西安交大学者提出特高压GIS用单支撑绝缘子绝缘结构的优化设计方法

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随着“碳达峰”和“碳中和”的逐步推进，我国对清洁能源的输送需求日益提升，对长距离、高电压等级的输电需求也日益增长。气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的安全可靠运行是保证电力稳定输送的重要因素。GIS设备具有部件完全密封、不受外界环境干扰、运行可靠性高、灭弧能力强、维护周期长及运行可靠性高等优点。

随着我国电力系统不断发展，输送容量不断增大，更为苛刻的运行条件使GIS设备的绝缘故障时有发生。绝缘子是GIS设备中的重要部件，其结构合理性、电场分布均匀性对其绝缘性能起到重要作用，对支柱绝缘子的绝缘结构优化是GIS设备设计的重要课题。

目前，国内外学者对GIS绝缘子结构优化设计的研究主要集中在电气、机械、热学多物理场耦合及其结构优化设计。然而，GIS用单支撑绝缘子的结构特点使其不仅有多段圆弧相切的复杂轮廓，还需要考虑由于绝缘子伞裙可能带来的优化结构形态多样、待优化参数数量庞大、整体优化困难等问题；且单支撑绝缘子的参数化建模、多参数和多目标下的绝缘子整体绝缘性能提升方法，在现有文献中尚无可直接借鉴的经验。因此，开展单支撑绝缘子的绝缘结构分析与优化设计研究，提出合理可行、兼具效率的优化方法，可以为单支撑绝缘子结构设计优化提供依据，亦可为同类型绝缘子的改进提供参考。

西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室、山东电工电气集团有限公司的张语桐、吴泽华 等，在2023年第1期《电工技术学报》上撰文，开展了1100kV GIS用单支撑绝缘子的结构优化研究，所提出的参数整体优化和贝塞尔曲线局部精细化优化的分步优化方法，使特高压GIS用单支撑绝缘子的绝缘性能得到了显著提高，优化结果能够为GIS单支撑绝缘子的结构设计提供参考。

图1  整体结构示意图

研究人员发现，现有结构的单支撑绝缘子表面合成电场强度最大点出现在伞裙底部圆角上，切向电场强度最大点出现在距离高压端最近的凹槽处。绝缘子金属嵌件表面电场强度最大值相对较高，为23.1kV/mm，出现在边缘圆角处。

他们通过研究绝缘子结构参数对各电场强度最大值的影响规律发现，金属嵌件结构参数不仅影响其表面电场强度最大值，还将改变绝缘子表面电场分布；调整绝缘子伞裙距高压端距离、伞裙切向距离、底部圆角基本只改变绝缘子表面合成电场强度，其余参数对各性能指标均有不同程度影响。

另外，应用自适应变异的粒子群算法对绝缘子结构进行整体参数优化后，绝缘子和嵌件交界面电场强度、绝缘子表面合成电场强度及切向电场强度均有所降低，但从电场分布来看，绝缘子表面合成切向电场强度仍然存在结构优化空间。

图2 软件的参数优化联合工作示意图

研究人员采用贝塞尔样条曲线等效圆角结构进一步对绝缘子局部进行精细优化，获得了单支撑绝缘子的改进结构，使绝缘子表面合成电场强度和切向电场强度明显降低。与原始结构相比，优化后的绝缘子各电场强度指标均下降了20%以上。由此可见，该整体优化和局部精细联合优化方案能够有效优化单支撑绝缘子结构，均匀绝缘子表面电场分布，可为特高压GIS用单支撑绝缘子的优化设计提供思路。

他们最后表示，由于机械、热学等性能对绝缘子结构设计也至关重要，下一步，还将进一步开展考虑固化内应力、金属-环氧树脂复合材料粘接界面强度的绝缘子力学性能研究及裕度试验研究等。

本文编自2023年第1期《电工技术学报》，论文标题为“特高压GIS用单支撑绝缘子绝缘结构优化设计”。本课题得到国家电网公司科技资助项目的支持。

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