550kV GIS盆式绝缘子小型化设计(二)——介电分布优化

为缩小气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的体积、简化生产制造工艺、降低原材料与SF_(6)气体消耗,在《550kV GIS盆式绝缘子小型化设计(一)——几何形状优化》(简称论文1)的基础上,引入介电功能梯度材料的理念,开展盆式绝缘子材料介电分布优化设计。针对接地法兰附近盆体表面电场畸变严重的问题,以均化接地法兰处电场为目标,基于拓扑优化方法构建了盆式绝缘子材料介电常数空间分布优化模型,并讨论了密度函数因子、梯度惩罚权重、介电常数上限等算法参数对于介电梯度形式及电场优化效果的影响。仿真结果表明,优化后绝缘子外法兰附近凸面一侧出现高介电常数区域,呈近似菱形的几何轮廓。此时,即使绝缘距离较原始结构减小15%,接地法兰处的电场集中现象仍可得到大幅改善。因此,该文提出的介电梯度材料,有望代替外壳倒角处的“R弧”形金属屏蔽以及绝缘子内嵌金属屏蔽环等方法进行电场分布调控,在GIS小型化改造、减少材料用量、优化工艺流程方面具有广阔前景。此外,提出了3D打印+浇注固化的小型化介电梯度盆式绝缘子制造方案,为后续研究与应用提供支撑。

基于几何形状/介电分布综合优化的GIS/GIL盆式绝缘子电场分布特性调控

为了给高耐电性能GIS/GIL盆式绝缘子的研制提供理论支持及设计导则,采用数值模拟方法对550kV交流盆式绝缘子模型开展电场分布的多层次综合优化设计。在初步设计阶段,首先通过几何形状的轮廓优化获得盆体凹面和凸面的轮廓外形,在此基础上进一步通过介电分布的拓扑优化,调整绝缘内部的相对介电常数空间分布以实现沿面电场的调控,实现了绝缘结构整体的优化设计。在详细设计阶段,基于几何形状和介电分布拓扑优化的结果,通过参数优化寻找最优的介电常数以及连接件高度等局部关键结构最优尺寸参数。仿真结果表明,提出的多层次综合优化策略能够最大程度地利用设计空间,实现几何形状与介电分布"1+1>2"的优化效果。相较于优化前的原始盆式绝缘子,优化后的盆体凸面和凹面的最大电场降幅可分别达24.2%和28.6%,大幅改善了盆式绝缘子的整体电场分布。