一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计方法及装置。

背景技术

在电力行业中，六氟化硫(SF

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计方法及装置，能够保证绝缘子在以环保型混合气体作为绝缘介质的运行条件下满足实际工程要求。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明一实施例提供一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计方法，包括：

获取预先设置的若干组绝缘子结构参数，分别将每组所述绝缘子结构参数输入初始绝缘子模型，生成若干个绝缘子模型；

在相同温度下，分别对每一所述绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有所述绝缘子模型各部位的电场分布；

基于预先定义的模型筛选条件，根据所有所述绝缘子模型各部位的电场分布，从所有所述绝缘子模型中选择目标绝缘子模型；

根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对所述目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到所述目标绝缘子模型各部位的温度分布；

根据所述目标绝缘子模型各部位的温度分布，优化所述目标绝缘子模型，得到最优绝缘子模型。

进一步地，所述在相同温度下，分别对每一所述绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有所述绝缘子模型各部位的电场分布，具体为：

对于每一所述绝缘子模型，在相同温度下，分别计算所述绝缘子模型的切向电场强度、法向电场强度和总电场强度，得到所述绝缘子模型各部位的电场分布。

进一步地，所述计算所述绝缘子模型的切向电场强度，具体为：

在检测到所述绝缘子模型的表面电荷积聚量达到最大时，计算所述绝缘子模型的表面电场切向量的最大值，将所述表面电场切向量的最大值作为所述切向电场强度。

进一步地，所述目标绝缘子模型为高压和接地三重接头处的电场强度最小且表面的电场强度小于预设阈值的绝缘子模型。

进一步地，所述根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对所述目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到所述目标绝缘子模型各部位的温度分布，具体为：

基于所述目标绝缘子模型各部位的电场分布，根据所述绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对所述目标绝缘子模型进行温度特性计算，得到所述目标绝缘子模型各部位的温度分布。

第二方面，本发明一实施例提供一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计装置，包括：

绝缘子模型生成模块，用于获取预先设置的若干组绝缘子结构参数，分别将每组所述绝缘子结构参数输入初始绝缘子模型，生成若干个绝缘子模型；

电学参数评估模块，用于在相同温度下，分别对每一所述绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有所述绝缘子模型各部位的电场分布；

绝缘子模型筛选模块，用于基于预先定义的模型筛选条件，根据所有所述绝缘子模型各部位的电场分布，从所有所述绝缘子模型中选择目标绝缘子模型；

热力学参数评估模块，用于根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对所述目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到所述目标绝缘子模型各部位的温度分布；

绝缘子模型优化模块，用于根据所述目标绝缘子模型各部位的温度分布，优化所述目标绝缘子模型，得到最优绝缘子模型。

进一步地，所述电学参数评估模块，具体用于对于每一所述绝缘子模型，在相同温度下，分别计算所述绝缘子模型的切向电场强度、法向电场强度和总电场强度，得到所述绝缘子模型各部位的电场分布。

进一步地，所述电学参数评估模块，包括：

切向电场强度计算单元，用于在检测到所述绝缘子模型的表面电荷积聚量达到最大时，计算所述绝缘子模型的表面电场切向量的最大值，将所述表面电场切向量的最大值作为所述切向电场强度。

进一步地，所述目标绝缘子模型为高压和接地三重接头处的电场强度最小且表面的电场强度小于预设阈值的绝缘子模型。

进一步地，所述热力学参数评估模块，具体用于基于所述目标绝缘子模型各部位的电场分布，根据所述绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对所述目标绝缘子模型进行温度特性计算，得到所述目标绝缘子模型各部位的温度分布。

本发明的实施例，具有如下有益效果：

通过将预先设置的若干组绝缘子结构参数分别输入初始绝缘子模型，生成若干个绝缘子模型；在相同温度下，分别对每一绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有绝缘子模型各部位的电场分布；基于预先定义的模型筛选条件，根据所有绝缘子模型各部位的电场分布，从所有绝缘子模型中选择目标绝缘子模型；根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布；根据目标绝缘子模型各部位的温度分布，优化目标绝缘子模型，得到最优绝缘子模型，能够保证绝缘子在以环保型混合气体作为绝缘介质的运行条件下满足实际工程要求。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施例中示例的初始绝缘子模型的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中示例的最优绝缘子模型的结构示意图；

图4为本发明第一实施例中示例的最优绝缘子模型上表面的电场强度示意图；

图5为本发明第一实施例中示例的最优绝缘子模型下表面的电场强度示意图；

图6为本发明第二实施例中的一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。本实施例提供的方法可以由相关的终端设备执行，且下文均以处理器作为执行主体为例进行说明。

如图1所示，第一实施例提供一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计方法，包括步骤S1～S5：

S1、获取预先设置的若干组绝缘子结构参数，分别将每组绝缘子结构参数输入初始绝缘子模型，生成若干个绝缘子模型；

S2、在相同温度下，分别对每一绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有绝缘子模型各部位的电场分布；

S3、基于预先定义的模型筛选条件，根据所有绝缘子模型各部位的电场分布，从所有绝缘子模型中选择目标绝缘子模型；

S4、根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布；

S5、根据目标绝缘子模型各部位的温度分布，优化目标绝缘子模型，得到最优绝缘子模型。

作为示例性地，在步骤S1中，根据实际工程要求直接建模，预先构建初始绝缘子模型，初始绝缘子模型的结构示意图如图2所示。预先设置若干组绝缘子结构参数，其中，绝缘子结构参数包括法兰转角半径、绝缘子与法兰盘间隙、绝缘子厚度、绝缘子倾角、法兰盘末端与绝缘子间距离、靠近地端的绝缘子边缘半径中的至少一个。分别将每组绝缘子结构参数输入初始绝缘子模型，生成若干个绝缘子模型。

在步骤S2中，根据实际工程要求固定设置一温度，在相同温度下，分别对每一绝缘子模型进行电学参数评估，即进行电场分布计算，得到所有绝缘子模型各部位的电场分布。

在步骤S3中，为了从所有绝缘子模型中选择具有适用电学特性的结构的绝缘子模型，即目标绝缘子模型，预先定义模型筛选条件。基于预先定义的模型筛选条件，根据所有绝缘子模型各部位的电场分布，从所有绝缘子模型中选择目标绝缘子模型。

在步骤S4中，获取绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行热力学参数评估，即进行温度特性计算，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布。

在步骤S5中，根据目标绝缘子模型各部位的温度分布，优化目标绝缘子模型，优化内容包括调整目标绝缘子模型的绝缘子结构参数，得到最优绝缘子模型，从而完成绝缘子的结构设计。最优绝缘子模型的结构示意图如图3所示，最优绝缘子模型的电场强度示意图如图4、5所示。

本实施例能够保证绝缘子在以环保型混合气体作为绝缘介质的运行条件下满足实际工程要求。

在优选的实施例当中，所述在相同温度下，分别对每一绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有绝缘子模型各部位的电场分布，具体为：对于每一绝缘子模型，在相同温度下，分别计算绝缘子模型的切向电场强度、法向电场强度和总电场强度，得到绝缘子模型各部位的电场分布。

作为示例性地，对于每一绝缘子模型，固定其中心导体处的温度为T1＝30℃，其外壳接地处的温度T2＝30℃，在此温度下，分别计算绝缘子模型的切向电场强度、法向电场强度和总电场强度，得到绝缘子模型各部位的电场分布。其中，电场强度E的计算公式如下：

式(1)-(2)中，

在计算电场强度的过程中，还应同时考虑表面电荷积聚现象，计算绝缘子模型的表面稳态累积电荷。其中，表面稳态累积电荷ρ

ρ

式(3)中，ε

本实施例通过针对每一绝缘子模型，在相同温度下分别计算绝缘子模型的切向电场强度、法向电场强度和总电场强度，得到绝缘子模型各部位的电场分布，能够提高电场分布计算的准确性。

在优选的实施例当中，所述计算绝缘子模型的切向电场强度，具体为：在检测到绝缘子模型的表面电荷积聚量达到最大时，计算绝缘子模型的表面电场切向量的最大值，将表面电场切向量的最大值作为切向电场强度。

作为示例性地，当绝缘子模型的表面电荷积聚达到动态平衡时，绝缘子模型的表面电荷积聚量达到最大，因此可以通过监测绝缘子模型的表面电荷积聚是否达到动态平衡，来检测绝缘子模型的表面电荷积聚量是否达到最大。在检测到绝缘子模型的表面电荷积聚量达到最大时，可计算绝缘子模型的表面电场切向量的最大值，将表面电场切向量的最大值作为切向电场强度。

本实施例通过在绝缘子模型的表面电荷积聚量达到最大时，计算绝缘子模型的表面电场切向量的最大值作为切向电场强度，能够进一步提高电场分布计算的准确性。

在优选的实施例当中，目标绝缘子模型为高压和接地三重接头处的电场强度最小且表面的电场强度小于预设阈值的绝缘子模型。

作为示例性地，适用电学特性的结构应满足两项要求：1、高压和接地三重接头处的电场强度取得最小值；2、表面电场强度值尽可能地小以最小化表面电荷累积。为了从所有绝缘子模型中选择具有适用电学特性的结构的绝缘子模型，预先定义模型筛选条件为高压和接地三重接头处的电场强度最小且表面的电场强度小于预设阈值。根据所有绝缘子模型各部位的电场分布，从所有绝缘子模型中选择高压和接地三重接头处的电场强度最小且表面的电场强度小于预设阈值的绝缘子模型，得到目标绝缘子模型。

本实施例通过筛选高压和接地三重接头处的电场强度最小且表面的电场强度小于预设阈值的绝缘子模型作为目标绝缘子模型，能够有效保证后续设计的绝缘子结构适用电学特性。

在优选的实施例当中，所述根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布，具体为：基于目标绝缘子模型各部位的电场分布，根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行温度特性计算，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布。

作为示例性地，采用以下公式获取绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线：

σ(E,T)＝σ

式(4)中，σ(.)为绝缘子所使用绝缘材料的电导率，E为电场强度，T为温度，W为热激活能，取0.95eV，K为玻尔兹曼常数，取8.62×10-5eV/K，β为场依赖系数，取0.08mm/kV，σ

基于已知的目标绝缘子模型各部位的电场分布，根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行温度特性计算，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布。其中，温度特性计算过程中求解热平衡的方程如下所示：

div(k,gradT)＝0(5)；

式(5)中，k为导热系数(W/m·K)，T为温度；边界条件为Dirichlet边界条件，低压侧T＝70℃，高压侧T＝105℃。

本实施例通过根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行温度特性计算，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布，能够根据目标绝缘子模型的电场分布和温度分布评估所设计的绝缘子结构的综合性能，以做适应性优化，保证绝缘子在以环保型混合气体作为绝缘介质的运行条件下满足实际工程要求。

基于与第一实施例相同的发明构思，第二实施例提供如图6所示的一种用于混合气体绝缘的绝缘子结构设计装置，包括：绝缘子模型生成模块21，用于获取预先设置的若干组绝缘子结构参数，分别将每组绝缘子结构参数输入初始绝缘子模型，生成若干个绝缘子模型；电学参数评估模块22，用于在相同温度下，分别对每一绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有绝缘子模型各部位的电场分布；绝缘子模型筛选模块23，用于基于预先定义的模型筛选条件，根据所有绝缘子模型各部位的电场分布，从所有绝缘子模型中选择目标绝缘子模型；热力学参数评估模块24，用于根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布；绝缘子模型优化模块25，用于根据目标绝缘子模型各部位的温度分布，优化目标绝缘子模型，得到最优绝缘子模型。

在优选的实施例当中，电学参数评估模块22，具体用于对于每一绝缘子模型，在相同温度下，分别计算绝缘子模型的切向电场强度、法向电场强度和总电场强度，得到绝缘子模型各部位的电场分布。

在优选的实施例当中，电学参数评估模块22，包括：切向电场强度计算单元，用于在检测到绝缘子模型的表面电荷积聚量达到最大时，计算绝缘子模型的表面电场切向量的最大值，将表面电场切向量的最大值作为切向电场强度。

在优选的实施例当中，目标绝缘子模型为高压和接地三重接头处的电场强度最小且表面的电场强度小于预设阈值的绝缘子模型。

在优选的实施例当中，热力学参数评估模块24，具体用于基于目标绝缘子模型各部位的电场分布，根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行温度特性计算，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布。

综上所述，实施本发明的实施例，具有如下有益效果：

通过将预先设置的若干组绝缘子结构参数分别输入初始绝缘子模型，生成若干个绝缘子模型；在相同温度下，分别对每一绝缘子模型进行电学参数评估，得到所有绝缘子模型各部位的电场分布；基于预先定义的模型筛选条件，根据所有绝缘子模型各部位的电场分布，从所有绝缘子模型中选择目标绝缘子模型；根据绝缘材料及绝缘气体的电导率-温度变化曲线，对目标绝缘子模型进行热力学参数评估，得到目标绝缘子模型各部位的温度分布；根据目标绝缘子模型各部位的温度分布，优化目标绝缘子模型，得到最优绝缘子模型，能够保证绝缘子在以环保型混合气体作为绝缘介质的运行条件下满足实际工程要求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。