特高壓GIS用單支撐絕緣子絕緣結構優化設計

張語桐 吳澤華 徐家忠 劉 鵬 彭宗仁

特高壓GIS用單支撐絕緣子絕緣結構優化設計

張語桐1吳澤華1徐家忠2劉 鵬1彭宗仁1

（1. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049 2. 山東電工電氣集團有限公司 濟南 250022）

單支撐絕緣子是氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）中重要的絕緣支撐結構，其性能優劣影響著GIS運行的可靠性和穩定性。該文開展了1 100kV GIS用單支撐絕緣子的結構優化研究，選取絕緣子表面合成電場強度、絕緣子表面切向電場強度、金屬嵌件表面合成電場強度作為性能指標，分析絕緣子傘裙和金屬嵌件各自的關鍵結構參數對性能指標的影響規律，采用自適應變異的粒子群算法進行整體優化。在此基礎上，提出了基于貝塞爾曲線的絕緣子表面輪廓描述方法，選取整體優化后電場畸變嚴重的絕緣子傘裙底部圓角結構開展局部精細化優化。優化結果與原始結構相比，金屬嵌件表面電場強度下降24.2%，絕緣子表面合成電場強度下降25.6%，絕緣子表面切向電場強度下降22.6%。該文提出的參數整體優化和貝塞爾曲線局部精細化優化的分步優化方法，使特高壓GIS用單支撐絕緣子的絕緣性能得到了顯著提高，優化結果能夠為GIS單支撐絕緣子的結構設計提供參考。

GIS 單支撐絕緣子 粒子群算法 貝塞爾曲線 結構優化

0 引言

隨著“碳達峰”和“碳中和”的逐步推進，我國對清潔能源的輸送需求日益提升，對長距離、高電壓等級的輸電需求也日益增長[1-6]。氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear, GIS）的安全可靠運行是保證電力穩定輸送的重要因素[7-11]。GIS設備具有部件完全密封、不受外界環境干擾、運行可靠性高、滅弧能力強、維護周期長及運行可靠性高等優點[12-13]。隨著我國電力系統不斷發展，輸送容量不斷增大，更為苛刻的運行條件使GIS設備的絕緣故障時有發生[14-16]。絕緣子是GIS設備中的重要部件，其結構合理性、電場分布均勻性對其絕緣性能起到重要作用，對支柱絕緣子的絕緣結構優化是GIS設備設計的重要課題。

目前，國內外學者對GIS絕緣子結構優化設計的研究主要集中在電氣、機械、熱學多物理場耦合及其結構優化設計。文獻[17]通過增加屏蔽罩的方式改變了盆式絕緣子的電場分布，減小了凹面的電場強度最大值。文獻[18]采用自適應最優預后元模型優化算法對盆式絕緣子的輪廓進行重構，實現了電場和應力的優化。文獻[19]對盆式絕緣子進行電-熱-機多物理場的模擬仿真，采用徑向基函數（Radial Basis Function, RBF）神經網絡的方法對盆式絕緣子多物理場進行優化設計。文獻[20]采用多種群遺傳算法，對啞鈴型三支柱絕緣子進行結構優化設計，提升GIS的性能。文獻[21]應用遺傳算法對盆式絕緣子的電氣、熱和機械性能進行了優化，最終在滿足機械性能的前提下優化了電場。然而，GIS用單支撐絕緣子的結構特點使其不僅有多段圓弧相切的復雜輪廓，還需要考慮由于絕緣子傘裙可能帶來的優化結構形態多樣、待優化參數數量龐大、整體優化困難等問題；且單支撐絕緣子的參數化建模、多參數和多目標下的絕緣子整體絕緣性能提升方法，在現有文獻中尚無可直接借鑒的經驗。因此，開展單支撐絕緣子的絕緣結構分析與優化設計研究，提出合理可行、兼具效率的優化方法，可以為單支撐絕緣子結構設計優化提供依據，亦可為同類型絕緣子的改進提供參考。

本文以特高壓GIS單支撐絕緣子為研究對象，提取特高壓GIS單支撐絕緣子關鍵結構參數，分析了關鍵結構參數對絕緣子性能指標的影響規律；以絕緣子表面合成電場強度、切向電場強度及金屬嵌件表面電場強度為目標，應用帶有自適應變異的粒子群算法（Particle Swarm Optimization, PSO），整體優化設計了單支撐絕緣子，得到初步優化結構；針對初步優化后的絕緣子，應用貝塞爾曲線描述電場強度較高的傘裙底部圓角區域，通過改變樣條曲線控制點的位置，開展絕緣子的局部精細化優化，最終實現絕緣子表面的合成電場強度、切向電場強度和金屬嵌件表面電場強度的控制和優化。

1 計算模型

1.1 仿真模型建立

應用有限元法建立了1 100kV特高壓GIS單支撐絕緣子計算模型，整體結構示意圖如圖1所示。其中外殼與低壓嵌件相連接；中心導體與高壓嵌件相連接并導通電流；中心導體與外殼之間充SF6氣體。根據靜電屏蔽，本文計算過程中忽略了金屬連接件的影響。取單支撐絕緣子絕緣材料和SF6的相對介電常數分別為5.0與1.0。根據特高壓GIS型式試驗的要求，中心導體加載2 400kV雷電沖擊電壓，低壓嵌件和外殼接地。

圖1 整體結構示意圖

1.2 單支撐絕緣子原始結構電場分布

通過有限元計算，得到絕緣子切面電勢和電場分布如圖2所示。

由圖2b可以看出，絕緣子內部的電場線分布在傘裙底部圓角半徑上，圓角半徑上絕緣子表面合成電場強度過大，且電場線基本平行于傘裙凹槽界面，傘裙凹槽的切向電場強度并不均勻，導致存在很大的切向電場強度。模型的原始結構嵌件表面電場分布、絕緣子表面合成電場分布及絕緣子表面切向電場分布如圖3所示。

圖2 絕緣子切面電勢和電場線分布

圖3 模型原始結構關鍵部位電場分布

如圖3所示，原始結構的金屬嵌件表面電場強度集中分布在嵌件的圓角上；絕緣子表面合成電場強度最大值出現在絕緣子傘裙底部的圓角半徑上，合成電場強度的分布較為集中；絕緣子表面切向電場強度出現在距高電位最近的凹槽位置，且切向電場強度分布不均。基于此分析，從結構的角度出發進行絕緣子電場強度的優化。

2 單支撐絕緣子結構參數分析與整體優化

2.1 不同結構參數對各關鍵部位最大電場強度影響

根據單支撐絕緣子實際結構，各關鍵位置物理結構參數如圖4所示。圖4中1為金屬嵌件半徑，2為金屬嵌件圓角半徑，3為絕緣子半徑，1為金屬嵌件深度，2為絕緣子傘裙深度，1為絕緣子傘裙外半徑，2為絕緣子傘裙倒角半徑，3為絕緣子傘裙底部圓角半徑，1為絕緣子傘裙相對高壓端嵌件距離，2為絕緣子傘裙切向距離。為了更好地掌握絕緣子絕緣優化的方向，本文從上述參數進行分析，得到絕緣子電場優化方案。

圖4 絕緣子各關鍵位置物理結構參數

通過對原始結構的絕緣子進行電場仿真分析，可知金屬嵌件表面電場強度最大值為23.1kV/mm；絕緣子表面合成電場強度最大值為20.7kV/mm；絕緣子表面切向電場強度最大值為11.4kV/mm。由于絕緣子表面切向電場強度和其他兩個參數的數值相差較大，為了便于分析各個參數對電場強度的影響程度，定義參數k為

式中，E為在計算第個位置中的第組的電場強度；Emin為在計算第個位置所有組中的電場強度最小值。通過分析k隨著物理結構參數變化時的曲線，可以得到物理結構參數對電場的影響程度。

2.1.1 金屬嵌件深度的影響

金屬嵌件深度1與k的關系曲線如圖5所示，隨著金屬嵌件深度1的增大，金屬嵌件表面電場強度、絕緣子表面合成電場強度和絕緣子表面切向電場強度均有所變大，金屬嵌件表面電場強度和絕緣子表面切向電場強度最大值都接近線性變化，但金屬嵌件表面電場強度增長程度小于絕緣子表面切向電場強度，金屬嵌件表面電場強度和絕緣子表面合成電場強度變化趨勢幾乎一致。

圖5 金屬嵌件深度L1對kij的影響

2.1.2 金屬嵌件半徑的影響

金屬嵌件半徑1與k的關系曲線如圖6所示。隨著金屬嵌件半徑1的增大，金屬嵌件表面電場強度減小，變化規律幾乎線性；而絕緣子表面合成電場強度和絕緣子表面切向電場強度均變大，且絕緣子表面切向電場強度變化程度強于絕緣子表面合成電場強度。

圖6 金屬嵌件半徑R1對kij的影響

2.1.3 金屬嵌件圓角半徑的影響

金屬嵌件圓角半徑2與k的關系曲線如圖7所示。隨著金屬嵌件圓角半徑2的增加，金屬嵌件表面電場強度、絕緣子表面合成電場強度和切向電場強度均有不同程度的下降，其中金屬嵌件表面電場強度下降最為明顯，絕緣子表面合成電場強度和切向電場強度變化程度幾乎一致。因此，在優化過程中，可以通過增大金屬嵌件圓角半徑來改善電場分布。

圖7 金屬嵌件圓角半徑R2對kij的影響

2.1.4 絕緣子半徑的影響

絕緣子半徑3與k的關系曲線如圖8所示。隨著絕緣子半徑3的增加，金屬嵌件表面電場強度增大，絕緣子表面合成電場強度和絕緣子表面切向電場強度減小。通過分析可得，絕緣子半徑對三個指標的影響都很大，在優化中需要均衡考慮各個參數的影響。

圖8 絕緣子半徑R3對kij的影響

2.1.5 絕緣子傘裙外半徑的影響

絕緣子傘裙外半徑1與k的關系曲線如圖9所示。隨著絕緣子傘裙外半徑1的增大，金屬嵌件表面電場強度減小，絕緣子表面合成電場強度增加，絕緣子表面切向電場強度呈現先減小后增加的趨勢。在1＜7mm的范圍內，可認為絕緣子表面切向電場強度是單調遞減的。因此，設計過程中需要考慮切向電場強度非單調變化的影響。

圖9 絕緣子傘裙外半徑r1對kij的影響

2.1.6 絕緣子傘裙倒角半徑的影響

絕緣子傘裙倒角半徑2與k的關系曲線如圖10所示。隨著絕緣子傘裙倒角半徑2的增大，絕緣子表面合成電場強度和絕緣子表面切向電場強度均增大；但金屬嵌件表面電場強度并沒有很大的變化。因此，在設計中可以忽略絕緣子傘裙倒角半徑2對金屬嵌件表面電場強度的影響，在保證機械強度的情況下，可以通過減小絕緣子傘裙的倒角，來獲得較小的絕緣子表面合成電場強度和切向電場強度。

圖10 絕緣子傘裙倒角半徑r2對kij的影響

2.1.7 絕緣子傘裙深度的影響

絕緣子傘裙深度2與k的關系曲線如圖11所示。隨著絕緣子傘裙深度2的增加，金屬嵌件表面電場強度減小，絕緣子表面合成電場強度和切向電場強度均增大，其中金屬嵌件表面電場強度和絕緣子表面切向電場強度均近似線性變化。因此，在金屬嵌件表面電場強度滿足要求且有一定裕量的情況下，可以通過減小絕緣子傘裙深度來進行優化。

圖11 絕緣子傘裙深度L2對kij的影響

2.1.8 絕緣子傘裙相對高壓端嵌件距離的影響

絕緣子傘裙相對高壓端嵌件距離1與k的關系曲線如圖12所示。隨著絕緣子傘裙相對高壓端嵌件距離1的增加，金屬嵌件表面合成電場強度和絕緣子表面切向電場強度減小，減小幅度不超過5%；但絕緣子表面合成電場強度增大。因此，金屬嵌件表面電場強度和絕緣子表面切向電場強度變化程度比較小，設計中需要重視絕緣子傘裙相對高壓端嵌件距離對絕緣子表面合成電場的影響。

圖12 絕緣子傘裙與頂端距離H1對kij的影響

2.1.9 絕緣子傘裙切向距離的影響

絕緣子傘裙切向距離2與k的關系曲線如圖13所示。隨著絕緣子傘裙切向距離的增大，金屬嵌件表面電場強度與絕緣子表面切向電場強度均有小幅度減小，減小幅度不超過5%；絕緣子表面合成電場強度顯著增大，且增大的程度近似線性變化。因此在結構優化設計過程中，在保證力學條件的基礎上，適當減小傘裙的切向距離，能夠降低絕緣子表面合成電場強度大小。

圖13 絕緣子傘裙切向距離H2對kij的影響

2.1.10 傘裙底部圓角半徑的影響

傘裙底部圓角半徑3與k的關系曲線如圖14所示。隨著傘裙底部圓角半徑3的增加，絕緣子表面合成電場強度大小有很大程度的下降，近似呈現線性變化；但是嵌件表面電場強度和絕緣子表面切向電場強度的大小基本不受影響。由此可見，絕緣子傘裙底部圓角半徑對絕緣子表面合成電場強度影響較大，半徑越大，絕緣子表面合成電場強度越小。

圖14 傘裙底部圓角半徑r3對kij的影響

2.2 關鍵結構參數整體優化

2.2.1 自適應變異的粒子群算法

從上述分析中可以看到，單支撐絕緣子關鍵位置的電場強度大小與絕緣子的結構參數關系復雜，對某一個參數進行調節會引起多個位置的電場強度變化。傳統粒子群算法在全局搜索精度上存在一定缺點，易陷入局部最優。因此，可在傳統粒子群算法基礎上引入自適應變異算法，在每次粒子計算的過程中，隨機地將粒子中某一維度的變量進行變異，從而提高所有粒子的全局搜索能力。本文利用帶有自適應變異的粒子群算法進行輔助計算，隨機概率設置為5%。除此之外，由于粒子群算法中慣性權重影響了搜索全局最優和局部最優的能力，慣性權重越高，全局搜索能力越強，為保證前期較高的全局搜索能力以及后期較高的局部收斂能力，本文采用權重線性遞減策略。

自適應變異的粒子群算法流程如圖15所示，具體步驟為：

（1）算法流程啟動后，設置粒子群算法的參數，其中包括種群數目、學習因子、慣性因子以及最大迭代次數等。

圖15 自適應變異的粒子群算法流程

（2）隨機生成粒子群，每一個粒子的參數都是在結構允許限定范圍內的隨機數。

（3）計算所有粒子對應的適應值。定義嵌件表面電場強度、絕緣子表面合成電場強度及絕緣子表面切向電場強度分別為1、2和3，將三個電場指標的加權平均值作為適應值函數進行優化，則適應值s表達式為

式中，1、2和3為對應的電場強度權重。

（4）對當前的粒子群計算結果進行篩選，選擇適應值最小的粒子作為局部最優粒子，將多次迭代中具有最小適應值的粒子作為全局最優粒子，對應的適應值作為全局最優適應值。

（5）對收斂條件進行判斷，若滿足迭代次數等于最大迭代次數或者全局最優適應值小于設定允許值，則跳出循環，優化完成；否則對當前粒子群的參數進行隨機變異，經過粒子位置更新后再跳轉至步驟（3），繼續迭代計算，直至滿足收斂條件。

2.2.2 參數優化結果

進行單支撐絕緣子參數優化時，軟件的參數優化聯合工作示意圖如圖16所示。本文的優化方案基于Matlab和COMSOL Multiphysics 5.6有限元仿真軟件連接實現。首先在SolidWorks軟件中將各個位置的結構參數寫入方程式，再由COMSOL Livelink to SolidWorks接口連接COMSOL軟件和SolidWorks軟件，從COMSOL軟件中使用SolidWorks建模內核從而改變仿真模型結構參數，同時使用COMSOL Multiphysics with Matlab接口，通過Matlab程序改變模型參數并實現自適應變異的粒子群算法，最終完成單支撐絕緣子的結構優化。

圖16 軟件的參數優化聯合工作示意圖

通過上述參數結構與電場強度最大值的關系分析，可以將關鍵位置的物理結構參數進行優化，經過自適應變異的粒子群算法優化后，將優化后的結構在COMSOL中進行電場仿真分析。參數優化后絕緣子切面的電勢和電場線分布如圖17所示。

圖17 參數優化后的絕緣子切面電勢和電場線分布

由圖17b可以看到，絕緣子內部的電場線仍然集中在絕緣子底部圓角半徑上，但與模型的原始結構相比，通過參數的優化，絕緣子內部的電場線走向發生了改變。

通過COMSOL仿真，得到模型參數優化后嵌件表面電場分布、絕緣子表面合成電場分布及絕緣子表面切向電場分布，如圖18所示。從圖18中可以看到，相比原始結構，參數優化后絕緣子關鍵位置的電場強度均有不同程度的降低，且絕緣子表面切向電場強度分布更均勻。但是絕緣子表面合成電場強度最大值仍然出現在絕緣子的圓角半徑上，合成電場強度的分布較為集中，絕緣子結構還可以開展進一步精細化優化。

圖18 模型參數優化后關鍵部位電場分布

3 單支撐絕緣子圓角局部精細化優化

3.1 絕緣子表面輪廓的貝塞爾曲線描述

在第2節中雖然通過物理結構的參數整體優化，降低了絕緣子關鍵位置的電場強度，但由于傘裙底部圓角區域電場強度畸變仍然嚴重，可在整體優化后單獨開展局部精細優化，使其電場強度指標進一步降低。以絕緣子底部凹槽和圓角結構為目標，在局部精細優化過程中，使用的目標函數仍然如式（2）所示，即三個電場強度參數的加權平均，從而避免削減全局優化帶來的優化效果。優化時，采用貝塞爾樣條曲線對絕緣子進行參數化建模，設置如圖19所示的7個控制點繪制貝塞爾樣條曲線。

圖19 貝塞爾曲線控制點設置

3.2 絕緣子局部精細化優化結果

上述樣條曲線控制單支撐絕緣子底部圓角的輪廓，1～4控制單支撐絕緣子圓角的形狀，主要由2和3控制；5～7控制單支撐絕緣子最底部凹槽對應的內凹槽形狀；4和5連線長度控制最底部凹槽的切向長度。

將參數整體優化的結果再次經過局部精細優化后，在COMSOL軟件中對局部精細優化結構進行電場仿真，絕緣子切面的電勢和電場線分布如圖20所示。由圖20b可以看到，絕緣子內部的電場線有了較大程度的改變，絕緣子底部圓角表面的電場線與切面形成了一定的夾角，減小了表面合成電場強度大小，絕緣子傘裙各個凹槽處的切向電場強度也更為均勻。

圖20 局部精細優化后的絕緣子切面電勢和電場線分布

在COMSOL軟件中對局部精細優化結構進行電場仿真，從而得到模型的原始結構嵌件表面電場分布、絕緣子表面合成電場分布以及絕緣子表面切向電場分布，如圖21所示。

圖21 局部精細優化后結構關鍵部位電場分布

3.3 優化結果分析

經過優化后，模型關鍵部位的電場強度都有很大程度的下降，絕緣子表面合成電場強度下降至17.6kV/mm，這得益于局部精細優化，將圓角和相鄰凹槽部分由貝塞爾曲線等效并改變了模型結構。

從電場線角度來講，經過局部精細優化后，會有更多的電場線從SF6氣體中穿過，最終使得電場強度降低。根據多層介質電場理論，從極間電容的角度看，本文中設計的支柱絕緣子傘裙、SF6和絕緣子底部區域組成了多層介質。絕緣子截面如圖22所示，其中，k為絕緣子底部厚度，r為絕緣子傘裙間隔長度。以圖22中的虛線截面為基準，忽略絕緣子與嵌件連接處結構情況下，絕緣子介質分布如圖23所示。

圖22 絕緣子截面

圖23 絕緣子多層介質示意

介質分界面的銜接條件為

式中，1t和2t為界面切向電場強度；1n和2n為界面法向電通量密度。在忽略絕緣子界面處介質切向電場強度的情況下，由于不存在面電荷，存在條件電導率=0，則在多層介質中有

式中，ε為第層介質對應的相對介電常數；E為第層介質對應的電場強度；d為第層介質對應的厚度；0為所有介質兩端的電勢差。

解出上述方程，得到第層的電場強度E與所有層的介電常數和介質厚度的關系式，即

從式（5）可以看到，在多層介質材料和兩端電勢差保持不變的前提下，等式右側的分子是保持不變的。如果介質總厚度不變，將第層介質的厚度減小Δ，將第層介質的厚度增加Δ，則變化后第層介質的電場強度為

通過式（6）可以看到，不改變總厚度的前提下，增加或者減少一層介質的厚度對電場強度的影響主要來源于被改變的多個介質層的相對介電常數的大小。將圖23所示情況代入式（6）中，在優化中，將圓角弧度大幅度減小，等效于減少絕緣子底部k的長度，增加相鄰空氣域r的長度，將得到絕緣子底部介質的電場強度k為

式中，k為絕緣子相對介電常數；s為SF6的相對介電常數。由于絕緣子相對介電常數k大于SF6的相對介電常數s，則可說明，在優化中，大幅度減小圓角弧度可以減小電場絕緣子圓角部分的電場強度。

4 優化效果比較

絕緣子原始結構、參數整體優化和局部精細優化的結構輪廓如圖24所示。對比三種結構，對絕緣子表面合成電場和切向電場進行分析，選擇的邊為圖24中的A點至B點，兩點間電場強度曲線如圖25和圖26所示。

圖24 三種結構輪廓圖

圖25 三種結構絕緣子表面合成電場強度曲線

三種結構的關鍵位置優化情況見表1。由表1可知，經過參數整體優化和局部精細優化后，單支撐絕緣子關鍵位置的電場強度都有所降低。基于多層介質理論，改變絕緣子底部圓角的形狀后，金屬嵌件表面電場強度下降24.2%，絕緣子表面合成電場強度下降25.6%，絕緣子表面切向電場強度下降22.6%，可見，該方法可以顯著降低絕緣子表面電場強度。

圖26 三種結構絕緣子表面切向電場強度曲線

表1 三種結構關鍵位置優化情況

Tab.1 Optimization of key positions of three structures

5 結論

本文分析了特高壓GIS單支撐絕緣子結構參數對關鍵部位電場分布的影響程度，使用自適應變異的粒子群算法對結構開展了整體優化。進一步地，應用貝塞爾曲線描述絕緣子圓角結構，開展了局部精細優化，得到如下結論：

1）現有結構的單支撐絕緣子表面合成電場強度最大點出現在傘裙底部圓角上，切向電場強度最大點出現在距離高壓端最近的凹槽處。絕緣子金屬嵌件表面電場強度最大值相對較高，為23.1kV/mm，出現在邊緣圓角處。

2）通過研究絕緣子結構參數對各電場強度最大值的影響規律發現，金屬嵌件結構參數不僅影響其表面電場強度最大值，還將改變絕緣子表面電場分布；調整絕緣子傘裙距高壓端距離、傘裙切向距離、底部圓角基本只改變絕緣子表面合成電場強度，其余參數對各性能指標均有不同程度影響。

3）應用自適應變異的粒子群算法對絕緣子結構進行整體參數優化后，絕緣子和嵌件交界面電場強度、絕緣子表面合成電場強度及切向電場強度均有所降低，但從電場分布來看，絕緣子表面合成切向電場強度仍然存在結構優化空間。

4）采用貝塞爾樣條曲線等效圓角結構進一步對絕緣子局部進行精細優化，獲得了單支撐絕緣子的改進結構，使絕緣子表面合成電場強度和切向電場強度明顯降低。與原始結構相比，優化后的絕緣子各電場強度指標均下降了20%以上。由此可見，本文提出的整體優化和局部精細聯合優化方案能夠有效優化單支撐絕緣子結構，均勻絕緣子表面電場分布，可為特高壓GIS用單支撐絕緣子的優化設計提供思路。

由于機械、熱學等性能對絕緣子結構設計也至關重要，下一步，還將進一步開展考慮固化內應力、金屬-環氧樹脂復合材料粘接界面強度的絕緣子力學性能研究及裕度試驗研究等。

[1] 衛志農, 裴蕾, 陳勝, 等. 高比例新能源交直流混合配電網優化運行與安全分析研究綜述[J]. 電力自動化設備, 2021, 41(9): 85-94.

Wei Zhinong, Pei Lei, Chen Sheng, et al. Review on optimal operation and safety analysis of AC/DC hybrid distribution network with high proportion of renewable energy[J]. Electric Power Automation Equipment, 2021, 41(9): 85-94.

[2] 李鵬, 王瑞, 冀浩然, 等. 低碳化智能配電網規劃研究與展望[J]. 電力系統自動化, 2021, 45(24): 10-21.

Li Peng, Wang Rui, Ji Haoran, et al. Research and prospect of planning for low-carbon smart distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(24): 10-21.

[3] 丁劍, 方曉松, 宋云亭, 等. 碳中和背景下西部新能源傳輸的電氫綜合能源網構想[J]. 電力系統自動化, 2021, 45(24): 1-9.

Ding Jian, Fang Xiaosong, Song Yunting, et al. Conception of electricity and hydrogen integrated energy network for renewable energy transmission in Western China under background of carbon neutralization[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(24): 1-9.

[4] 李璐伶, 樊栓獅, 陳秋雄, 等. 儲氫技術研究現狀及展望[J]. 儲能科學與技術, 2018, 7(4): 586-594.

Li Luling, Fan Shuanshi, Chen Qiuxiong, et al. Hydrogen storage technology: current status and prospects[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(4): 586-594.

[5] 李建林, 李光輝, 郭麗軍, 等. “十四五”規劃下氫能應用技術現狀綜述及前景展望[J]. 電氣應用, 2021, 40(6): 10-16.

Li Jianlin, Li Guanghui, Guo Lijun, et al. Overview and prospect of hydrogen energy application technology under the 14th five year plan[J]. Electrotechnical Application, 2021, 40(6): 10-16.

[6] 劉鵬, 吳澤華, 朱思佳, 等. 缺陷對交流1100kV GIL三支柱絕緣子電場分布影響的仿真[J]. 電工技術學報, 2022, 37(2): 469-478.

Liu Peng, Wu Zehua, Zhu Sijia, et al. Simulation on electric field distribution of 1100kV AC tri-post insulator influenced by defects[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 469-478.

[7] 鐘建英, 陳剛, 譚盛武, 等. 高壓開關設備關鍵技術及發展趨勢[J]. 高電壓技術, 2021, 47(8): 2769-2782.

Zhong Jianying, Chen Gang, Tan Shengwu, et al. Key technology and development trend of high-voltage switchgear[J]. High Voltage Engineering, 2021, 47(8): 2769-2782.

[8] 紐春萍, 矯璐璐, 王小華, 等. 基于多場耦合的環保型GIS熱特性分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(17): 3765-3772.

Niu Chunping, Jiao Lulu, Wang Xiaohua, et al. Thermal characteristics analysis of environmentally friendly GIS based on multi-field coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(17): 3765-3772.

[9] 張連根, 路士杰, 李成榕, 等. GIS中線形和球形金屬微粒的運動行為和危害性[J]. 電工技術學報, 2019, 34(20): 4217-4225.

Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Motor behavior and hazard of spherical and linear particle in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4217-4225.

[10] 張連根, 路士杰, 李成榕, 等. 氣體絕緣組合電器中微米量級金屬粉塵運動和放電特征[J]. 電工技術學報, 2020, 35(2): 444-452.

Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Movement and discharge characteristics of micron-scale metal dust in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 444-452.

[11] 齊波, 李成榕, 郝震, 等. GIS絕緣子表面固定金屬顆粒沿面局部放電發展的現象及特征[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(1): 101-108.

Qi Bo, Li Chengrong, Hao Zhen, et al. Evolution phenomena and features of surface partial discharge initiated by immobilized metal particles on GIS insulators[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(1): 101-108.

[12] 黎斌. SF6高壓電器設計[M]. 3版. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[13] 李杰, 李曉昂, 呂玉芳, 等. 正弦振動激勵下GIS內自由金屬微粒運動特性[J]. 電工技術學報, 2021, 36(21): 4580-4589, 4597.

Li Jie, Li Xiaoang, Lü Yufang, et al. Motion characteristics of free metal particles in GIS under sinusoidal vibration[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(21): 4580-4589, 4597.

[14] 李慶民, 王健, 李伯濤, 等. GIS/GIL中金屬微粒污染問題研究進展[J]. 高電壓技術, 2016, 42(3): 849-860.

Li Qingmin, Wang Jian, Li Botao, et al. Review on metal particle contamination in GIS/GIL[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 849-860.

[15] 陳懿, 王琳, 冉月. 一起220 kV GIS設備內部放電故障分析及處理措施[J]. 電力與能源, 2021, 42(3): 352-355, 367.

Chen Yi, Wang Lin, Ran Yue. Analysis and treatment measures for accident caused by internal discharge of 220 kV GIS[J]. Power ＆ Energy, 2021, 42(3): 352-355, 367.

[16] 彭家琦, 蒲寅, 劉軍, 等. 一起110kV戶外氣體絕緣全封閉組合電器母線氣室支撐絕緣子故障分析[J]. 電氣技術, 2021, 22(3): 61-64.

Peng Jiaqi, Pu Yin, Liu Jun, et al. Analysis of a fault of supporting insulator for 110kV outdoor gas insulated switchgear bus gas chamber[J]. Electrical Engineering, 2021, 22(3): 61-64.

[17] 杜進橋, 張施令, 李乃一, 等. 特高壓交流盆式絕緣子電場分布計算及屏蔽罩結構優化[J]. 高電壓技術, 2013, 39(12): 3037-3043.

Du Jinqiao, Zhang Shiling, Li Naiyi, et al. Electric field distribution calculation and shielding electrode structure optimization of UHVAC basin-type insulator[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(12): 3037-3043.

[18] 姚永其, 王之軍, 陳圣, 等.550 kV GIL盆式絕緣子及其組件結構優化設計[J]. 高壓電器, 2021, 57(5): 50-57.

Yao Yongqi, Wang Zhijun, Chen Sheng, et al. Optimization design on insulating spacer and its assembly structure of 550 kV GIL[J]. High Voltage Apparatus, 2021, 57(5): 50-57.

[19] 張施令, 彭宗仁, 王浩然, 等. 盆式絕緣子多物理場耦合數值計算及結構優化[J]. 高電壓技術, 2020, 46(11): 3994-4005.

Zhang Shiling, Peng Zongren, Wang Haoran, et al. Numerical calculation and structural optimization of multi-physical field coupling for basin insulator[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(11): 3994-4005.

[20] 吳澤華, 田匯冬, 王浩然, 等. 特高壓GIL啞鈴型三支柱絕緣子優化設計方法[J]. 電網技術, 2020, 44(7): 2754-2761.

Wu Zehua, Tian Huidong, Wang Haoran, et al. Optimization design method for UHVAC GIL dumbbell type tri-post insulators[J]. Power System Technology, 2020, 44(7): 2754-2761.

[21] 賈云飛, 高璐, 汲勝昌, 等. 基于有限元仿真和遺傳算法的1100kV盆式絕緣子電氣、機械性能綜合優化[J]. 高電壓技術, 2019, 45(12): 3844-3853.

Jia Yunfei, Gao Lu, Ji Shengchang, et al. Comprehensive optimization of electrical and mechanical performance of 1100kV basin-type insulator based on genetic algorithm and finite element simulation[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(12): 3844-3853.

Optimization Design of Insulation Structure for Post Insulator in UHVAC GIS

Zhang Yutong1Wu Zehua1Xu Jiazhong2Liu Peng1Peng Zongren1

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Shandong Electrical Engineering & Equipment Group Co. Ltd Jinan 250022 China）

With the gradual promotion of “peak carbon dioxide emissions” and “carbon neutrality”, the demand for long-distance and high-voltage power transmission is also growing. The safe and reliable operation of gas insulated switchgear (GIS) equipment is an important factor to ensure the stable transmission of power. Post insulator is an important insulation structure support for GIS, the performance affected thereliability and stability of GIS in operation. Its structural characteristics make it not only have complex contours tangent to multiple circular arcs, but also needs to consider its insulator umbrella skirt which may bring about various optimized structural forms, many parameters to be optimized, and difficulties in overall optimization. To address these issues, this paper proposes a method to optimize the design of insulation structure for the post insulator used in UHVAC GIS. The insulation performance of post insulators for UHVAC GIS is significantly improved by a multi-step optimization method of total parameter optimization and local refinement optimization of the Bessel curve.

Firstly, the finite element simulation calculation model of the 1 100kV UHVAC GIS post insulator is established, and the insulator electric field distribution under lightning surge voltage can be calculated and obtained. According to the actual structure of the post support insulator, the outer contour of the post insulator and the outer contour of the metal inserts are parameterized. The maximum value of the total and tangential electric field of the post insulator surface as well as the electric field strength of the metal insert surface are defined as optimization indexes, and the influence law of different structural parameters on the performance indicators is analyzed. Particle swarm optimization with adaptive mutation is used to optimize the parameters. After calculating the insulator's electric field distribution after the total parameter optimization, optimization indexes are reduced by more than 10% compared with the original structure. Based on this, local refinement optimization of the Bessel curve is used to carry out local optimization for the rounded bottom of the insulator umbrella skirt, where the field distortion is more serious. Compared with the original structure, the total and tangential electric field strength on the insulator surface of the optimized structure has been reduced by 25.6% and 22.6%. The insulation performance of post support insulators for UHVAC GIS has been significantly improved after the total parameter optimization and local refinement optimization.

The following conclusions can be drawn from the simulation analysis and structure optimization: ① the maximum value of the electric field strength of the existing post insulator appears at the rounded corner of the bottom of the umbrella skirt; the maximum value of the electric field strength on the surface of the metal inserts appears at the rounded corner of its edge.② The study of the law of insulator structure parameters on each electric field strength maximum found that the metal insert structure parameters not only affect its surface electric field strength maximum, but also will change the insulator surface electric field distribution; adjusting the insulator skirt distance from the high-voltage conductor, the tangential distance of the umbrella skirt, and the bottom rounded corner basically only change the insulator surface electric field strength, and the rest parameters have different degrees of influence on each performance index. ③ Using the multi-step optimization methods of total parameter optimization using particle swarm optimization with adaptive mutation and local refinement optimization of the Bessel curve, the improved structure of the post insulator of UHVAC GIS is obtained. Compared with the original structure, each electric field strength index of the optimized insulator is reduced by more than 20%.

Gas insulated switchgear (GIS), post insulator, particle swarm optimization, Bezier curve, structural optimization

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211510

TM216

張語桐 男，1999年生，博士研究生，研究方向為電力設備絕緣結構優化設計、高壓直流GIL電荷特性及放電特性等。E-mail：zhangyt2021@stu.xjtu.edu.cn

吳澤華 男，1995年生，博士研究生，研究方向為特高壓交/直流GIS/GIL關鍵技術研究、電力設備絕緣結構設計及優化等。E-mail：zehua_wu@qq.com（通信作者）

國家電網公司科技資助項目（SGZJ0000KXJS1900410）。

2021-09-22

2022-02-07

（編輯 李冰）