高压输电线路复合绝缘子
高压输电线路复合绝缘子[20191215165829]
河 海 大 学摘 要
复合绝缘子因其耐污性好、重量轻等特点，在国内的高压输电线路中的应用越来越多，故研究其绝缘性能是非常有必要的。影响绝缘子绝缘性能的主要因素是其表面电场分布的均匀性，而绝缘子伞裙和均压环结构是影响其电场分布的重要因素，故对绝缘子的结构优化具有重大意义。
本课题优化以江苏某公司提供的复合绝缘子模型为原型，以有限元方法为求解基础，运用Maxwell ansoft软件进行求解计算。首先对其原型进行了详细的建模、仿真及后处理，绘制其表面场强分布图、表面电位分布图。通过改变绝缘子伞裙结构研究其场强分布的影响因素，最终选定了每组伞裙半径大小为优化变量，表面场强极差最小或场强梯度最大值最小为优化目标。
然后分别通过Maxwell ansoft软件的参数化分析法和遗传算法对一组绝缘子伞裙半径大小进行优化分析，得出使其电场分布更均匀的最优解。参数化分析以大、中、小三个伞裙的半径大小为优化变量，以绝缘子表面场强极差最小和场强梯度最大值最小为优化目标。遗传算法以大、中、小三个伞裙的半径大小为优化变量，以绝缘子表面场强极差最小为优化目标。将两种方法的优化结果进行比较，选择最优解。
确定一组伞裙结构的最优解后，对绝缘子包含伞裙的组数进行分析优化，从而确定一个绝缘子上应该包含伞裙组的个数，即绝缘子的长度。
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关键字:字复合绝缘子；伞裙；参数化分析；遗传算法
目 录
第1章 绪论 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 本课题研究现状 2
1.3 本课题研究内容及意义 2
1.4 本文章节安排 3
第2章 复合绝缘子电场分布计算及有限元法介绍 4
2.1 复合绝缘子电场分布的计算 4
2.2 有限元法的介绍 4
2.3 有限元法开域问题的解决 6
2.4 有限元软件ansoft maxwell的介绍 6
2.5 复合绝缘子在ansoft Maxwell软件中的仿真流程 7
2.6 本章小结 7
第3章 基于Maxwell ansoft 的绝缘子模型建立及仿真 9
3.1 复合绝缘子介绍 9
3.1.1 绝缘子结构 9
3.1.2 复合绝缘子的主要参数 10
3.2 复合绝缘子模型的建立 10
3.2.1 基于Maxwell ansoft软件的绝缘子模型建立 10
3.2.2 基于SolidWorks软件的绝缘子模型建立 12
3.3 基于Maxwell ansoft软件的复合绝缘子仿真 13
3.4 不同伞裙结构对应场强分布的比较 19
第4章 基于参数化分析的复合绝缘子伞裙结构优化 21
4.1 关于优化设计简化模型的概述 21
4.2 Maxwell ansoft软件中待优化量的选取及定义 21
4.2.1 待优化量的选取 21
4.2.2 优化量的定义与实现 21
4.3 优化目标的选择与定义 22
4.3.1 Maxwell ansoft软件中场计算器功能介绍 22
4.3.2 优化目标的选择 23
4.3.3 优化目标的定义 24
4.3.4 输出变量的确定 26
4.4 参数化分析的介绍及实现 27
4.4.1 参数化分析的介绍 27
4.4.2 参数化分析的操作流程....................................................................27
4.5 结果分析 29
4.5.1 基于Excel的数据处理 29
4.5.2 基于Maxwell ansoft软件折线图分析 29
第5章 基于遗传算法单目标优化分析 33
5.1 Maxwell软件优化分析功能简介 33
5.2 遗传算法的理论基础 33
5.3 遗传算法单目标优化分析在Maxwell软件中的操作流程 36
5.4 结果分析 38
5.5 复合绝缘子长度的优化 39
5.6 均压环的添加 39
第6章 总结与展望 41
6.1 课题总结 41
6.2 课题展望 41
参考文献 42
致谢 45
第1章 第2章 绪论
2.1 本课题研究背景
早年间绝缘子多用于电线杆，随着科技的发展，为了增加爬电距离，后来慢慢发展成很多盘状的绝缘子挂在高压电线连接塔的一端，它们通常由玻璃或陶瓷制成。绝缘子在架空输电线路中起着两个基本作用，即支撑导线和防止电流回地，这两个作用必须得到保证，绝缘子不可以失效，否则会损害整条线路的使用和运行寿命[1]。
复合绝缘子因其特殊的绝缘性，可以在架空高压输电线路中起到重要作用。
复合绝缘子可分为：棒形悬式复合绝缘子，针式复合绝缘子，横担复合绝缘子，支柱复合绝缘子，防风偏复合绝缘子等。也可分为线路复合绝缘子、电器复合绝缘子。
复合绝缘子因其耐污性好、质量轻等特点，在高压输电线路中的应用越来越多，同时，在使用的过程中也出现了不少问题，诸如芯棒脆断、电场分布不均匀、芯棒脆断等[2-3]。其中绝缘子电场分布不均匀是其在特高压输电线路中运用所面临的一个紧迫问题。通常情况下，悬式绝缘子串在干燥条件下的电场分布一般由绝缘子串的结构参数和沿面电容分布决定，因而绝缘子串的沿面电位有很明显的梯度分布，避免了在高压端或高压端附近产生较高的电场。而复合绝缘子由于其外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率，使得电位分布从高压端开始快速衰减，这样的电位分布使得在邻近高压端和接地端处产生了较高的电场。如果绝缘子表面电场强度超过了电晕起始场强（0.45kV/mm），就会产生电晕放电[4]。
表面场强分布是输电线路中外绝缘研究的一项重要内容。强电场使绝缘子串和金具表面产生电晕放电的机会增大，对电力系统安全运行造成非常严重的威胁。在超高压和特高压输电线路中，复合绝缘子电场分布较常规线路更不均匀，因此超/特高压工程外绝缘设备研制及其安全运行的关键技术是改善复合绝缘子电场分布 [5]。
2.2 本课题研究现状
有限元法的基本思想是：将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连；单元里面的待求量可由单元节点量利用选定的函数插值得到。因为单元的形状简单，方便从平衡关系和能量关系创建节点量的方程式。该方法将各单元方程组集成整体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元法的优点是对全部分析领域进行剖分，然后定义出节点和单元，联立一次方程式的系数矩阵成为对象的疏矩阵，可以采用直接法和迭代法等求解，易于形成比较通用的程序模块[6]。
有不少文献介绍了有关有限元法求解复合绝缘子表面电场分布的理论，文献[7]研究了使用有限元法求解绝缘子电场分布的可行性及具体方法；文献[8]研究了基于有限元与神经网络对绝缘子均压环的优化设计，并提出了有限元法与渐进边界条件技术结合求解绝缘子电场分布的方法；文献[9]研究了影响绝缘子电场分布的因素，并且优化了对绝缘子电场分布的求解过程。但大多集中于研究利用有限元法求解绝缘子电场分布的可行性、影响绝缘子电场分布的因素和为使电场分布均匀对均压环进行优化等问题[7-10]，而研究通过改善复合绝缘子伞裙结构来提高其表面电场分布的均匀程度的文献却少之又少，本文将重点介绍绝缘子伞裙结构的优化。
2.3 本课题研究内容及意义
本课题以江苏某公司提供的复合绝缘子模型为原型，研究其外部伞裙结构和均压环对其电场分布的影响，然后通过参数化分析进行优化，得到使电场分布更均匀的的最优结构。
绝缘子有多种多样的伞形设计，伞裙直径、伞间距、伞裙数量、爬电距离及大小伞的搭配等伞裙结构参数不同，复合绝缘子的伞裙结构就不同，有计算表明，复合绝缘子表面场强分布受气伞裙结构影响很大。因此，为改善绝缘子表面电场的分布，本课题将优化其伞裙结构，这样具有重要的学术意义和工程应用价值。为改善复合绝缘子沿面电场和电位分布，如何利用智能算法，采取什么样最优化技术，确定复其最合理的伞型排列结构及均压环，这是该课题的关键。此外，对暴露在空间中的复合绝缘子的求解属于开域问题[4]，如何定义人工边界近似处理，是本课题的技术困难。
2.4 本文章节安排
本文详细研究了利用有限元法求解绝缘子电场分布的理论，并介绍了基于Maxwell ansoft软件对复合绝缘子模型建立及仿真计算，运用软件内部提供的参数化分析法对绝缘子伞裙结构进行了优化，使绝缘子表面电场分布更均匀。对绝缘子适合的长度进行了对比优化，得出复合绝缘子的最优结构。
第一章，绪论。介绍了本课题的研究背景和研究现状，解释了本课题的研究意义和研究内容。
第二章，复合绝缘子电场分布计算及有限元法介绍。本章介绍了有限元法的理论基础以及结合渐进边界条件技术求解绝缘子电场分布的方法；了解了有限元软件Maxwell ansoft的功能，并且确定了基于该软件复合绝缘子模型建立和仿真计算流程。
第三章，基于Maxwell ansoft软件的复合绝缘子仿真。本章详细讲解绝缘子在Maxwell ansoft软件中的仿真流程，包括建模、前处理、后处理等过程，对仿真结果进行了数据分析，确定了影响绝缘子电场分布的因素。
第四章，基于Maxwell ansoft的复合绝缘子伞裙结构优化。本章对绝缘子伞裙结构进行优化处理，利用参数化分析法得出使电场分布更均匀的最优结构。
第五章，运用遗传算法对绝缘子伞裙结构进行了优化，并将结果与参数化分析的优化结果比较，得出最优解。对不同长度的绝缘子进行分析对比，从而得出完整的最优结构。得出绝缘子的最优结构后，添加均压环进行仿真计算，并得出结论。
第六章，总结与展望。本章对前面的内容作了全面总结，提出了文中一些不完善的地方，并对文中介绍的参数化分析法做了展望。第3章 复合绝缘子电场分布计算及有限元法介绍
3.1 复合绝缘子电场分布的计算
目前，就电场的数值计算电场分析方法而言大致可分为两大类，即基于微分方程的分析方法和基于积分方程的分析方法。在基于微分方程的分析方法中有有限元法(Finite Eletnent Method)；在基于积分方程的分析方法中有模拟电荷法(Charse Simulation Meth-ed)、表面电荷法(Surface charge Method)和边界元法（Boundary Element Method）[11]。
模拟电荷法、表面电荷法和边界元法等方法是考虑到电荷、磁荷、电流、磁矩等假设的激励源，利用这个激励源模拟电介质和磁性体. 模拟电荷法在静电场的分析中可以用来近似模拟高压元件内的导体形状[12]。
有限元法的基本概念是用简单问题模拟复杂问题求得近似解的一种分析法，主要用于求解一些工程问题。它将求解域剖分为许多小的互连的有限单元，求出每一个单元对应的近似解，然后根据求解域整体条件得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，目前已成为电磁场计算领域灵活有效应用广泛的工程分析手段[13]。
3.2 有限元法的介绍
有限元法（finite element method）是一种效率较高且比较常用的分析方法。有限元法以变分原理为基础，所以以拉普拉斯方程和泊松方程 所描述的各类物理场中（这类场与泛函 的极值 问题有着紧密的联系）应用较普遍。自从1969年以来，某些学者在流体力学 中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法 等同样获得了有限元方程，从此有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函 的极值 问题有所联系。
河 海 大 学摘 要
复合绝缘子因其耐污性好、重量轻等特点，在国内的高压输电线路中的应用越来越多，故研究其绝缘性能是非常有必要的。影响绝缘子绝缘性能的主要因素是其表面电场分布的均匀性，而绝缘子伞裙和均压环结构是影响其电场分布的重要因素，故对绝缘子的结构优化具有重大意义。
本课题优化以江苏某公司提供的复合绝缘子模型为原型，以有限元方法为求解基础，运用Maxwell ansoft软件进行求解计算。首先对其原型进行了详细的建模、仿真及后处理，绘制其表面场强分布图、表面电位分布图。通过改变绝缘子伞裙结构研究其场强分布的影响因素，最终选定了每组伞裙半径大小为优化变量，表面场强极差最小或场强梯度最大值最小为优化目标。
然后分别通过Maxwell ansoft软件的参数化分析法和遗传算法对一组绝缘子伞裙半径大小进行优化分析，得出使其电场分布更均匀的最优解。参数化分析以大、中、小三个伞裙的半径大小为优化变量，以绝缘子表面场强极差最小和场强梯度最大值最小为优化目标。遗传算法以大、中、小三个伞裙的半径大小为优化变量，以绝缘子表面场强极差最小为优化目标。将两种方法的优化结果进行比较，选择最优解。
确定一组伞裙结构的最优解后，对绝缘子包含伞裙的组数进行分析优化，从而确定一个绝缘子上应该包含伞裙组的个数，即绝缘子的长度。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字复合绝缘子；伞裙；参数化分析；遗传算法
目 录
第1章 绪论 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 本课题研究现状 2
1.3 本课题研究内容及意义 2
1.4 本文章节安排 3
第2章 复合绝缘子电场分布计算及有限元法介绍 4
2.1 复合绝缘子电场分布的计算 4
2.2 有限元法的介绍 4
2.3 有限元法开域问题的解决 6
2.4 有限元软件ansoft maxwell的介绍 6
2.5 复合绝缘子在ansoft Maxwell软件中的仿真流程 7
2.6 本章小结 7
第3章 基于Maxwell ansoft 的绝缘子模型建立及仿真 9
3.1 复合绝缘子介绍 9
3.1.1 绝缘子结构 9
3.1.2 复合绝缘子的主要参数 10
3.2 复合绝缘子模型的建立 10
3.2.1 基于Maxwell ansoft软件的绝缘子模型建立 10
3.2.2 基于SolidWorks软件的绝缘子模型建立 12
3.3 基于Maxwell ansoft软件的复合绝缘子仿真 13
3.4 不同伞裙结构对应场强分布的比较 19
第4章 基于参数化分析的复合绝缘子伞裙结构优化 21
4.1 关于优化设计简化模型的概述 21
4.2 Maxwell ansoft软件中待优化量的选取及定义 21
4.2.1 待优化量的选取 21
4.2.2 优化量的定义与实现 21
4.3 优化目标的选择与定义 22
4.3.1 Maxwell ansoft软件中场计算器功能介绍 22
4.3.2 优化目标的选择 23
4.3.3 优化目标的定义 24
4.3.4 输出变量的确定 26
4.4 参数化分析的介绍及实现 27
4.4.1 参数化分析的介绍 27
4.4.2 参数化分析的操作流程....................................................................27
4.5 结果分析 29
4.5.1 基于Excel的数据处理 29
4.5.2 基于Maxwell ansoft软件折线图分析 29
第5章 基于遗传算法单目标优化分析 33
5.1 Maxwell软件优化分析功能简介 33
5.2 遗传算法的理论基础 33
5.3 遗传算法单目标优化分析在Maxwell软件中的操作流程 36
5.4 结果分析 38
5.5 复合绝缘子长度的优化 39
5.6 均压环的添加 39
第6章 总结与展望 41
6.1 课题总结 41
6.2 课题展望 41
参考文献 42
致谢 45
第1章 第2章 绪论
2.1 本课题研究背景
早年间绝缘子
复合绝缘子因其特殊的绝缘性，可以在架空高压输电线路中起到重要作用。
复合绝缘子可分为：棒形悬式复合绝缘子，针式复合绝缘子，横担复合绝缘子，支柱复合绝缘子，防风偏复合绝缘子等。也可分为线路复合绝缘子、电器复合绝缘子。
复合绝缘子因其耐污性好、质量轻等特点，在高压输电线路中的应用越来越多，同时，在使用的过程中也出现了不少问题，诸如芯棒脆断、电场分布不均匀、芯棒脆断等[2-3]。其中绝缘子电场分布不均匀是其在特高压输电线路中运用所面临的一个紧迫问题。通常情况下，悬式绝缘子串在干燥条件下的电场分布一般由绝缘子串的结构参数和沿面电容分布决定，因而绝缘子串的沿面电位有很明显的梯度分布，避免了在高压端或高压端附近产生较高的电场。而复合绝缘子由于其外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率，使得电位分布从高压端开始快速衰减，这样的电位分布使得在邻近高压端和接地端处产生了较高的电场。如果绝缘子表面电场强度超过了电晕起始场强（0.45kV/mm），就会产生电晕放电[4]。
表面场强分布是输电线路中外绝缘研究的一项重要内容。强电场使绝缘子串和金具表面产生电晕放电的机会增大，对电力系统安全运行造成非常严重的威胁。在超高压和特高压输电线路中，复合绝缘子电场分布较常规线路更不均匀，因此超/特高压工程外绝缘设备研制及其安全运行的关键技术是改善复合绝缘子电场分布 [5]。
2.2 本课题研究现状
有限元法的基本思想是：将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连；单元里面的待求量可由单元节点量利用选定的函数插值得到。因为单元的形状简单，方便从平衡关系和能量关系创建节点量的方程式。该方法将各单元方程组集成整体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元法的优点是对全部分析领域进行剖分，然后定义出节点和单元，联立一次方程式的系数矩阵成为对象的疏矩阵，可以采用直接法和迭代法等求解，易于形成比较通用的程序模块[6]。
有不少文献介绍了有关有限元法求解复合绝缘子表面电场分布的理论，文献[7]研究了使用有限元法求解绝缘子电场分布的可行性及具体方法；文献[8]研究了基于有限元与神经网络对绝缘子均压环的优化设计，并提出了有限元法与渐进边界条件技术结合求解绝缘子电场分布的方法；文献[9]研究了影响绝缘子电场分布的因素，并且优化了对绝缘子电场分布的求解过程。但大多集中于研究利用有限元法求解绝缘子电场分布的可行性、影响绝缘子电场分布的因素和为使电场分布均匀对均压环进行优化等问题[7-10]，而研究通过改善复合绝缘子伞裙结构来提高其表面电场分布的均匀程度的文献却少之又少，本文将重点介绍绝缘子伞裙结构的优化。
2.3 本课题研究内容及意义
本课题以江苏某公司提供的复合绝缘子模型为原型，研究其外部伞裙结构和均压环对其电场分布的影响，然后通过参数化分析进行优化，得到使电场分布更均匀的的最优结构。
绝缘子有多种多样的伞形设计，伞裙直径、伞间距、伞裙数量、爬电距离及大小伞的搭配等伞裙结构参数不同，复合绝缘子的伞裙结构就不同，有计算表明，复合绝缘子表面场强分布受气伞裙结构影响很大。因此，为改善绝缘子表面电场的分布，本课题将优化其伞裙结构，这样具有重要的学术意义和工程应用价值。为改善复合绝缘子沿面电场和电位分布，如何利用智能算法，采取什么样最优化技术，确定复其最合理的伞型排列结构及均压环，这是该课题的关键。此外，对暴露在空间中的复合绝缘子的求解属于开域问题[4]，如何定义人工边界近似处理，是本课题的技术困难。
2.4 本文章节安排
本文详细研究了利用有限元法求解绝缘子电场分布的理论，并介绍了基于Maxwell ansoft软件对复合绝缘子模型建立及仿真计算，运用软件内部提供的参数化分析法对绝缘子伞裙结构进行了优化，使绝缘子表面电场分布更均匀。对绝缘子适合的长度进行了对比优化，得出复合绝缘子的最优结构。
第一章，绪论。介绍了本课题的研究背景和研究现状，解释了本课题的研究意义和研究内容。
第二章，复合绝缘子电场分布计算及有限元法介绍。本章介绍了有限元法的理论基础以及结合渐进边界条件技术求解绝缘子电场分布的方法；了解了有限元软件Maxwell ansoft的功能，并且确定了基于该软件复合绝缘子模型建立和仿真计算流程。
第三章，基于Maxwell ansoft软件的复合绝缘子仿真。本章详细讲解绝缘子在Maxwell ansoft软件中的仿真流程，包括建模、前处理、后处理等过程，对仿真结果进行了数据分析，确定了影响绝缘子电场分布的因素。
第四章，基于Maxwell ansoft的复合绝缘子伞裙结构优化。本章对绝缘子伞裙结构进行优化处理，利用参数化分析法得出使电场分布更均匀的最优结构。
第五章，运用遗传算法对绝缘子伞裙结构进行了优化，并将结果与参数化分析的优化结果比较，得出最优解。对不同长度的绝缘子进行分析对比，从而得出完整的最优结构。得出绝缘子的最优结构后，添加均压环进行仿真计算，并得出结论。
第六章，总结与展望。本章对前面的内容作了全面总结，提出了文中一些不完善的地方，并对文中介绍的参数化分析法做了展望。第3章 复合绝缘子电场分布计算及有限元法介绍
3.1 复合绝缘子电场分布的计算
目前，就电场的数值计算电场分析方法而言大致可分为两大类，即基于微分方程的分析方法和基于积分方程的分析方法。在基于微分方程的分析方法中有有限元法(Finite Eletnent Method)；在基于积分方程的分析方法中有模拟电荷法(Charse Simulation Meth-ed)、表面电荷法(Surface charge Method)和边界元法（Boundary Element Method）[11]。
模拟电荷法、表面电荷法和边界元法等方法是考虑到电荷、磁荷、电流、磁矩等假设的激励源，利用这个激励源模拟电介质和磁性体. 模拟电荷法在静电场的分析中可以用来近似模拟高压元件内的导体形状[12]。
有限元法的基本概念是用简单问题模拟复杂问题求得近似解的一种分析法，主要用于求解一些工程问题。它将求解域剖分为许多小的互连的有限单元，求出每一个单元对应的近似解，然后根据求解域整体条件得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，目前已成为电磁场计算领域灵活有效应用广泛的工程分析手段[13]。
3.2 有限元法的介绍
有限元法（finite element method）是一种效率较高且比较常用的分析方法。有限元法以变分原理为基础，所以以拉普拉斯方程
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