學(xué)性能

1.1 盆式絕緣子結(jié)構(gòu)及電場/力場許用值

550kV盆式絕緣子的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要組成部分包括中心高壓導(dǎo)桿、絕緣子凸面和凹面?zhèn)鹊钠帘握?、中心嵌件、絕緣子盆體、接地金屬罐體、安裝法蘭及密封圈等。為了提高計算效率，在不影響計算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上忽略了聯(lián)結(jié)螺栓等細(xì)節(jié)。圖1b所示三維結(jié)構(gòu)更為直觀地描繪了GIS絕緣系統(tǒng)的組成，盆式絕緣子隔離不同電位的導(dǎo)桿和罐體，并隔絕上、下兩個氣室；盆體凸面及凹面兩側(cè)的屏蔽罩可有效降低絕緣子中心導(dǎo)體側(cè)的電場；法蘭處的密封圈通常由摻有導(dǎo)電材料的三元乙丙橡膠制得，起到了密封和降低接地法蘭處電場的作用；為了屏蔽盆體接地法蘭側(cè)的電場，法蘭轉(zhuǎn)角處的罐體設(shè)有“R”弧型凸起，構(gòu)成的電磁屏蔽坑可降低其內(nèi)部的電場強(qiáng)度[15]。

圖1 550kV盆式絕緣子結(jié)構(gòu)

根據(jù)前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果及設(shè)計建議，該絕緣系統(tǒng)的電場及機(jī)械應(yīng)力分布應(yīng)滿足[16]：

（1）雷電沖擊下，屏蔽罩表面電場強(qiáng)度許用值不得超過間隙許用電場強(qiáng)度24kV/mm。

（2）雷電沖擊下，盆式絕緣子沿面電場強(qiáng)度不得超過間隙許用電場強(qiáng)度的一半，即12kV/mm。

（3）工作電壓下，盆式絕緣子內(nèi)部場強(qiáng)應(yīng)不超過空氣間隙的擊穿場強(qiáng)3kV/mm。

（4）水壓試驗(yàn)下，絕緣子內(nèi)部應(yīng)力不超過其破壞應(yīng)力值1，絕緣子和嵌件粘結(jié)處應(yīng)力不得超過材料本身的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度2。

表1 仿真模型中所用材料參數(shù)

Tab.1 Materials properties in the simulation models

1.2 電場分布仿真

根據(jù)1.1節(jié)所述的試驗(yàn)規(guī)程，應(yīng)校核盆式絕緣子在雷電沖擊作用下的電氣性能。按照慣例，由于雷電沖擊電壓波長遠(yuǎn)大于絕緣系統(tǒng)的尺寸，忽略時間效應(yīng)，考察穩(wěn)態(tài)下的靜電場分布。利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件，建立全尺寸的絕緣系統(tǒng)并設(shè)置相應(yīng)的材料屬性和邊界條件。中心導(dǎo)桿、嵌件及屏蔽罩設(shè)為接觸良好的高壓端（1 675kV），罐體設(shè)為接地，網(wǎng)格剖分設(shè)為極細(xì)化。在沿面電場計算過程中，提取氣體側(cè)距絕緣子表面0.5mm位置作為計算區(qū)域，相較于直接取實(shí)際絕緣子表面電場分布，此時計算得到的沿面電場模值更高，考核更為嚴(yán)苛。得到的電場強(qiáng)度分布如圖2所示，最大電場強(qiáng)度位置出現(xiàn)在絕緣子凹面?zhèn)鹊钠帘握直砻?，?2.58kV/mm。盆體凸面和凹面的最大電場強(qiáng)度分別為14.55kV/mm和15.12kV/mm，可見，凸面和凹面最大電場強(qiáng)度均超過了許用值d（12kV/mm）。

圖2 550kV盆式絕緣子優(yōu)化前電場分布

除了電場模值外，切向電場分量也是影響閃絡(luò)電壓的重要因素。絕緣子兩側(cè)氣/固界面的最大切向場分量均出現(xiàn)在盆體靠近屏蔽罩的位置，最大值如圖2中白色文字所示，分別為7.83kV/mm和9.75kV/mm。此外，盆體內(nèi)部的最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在了嵌件的表面（14.85kV/mm），換算到工作電壓下為4.43kV/mm，超過了內(nèi)部電場強(qiáng)度許用值（3kV/mm），但考慮到在生產(chǎn)工藝中常在嵌件表面涂覆半導(dǎo)電的橡膠材料，可在一定程度上降低金屬表面的電場，故可放寬對嵌件表面電場的要求。

提取的盆體沿面電場分布如圖3所示，絕緣子沿面爬電距離約為280mm，整體上電場強(qiáng)度呈現(xiàn)出不對稱的倒“U型”分布，即盆體靠近高壓端的一側(cè)電場較為集中，超過了平均電場強(qiáng)度av(9.05kV/mm)，而靠近接地側(cè)的電場較低，材料耐電強(qiáng)度沒有得到充分利用。另外，值得注意的是，根據(jù)圖3中電場云圖可知，由于法蘭處“楔形”氣隙的存在，靠近“R”弧型凸起處的絕緣子表面出現(xiàn)了顯著的電場畸變現(xiàn)象，這應(yīng)在之后的優(yōu)化過程中給予重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 550kV盆式絕緣子優(yōu)化前沿面電場分布

1.3 機(jī)械應(yīng)力分布仿真

除了電場強(qiáng)度外，絕緣子在運(yùn)行過程中長期受到的機(jī)械應(yīng)力同樣需要著重考慮。在許多情況下，局部集中的機(jī)械應(yīng)力會造成絕緣子界面處出現(xiàn)裂痕、氣隙等缺陷，逐步劣化導(dǎo)致出現(xiàn)局部放電，進(jìn)一步發(fā)展引發(fā)擊穿炸裂事故[17]。根據(jù)1.1節(jié)描述的仿真參數(shù)設(shè)置，計算盆式絕緣子的機(jī)械應(yīng)力（von Mises應(yīng)力）分布。具體地，根據(jù)NB/T 42105—2016標(biāo)準(zhǔn)，模擬水壓試驗(yàn)形式，在盆式絕緣子的凹面?zhèn)仁┘?.4MPa的壓力，同時對中心嵌件和法蘭邊緣處施加固定約束。需要指出的是，為了計算的準(zhǔn)確性，將金屬/絕緣界面處有限元剖分網(wǎng)格的最大尺寸設(shè)置為1mm。仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出，在2.4MPa的壓力下，絕緣子最大形變量可達(dá)0.64mm，金屬/絕緣界面的最大應(yīng)力值為96.40MPa，超過了環(huán)氧材料的拉伸破壞應(yīng)力（70MPa），故應(yīng)在后續(xù)的優(yōu)化過程中予以改善。

圖4 550kV盆式絕緣子化前應(yīng)力分布

2 優(yōu)化模型建立及算法求解

2.1 模型建立及優(yōu)化問題提取

總結(jié)現(xiàn)有絕緣結(jié)構(gòu)存在的問題：盆式絕緣子凹面高壓側(cè)和凸面法蘭側(cè)的電場強(qiáng)度過大，局部區(qū)域甚至超過12kV/mm這一設(shè)計許用值，尤其當(dāng)絕緣距離需進(jìn)一步縮小時，局部電場集中問題會越發(fā)突出。嵌件與樹脂之間的局部機(jī)械應(yīng)力超過70MPa，變形量較大，這無疑對盆式絕緣子所用材料的力學(xué)性能提出了更高的要求。

為改善現(xiàn)有絕緣結(jié)構(gòu)的電場、機(jī)械應(yīng)力場分布，設(shè)計小型化、緊湊化的GIS系統(tǒng)，從絕緣材料設(shè)計角度建立盆式絕緣子的數(shù)值優(yōu)化模型。值得注意的是，現(xiàn)有仿真模型中屏蔽罩的幾何形狀已經(jīng)是經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)后性能較優(yōu)的結(jié)構(gòu)，故在后續(xù)優(yōu)化過程中不考慮屏蔽罩的尺寸變化。為了滿足小型化的設(shè)計要求，在中心導(dǎo)桿至圓筒形外殼內(nèi)壁的絕緣距離減少10%的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了絕緣子建模及優(yōu)化參數(shù)提取工作。小型化絕緣系統(tǒng)建立及設(shè)計參數(shù)提取如圖5所示，為保證管道的載流能力，絕緣距離減小的同時中心導(dǎo)桿直徑保持不變。絕緣子兩端的虛線表示絕緣子中心導(dǎo)體側(cè)和接地法蘭側(cè)的中心線，為了避免絕緣子軸向整體高度發(fā)生較大改變，兩者的垂直距離在優(yōu)化過程中保持不變。設(shè)計變量為兩端中心線至絕緣子凸面和凹面的距離，即中心導(dǎo)體側(cè)的1和2以及法蘭側(cè)的1和2。為了方便描述，將1、2、1和2統(tǒng)稱為厚度變量，通過厚度變量的變化可在較大范圍內(nèi)控制絕緣子軸向高度的變化。針對盆體凸面和凹面的描述，采用式（1）所示的伯恩斯坦多項式 (Bernstein polynomial)()逼近閉區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)[14]。

式中，自變量r為歸一化后的橫坐標(biāo)位置；n為階次；T0為因變量的高度（即為圖5中的T10或T20）。

為保證曲線過渡平滑，在原始模型的基礎(chǔ)上截取了表面輪廓曲線導(dǎo)數(shù)為零的位置作為()的起點(diǎn)和終點(diǎn)，在曲線起點(diǎn)處，函數(shù)值設(shè)為0，而在輪廓終點(diǎn)處的值為零。為防止盆體忽薄忽厚，進(jìn)一步限制曲線的導(dǎo)數(shù)小于零，保證優(yōu)化過程輪廓保持單調(diào)遞減[14]。

圖6給出了不同階次下（=3,4,5,6）單調(diào)伯恩斯坦多項式的變化范圍，可見隨著階數(shù)的增加，輪廓的變化范圍逐漸增大，能夠在更大的設(shè)計空間內(nèi)尋找最優(yōu)值，但與此同時控制變量的數(shù)目也隨之增加，不利于后續(xù)的計算求解。故經(jīng)過權(quán)衡后，采用5階函數(shù)描述盆體的輪廓變化。

圖6 不同階次下T(r)變化范圍

由于約束條件的限制，式（1）所示的5階函數(shù)變量僅剩2和3，考慮到盆體的凸面和凹面，設(shè)計變量包括描述凸面輪廓的12和13、描述凹面輪廓的22和23。同樣地，將上述描述盆體輪廓的四個變量定義為輪廓變量。在厚度變量調(diào)整絕緣子整體外觀的基礎(chǔ)上，輪廓變量可進(jìn)一步描述盆體輪廓的變化細(xì)節(jié)。組合使用厚度變量和輪廓變量，即可在較大設(shè)計空間內(nèi)描述優(yōu)化過程中盆式絕緣子幾何形狀的變化。出于計算效率（過大的變量變化范圍造成不必要的數(shù)值計算負(fù)擔(dān)）和制造工藝的考慮（如絕緣子軸向高度不能過大以降低脫模難度），根據(jù)式（1）中的約束條件，結(jié)合一定次數(shù)的枚舉，確定了凸面及凹面輪廓函數(shù)()的合理約束范圍：輪廓變量中的第一（12、22）和第二（13、23）分量的變化范圍分別為7～11和6～10，同時將盆體厚度變量變化限定在3mm以內(nèi)，如式（2）所示。

優(yōu)化變量設(shè)計完成后，需根據(jù)現(xiàn)有絕緣結(jié)構(gòu)存在的問題提取優(yōu)化目標(biāo)。首先，為了均化沿面電場分布，優(yōu)化目標(biāo)中的分量1為

式中，1和2分別描述凸面和凹面的沿面積分路徑；E1和E2為沿面電場強(qiáng)度模值；11和22為沿面電場分布曲線中超過許用電場強(qiáng)度d(12kV/mm)的部分。

式中，1為盆式絕緣子所在區(qū)域；為材料密度；ref為用來歸一化的參考值。第一項的積分目標(biāo)表示盆體的質(zhì)量。由于最大應(yīng)力值表現(xiàn)出很強(qiáng)的網(wǎng)格依賴特性，不同網(wǎng)格大小下數(shù)值差異較大，故在第二項中，通過凹面加壓時的最大形變量表征力學(xué)性能優(yōu)劣，0為原始結(jié)構(gòu)的變形量。通過系數(shù)權(quán)衡質(zhì)量與形變量兩者的比重。

對于此類需考慮裝備多種不同性能的多目標(biāo)優(yōu)化問題，通過引入權(quán)重系數(shù)，可將此類問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，并應(yīng)用經(jīng)典的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行求解[18]。同時考慮盆式絕緣子電氣以及機(jī)械強(qiáng)度后，優(yōu)化問題可總結(jié)為

2.2 基于遺傳算法的優(yōu)化問題求解

優(yōu)化問題建立完成后，需選擇合適的算法進(jìn)行求解。由于設(shè)計變量與優(yōu)化目標(biāo)之間不存在顯式表達(dá)式，故在此類絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中常采用粒子群、遺傳算法等智能優(yōu)化算法。其中，遺傳算法具有潛在的并行性和隨機(jī)性，在收斂速度上雖可能不如梯度下降法，但具有得到全局最優(yōu)解和并行計算的功能，能在一定程度上避免提早收斂至局部最優(yōu)解。其原理與使用的方法已有大量文獻(xiàn)描述[12,19-20]。采用Matlab工具箱中自帶的遺傳算法求解器求解式（5）描述的優(yōu)化問題，計算流程如圖7所示。

圖7 基于遺傳算法的優(yōu)化問題求解步驟

初始種群數(shù)量為60，當(dāng)種群迭代次數(shù)超過30，或適應(yīng)度函數(shù)容差低于10%時，終止計算，并取最后一代中最優(yōu)個體作為最終輸出的優(yōu)化結(jié)果。

3 優(yōu)化結(jié)果與討論

3.1 權(quán)重系數(shù)q和w的影響

權(quán)重系數(shù)決定了優(yōu)化方向，圖8為=1、=0.2, 0.4, 0.6, 0.8時優(yōu)化得到的盆式絕緣子幾何形狀。整體上，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“兩邊厚，中間薄”的材料分布形式，并且隨著值的增加，絕緣子中間區(qū)域逐漸變薄，此時，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計成為優(yōu)化搜索的主要方向。

圖8 q=1時不同w取值下盆式絕緣子幾何結(jié)構(gòu)

圖9為不同值（=0.1, 1, 5）下隨著的增大（符號顏色越深，值越大），絕緣子沿面電場、質(zhì)量和最大形變量的變化規(guī)律?？梢钥闯?，所有優(yōu)化結(jié)果都可以使得凹面最大電場強(qiáng)度降低至12kV/mm以下。相同值下，隨著值的增大，優(yōu)化得到的絕緣子質(zhì)量逐漸減小，形變量隨之增大，凸面最大電場強(qiáng)度總體呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。在改變過程中，值選取得過大或過小，都會使得優(yōu)化目標(biāo)的變化范圍縮小。

圖9 不同q和w的取值對各優(yōu)化目標(biāo)的影響

除了沿面電場外，絕緣結(jié)構(gòu)中高壓和接地金屬表面電場也需要審慎考量。根據(jù)圖9中的投影點(diǎn)的位置，可知圓圈內(nèi)所示的=0.1,=0.2、=0.1,=0.4、=1,=0.4及=5,=0.6這四組優(yōu)化結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)形變量、質(zhì)量以及凹面電場三者的平衡。圖10給出了這四種絕緣結(jié)構(gòu)相應(yīng)的電場分布云圖。當(dāng)權(quán)重系數(shù)=5,=0.6時，絕緣子內(nèi)部電場強(qiáng)度最低（16.44kV/mm），同時凹面?zhèn)冉饘偾都砻骐妶鲆约敖拥胤ㄌm“R”弧處的電場強(qiáng)度分別為23.42kV/mm和18.13kV/mm，低于24kV/mm的設(shè)計許用值。綜合上述分析，認(rèn)為當(dāng)=5，=0.6時，盆式絕緣子的整體性能達(dá)到最優(yōu)。

圖10 不同權(quán)重系數(shù)下絕緣子電場分布

3.2 優(yōu)化前后結(jié)果對比

圖11為最優(yōu)盆式絕緣子的沿面電場及其切向分量分布。幾何形狀優(yōu)化后沿面電場呈現(xiàn)出較為理想的對稱“倒U型”分布，除了凸面接地側(cè)的局部電場畸高外，整體電場水平均低于12kV/mm，電場優(yōu)化效果顯著。優(yōu)化后的電場切向分量最大值出現(xiàn)在凹面?zhèn)?，?0.42kV/mm，略高于平均電場強(qiáng)度10.06kV/mm。

圖11 550kV盆式絕緣子優(yōu)化后沿面電場分布

優(yōu)化后的盆式絕緣子機(jī)械應(yīng)力分布如圖12所示，絕緣距離縮小后盆體的整體和局部應(yīng)力皆顯著降低。表2對比了優(yōu)化前后盆式絕緣子的各個關(guān)鍵參數(shù)。顯然，優(yōu)化后的小型化絕緣子能夠以更輕量化、緊湊化的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的電氣及力學(xué)性能，進(jìn)一步提升設(shè)備可靠性。

圖12 550kV盆式絕緣子優(yōu)化后應(yīng)力分布

表2 小型化設(shè)計前后盆式絕緣子參數(shù)對比

Tab.2 Comparison of parameters of spacer before and after compact design

4 結(jié)論

1）建立了計及機(jī)械和電氣性能的小型化550kV盆式絕緣子仿真優(yōu)化模型。利用形狀函數(shù)描繪盆式絕緣子凸面和凹面輪廓變化，顯著減少了優(yōu)化變量數(shù)目，擴(kuò)大了設(shè)計空間?；谶z傳算法優(yōu)化得到的盆式絕緣子為“兩端厚，中間薄”的結(jié)構(gòu)，并隨著優(yōu)化目標(biāo)中各分量權(quán)重系數(shù)變化呈現(xiàn)出微小的結(jié)構(gòu)差異。

2）當(dāng)權(quán)重參數(shù)=5,=0.6時，盆式絕緣子的材料用量、機(jī)械特性及電場分布均可達(dá)到較優(yōu)的狀態(tài)，較原始結(jié)構(gòu)凹面沿面最大電場強(qiáng)度以及最大形變量皆可減小25%以上，同時可節(jié)省6.1%的材料用量以及約15%的絕緣氣體用量。

3）幾何形狀優(yōu)化對盆式絕緣子整體的沿面電場具有顯著的均化作用，但對法蘭側(cè)三結(jié)合點(diǎn)區(qū)域的電場改善效果有限。絕緣子凸面?zhèn)热源嬖谳^為嚴(yán)重的電場畸變，須在后續(xù)絕緣結(jié)構(gòu)介電分布優(yōu)化過程中予以改善。

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Compact Design of 550 kV Basin-Type Spacer in Gas Insulated Switchgear (Part I) —— Structure Optimization

Wang Chao1Li Wendong1Chen Tairan2Li Wenqiang3Gong Ruilei3Zhang Guanjun1

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Tai’an Power Supply Company State Grid Shandong Electric Power Company Tai’an 271000 China 3. Shandong Taikai High Voltage Switchgear Co. Ltd Tai’an 271000 China）

In the context of guaranteeing good electrical strength of gas insulated metal enclosed switchgear (GIS), to reduce the consumption of SF6gas and downsize equipment’s volume, compact design of a 550 kV basin-type spacer used in real projects was conducted based on the finite element method and numerical optimization method. In the condition of reducing 10% insulation distance between central conductor and sealed tank, by optimizing basin-type spacer’s profile and thickness at two terminal regions, surface electric field of spacer is well-distributed and local concentrated mechanical stresses at the central conductor or sealed tank are much relieved. Comparing with original insulation system, structure of spacer obtained by structure optimization exhibits significantly improved electrical and mechanical properties. The maximum electric field along the concave and the maximum deformation of spacer could decrease by 25.4% and 29.9%, respectively. Moreover, optimized structure after compact design shows approximately a 15% decrease of SF6usage and a 6.1% reduction of epoxy composite weight. We believe that the proposed performance improvement strategy for GIS insulation system taking both electrical and mechanical properties into account, thus exhibits good manufacturing feasibility and application potential, which can provide reference for the development of compact and eco-friendly GIS equipment.

Gas insulated metal enclosed switchgear (GIS), basin-type spacer, compact design, finite element method (FEM), structure optimization

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210539

TM854

王 超 男，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)楦吣碗娦阅芄夤袒^緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計和3D打印制造。E-mail：wangchaoxjtu@qq.com

張冠軍 男，1970年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷号c放電等離子體技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail：gjzhang@xtju.edu.cn（通信作者）

西安交通大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)自由探索與創(chuàng)新—學(xué)生類項目（xzy022020023）和國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（U1766218）資助。

2021-04-17

2021-07-24

（編輯 郭麗軍）