盆式绝缘子多物理场耦合数值计算及结构优化

发布时间：2021-12-31 19:20

　　随着高电压、大电流输电要求的提出,对盆式绝缘子运行性能需在电-热-机多物理场耦合模拟方面进行深入分析,并依据多物理场耦合模拟结果优化设计其结构。首先通过试验获取了盆式绝缘子本体材料电-热-机性能参数。基于以上试验数据,提出了电-热-机多物理场有限元法计算方法,该算法流程将介电常数、介质损耗角正切、导热系数和热膨胀系数与温度非线性关系考虑进单一物理场计算中,进一步建立盆式绝缘子三维有限元模型开展电场、温度场和应力场的解耦计算。应用RBF神经网络对电-热-机多物理耦合场模拟数据进行学习,从而实现盆子最优化结构参数的非线性设计,获得盆式绝缘子最优结构参数。针对盆式绝缘子的应用结果表明:电-热-机多物理场有限元法计算方法可有效实现盆式绝缘子解耦模拟;盆子本体最大电场强度值同样位于中心导体附近,其最大场强为11.85 kV/mm;6 300 A载流量下最高温度在中心导体与环氧材料的界面处其值为97℃,盆子中间部位发生位移最为显著且应力集中区域主要出现在盆式绝缘子法兰侧。该研究结果可有效指导高电压等级盆式绝缘子结构设计,对于GIS/GIL设备中盆式绝缘子的故障诊断及其模式识别具有一定理论指导价值。 

【文章来源】：高电压技术. 2020,46(11)北大核心EICSCD

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

盆子本体材料SEM观测

图1 盆子本体材料SEM观测测量了盆式绝缘子材料在-50～150℃温度范围内的温谱曲线，高压交流盆式绝缘子运行在工频电压下，因此测量中频率设定为50 Hz，相对介电常数、损耗角正切值与温度变化关系示于图3中。其中将–50～20℃温度区间定义为低温区，将20～100℃温度区间定义为额定运行区，将100～150℃温度区间定义为高温区。图3表明：在低温区，相对介电常数随温度的上升而增大，但介质损耗角正切随温度的上升而下降；额定运行区，相对介电常数呈现略微上升趋势，而介质损耗角正切出现先降低后上升的趋势；高温区，相对介电常数和介质损耗角正切均剧烈上升，而介质损耗角正切随后表现出下降趋势。图4中列出了盆子本体材料热重试验曲线，可见3个样品试验曲线基本重合，证明试验曲线具备可重复性。图中表明试样开始分解温度为300℃，温度达到575℃以后不再分解。定量分析表明：加热过程中分解部分(环氧)与未分解部分(添加剂)之间的平均质量之比为0.38，其中未分解部分主要为前述的Zn O颗粒。

另一方面，对盆子本体材料以及盆子中心导体进行了热膨胀系数测试如图5所示，对于盆子本体环氧和中心导体铝材分别两个试样，热膨胀系数随温度变化趋势基本一致，且具体数据相差不大，因此该试验测量具有一定的可重复性。中心导体铝材在20～160℃温度范围内基本稳定，盆子本体材料热膨胀系数曲线拐点出现在100℃，因此高温条件下在中心导体与盆子本体材料间由于热膨胀系数不同而形成高应力区域。图4 盆子本体材料热重试验曲线

【参考文献】：
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本文编号：3560824