输电线路复合绝缘子的优化设计
输电线路复合绝缘子的优化设计[20191213112826]
河 海 大 学摘 要
输电线路复合绝缘子是电力系统中广为使用的线路支撑装置，其绝缘性能直接关系整个电网的安全运行。本文通过有限元数值计算方法，以江苏祥源公司 电压等级复合绝缘子产品为原型，运用 公司有限元软件 对其进行精确的三维建模及前处理、求解和后处理，绘制了表面场强分布以分析其绝缘性能；通过对均压环的精确建模和对管径、环径、深度的多组数据比较分析，得到了“均压环可降低对材料绝缘性要求”的结论，并确定了较为合理的均压环参数配置；对暴露在空间中的复合绝缘子的研究属于开域问题，基于人工边界方法给出了渐进边界的推导，并根据模型参数在 软件中使用对称边界条件实现了求解域的优化，得到了更准确的场强分布结果。
通过对伞裙大小、个数和排布对场强分布的影响进行分析，最终选择伞裙大小作为待优化量。以“使场强分布更均匀”为优化目标，在 场计算器中定义了“表面场强极差”和“表面场强梯度最大值”作为目标函数，分别使用了 优化模块中的参数化分析和遗传算法单目标优化对简化的绝缘子模型进行了伞裙寻优。参数化分析得到的最优结构中，大中小伞裙半径分别为：0.0875米，0.0775米，0.0675米，比原始伞裙结构下的场强分布优化了 。对场强极差的优化设计得到的最优结构参数为：0.1168，0.0716，0.0915。优化设计表明，本问题目标具有高度离散性，伞裙改变造成的场强分布很不稳定，优化难度较大，算法有局限性。
本文进而采用 VBScript与 遗传算法工具箱进行联合优化。采用多种方案进行了设计，最终利用COM组件实现了数据接口。分别对两个目标进行了单目标优化，在论证目标函数互斥性后，使用多目标优化得到了Perato最优解。对场强极差的单目标优化结果为：0.0843，0.0943，0.0810；多目标优化结果为：0.0967，0.0765，0.0574。综合比较所有优化过程，参数化分析简单易行，效果较好；多目标优化参数配置上还有改进空间。
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关键字:复合绝缘子有限元仿真多目标遗传算法优化设计
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 1
1.3 本课题研究意义 2
1.4 本文的研究内容及章节安排 3
1.5 本章小结 5
第2章 电磁场数值计算及其有限元理论基础 6
2.1 电磁场数值的计算分析方法 6
2.2 有限元法的提出 6
2.3 有限元软件Maxwell简介 8
2.4 本章小结 9
第3章 基于Maxwell的复合绝缘子有限元分析 10
3.1 复合绝缘子概述 10
3.1.1 结构与功能 10
3.1.2 性能的衡量指标 10
3.2 复合绝缘子伞裙模型的建立与仿真分析 11
3.2.1 三维结构绘制 11
3.2.2 前处理 13
3.2.3 后处理 16
3.3 均压环模型的建立与仿真分析 17
3.3.1 均压环的结构和功能 17
3.3.2 含均压环的复合绝缘子模型仿真 18
3.3.3 均压环参数的确定 20
3.4 开域问题的人工边界条件建立与仿真分析 21
3.4.1 渐进边界条件边界值计算 21
3.4.2 边界条件的Maxwell建模过程 22
3.4.3 仿真结果比较 26
3.5 复合绝缘子结构对其电场分布的影响分析 27
3.6 本章小结 27
第4章 基于Maxwell的复合绝缘子优化设计 29
4.1 本课题优化设计所用简化模型概述 29
4.2 输出变量选择 29
4.3 参数化分析（Parametric Analysis） 33
4.3.1 操作流程 34
4.3.2 结果分析 36
4.4 优化设计（Target Optimization） 39
4.4.1 操作流程 39
4.4.2 结果分析 42
4.5 本章小结 44
第5章 基于多目标遗传算法的复合绝缘子优化设计 45
5.1 使用外部算法进行优化的意义 45
5.2 遗传算法理论基础 45
5.2.1 遗传算法的优越性 45
5.2.2 遗传算法的数学模型 46
5.2.3 MATLAB遗传算法工具箱 48
5.3 多目标遗传算法理论基础 54
5.3.1 多目标优化问题描述 54
5.3.2 使用多目标优化的意义 55
5.3.3 多目标遗传算法的基本概念 55
5.3.4 MATLAB GADST多目标遗传算法结构分析（gamultiobj） 56
5.4 本章小结 61
第6章 基于多目标遗传算法的复合绝缘子伞裙优化算法程序实现 62
6.1 接口程序可行性分析 62
6.2 Maxwell VBScript与MATLAB接口程序设计 62
6.2.1 接口流程探索 62
6.2.2 模块设计研究 64
6.3 Maxwell VBScript与MATLAB COM组件接口程序实现 68
6.3.1 COM组件与ActiveX控件架构剖析 68
6.3.2 MATLAB组件在VBS中调用的实现 68
6.3.3 基于MATLAB遗传算法工具箱的伞裙优化VBS程序实现 69
6.3.4 结果分析 78
6.4 MATLAB与Maxwell COM组件接口程序实现 78
6.4.1 MATLAB实现Maxwell组件的调用 78
6.4.2 基于GADST的单目标遗传算法伞裙结构优化 79
6.4.3 基于GADST的多目标遗传算法伞裙结构优化 80
6.4.4 结果分析与模型评价 80
6.5 优化方式综合分析 86
6.5.1 输出变量互斥性研究 86
6.5.2 对四种优化方式的评价 88
6.6 本章小结 89
第7章 总结与展望 90
7.1 课题总结 90
7.2 课题展望 90
参考文献 91
附录 93
致谢 129
第1章 绪论
1.1 本课题研究背景
超高压输电线路外绝缘设计主要采用悬式瓷、玻璃绝缘子串和复合绝缘子复合绝缘子与传统的陶瓷或玻璃绝缘子相比，在安装时往往配有一个附件——均压环。复合绝缘子使用均压环不仅能够改善绝缘子端部场强和调整绝缘子串电压分布，同时还有招弧引弧的作用。近年来，由于复合成绝缘子具有防污性能好、轻便、便于维护等优点在我国的电力系统中得到了广泛的应用。运行经验表明，复合绝缘子的耐污闪能力较强，在保障电力系统安全运行和推动我国电力工业发展上发挥了显著作用[]。
但复合绝缘子在实际运用中也遇到一些问题，诸如芯棒脆断、覆冰下电气性能严重降低、电场分布严重不均匀等[-]。其中电场分布严重不均匀是复合绝缘子在超特高压线路上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。
电场分布是输电线路外绝缘研究中的一项重要内容。强电场造成绝缘子串和金具表面产生电晕放电的机会增大，会对电力安全运行造成严重威胁。对于超高压和特高压线路，其电压等级高、电场强度大，复合绝缘子电场分布较常规线路更不均匀，因此改善复合绝缘子电场分布是超/特高压工程外绝缘设备研制及其安全运行的关键技术。
1.2 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；单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式。该方法将各单元方程组集成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元法的长处是对整个分析领域进行剖分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。
现有文献利用有限元软件根据220kV线路复合绝缘子的实际几何尺寸，建立了其轴对称的二维模型，分析了均压环环径、管径、罩深及形状对复合绝缘子沿面电压分布和电场强度分布的影响。得出结论：复合绝缘子两端安装与不安装均压环时电场分布明显不同，这是因为均压环的安装相当于改变了绝缘子两端的金具结构，而端部金具的形状和尺寸改变会影响电力线分布；复合绝缘子端部安装均压环后，电力线沿均压环表面绕过，电力线没有不安装时密集，电位梯度变低, 电场强度值变小；均压环的参数变化同样改变了电力线分布，环径越大电力线越稀疏，罩深增加对端部绝缘部分屏蔽越多，对电场分布的改善都会相对变好[]。也有文献研究输电线路中复合绝缘子伞裙结构的改变对其表面电场分布的影响，但几乎尚无文献和专利利用有限元仿真软件更准确地对输电线路中复合绝缘子建立模型，研究伞裙结构和均压环对其电场分布的影响，更无文献和专利研究如何利用智能算法优化伞裙结构和均压环，得到最优的伞裙结构和均压环尺寸，以获得更加均匀的电场分布。
1.3 本课题研究意义
本课题针对江苏祥源电气设备有限公司生产的复合绝缘子，研究其内部伞形结构和均压环对电场分布的影响，进而采用智能算法优化其内部结构，得到更加均匀的电场分布。
复合绝缘子与传统的瓷或玻璃绝缘子相比，在安装时多配有一个附件均压环。均压环通过与绝缘子并联的方式来提高绝缘子的绝缘性能，通过调整高压端附近的电压分布从而降低绝缘子沿面电场强度以避免产生电晕，能减少由电晕引起的可听噪声，以及电晕噪声产生的无线电干扰和电视干扰，并能消除由电晕引起的非瓷材料的降解作用。均压环在220 kV电压等级线路上通常仅安装在复合成绝缘子高压端，当线路电压等级超过330 kV时，复合成绝缘子的高压端和接地端均需安装均压环。然而，并不是任意结构参数的均压环都能均匀绝缘子沿面电位分布，从而降低绝缘子表面电场强度，均压环的结构参数及安装位置等因素将直接影响绝缘子表面的沿面电位分布；同时，当均压环自身的表面电场强度超过2.2kV/mm时，均压环自身也会产生电晕，这样反而使得绝缘子的绝缘性能降低。本课题采用最优化技术研究最优结构的合成绝缘子均压环以改善合成绝缘子沿面电场和电位分布，具有重要的学术意义和工程应用价值。
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，复合绝缘子的伞裙结构明显影响其表面电场的分布。因此，本课题优化复合绝缘子伞裙结构参数，可以改善复合绝缘子的电场分布，也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，如何定义人工边界近似处理，是本课题的技术困难。
1.4 本文的研究内容及章节安排
本文详细研究了复合绝缘子的基本结构及工作机理，利用Ansys公司的电磁场有限元分析软件 和MathWorks公司的科学计算软件 ，探究了影响复合绝缘子表面场强分布的因素及其多种优化方法，并通过程序实现了两个软件的大数据量联合计算，得到了优化结果。
在有限元分析软件 中，进行了模型绘制、求解器设置、边界条件设置、材料设置、激励添加、网格剖分设置、输入输出变量添加、分析及其他后处理等操作，得到了复合绝缘子的三维静电场分布。通过改变绝缘子伞裙结构尺寸、伞裙个数、伞裙搭配，对其三维静电场分布进行比较分析，得到了不同结构下的电场分布统计表，论证了不同结构参数对电场分布的均匀性会产生严重影响，为伞裙结构优化设计提供了重要的理论依据。
通过对均压环的建模和分析验证了复合绝缘子均压环对模型场强分布的显著影响，并通过定义人工边界优化了求解质量、降低了求解计算量。
根据前期仿真结果，选择了合适的输入变量与输出变量，使用了多种方法进行了优化，包括 自带的遗传算法优化工具，基于 遗传算法与直接搜索工具箱、谢菲尔德大学遗传算法工具箱的单目标与多目标优化。由于实际绝缘子模型太大，在仿真迭代的过程中难以实现对整个模型的仿真分析。因此，通过分析和验证，选择了伞裙大小作为重点分析目标，以一组伞裙的小规模模型进行了大规模迭代，得到了较好的结果。
本文研究内容及顺序流程图如图 1.1。
图 1.1 本文研究内容及顺序
本文的章节安排如下：
第一章，绪论。主要介绍了本课题研究的背景、研究现状及研究意义，简单介绍了本文的实际研究内容及结果。
第二章，电磁场数值计算及其有限元理论基础。简单介绍了电磁场数值的计算方法；根据有限元理论推导了有限元方程；介绍了有限元分析软件 部分模块及选用理由。
第三章，基于 的复合绝缘子有限元分析。介绍了复合绝缘子的基本结构和工作原理，建立了复合绝缘子伞裙模型、均压环模型并进行了仿真和结果对比分析。对开域问题的人工边界条件进行了分析与软件操作，并分析了多种因素对复合绝缘子电场强度分布的影响。
河 海 大 学摘 要
输电线路复合绝缘子是电力系统中广为使用的线路支撑装置，其绝缘性能直接关系整个电网的安全运行。本文通过有限元数值计算方法，以江苏祥源公司 电压等级复合绝缘子产品为原型，运用 公司有限元软件 对其进行精确的三维建模及前处理、求解和后处理，绘制了表面场强分布以分析其绝缘性能；通过对均压环的精确建模和对管径、环径、深度的多组数据比较分析，得到了“均压环可降低对材料绝缘性要求”的结论，并确定了较为合理的均压环参数配置；对暴露在空间中的复合绝缘子的研究属于开域问题，基于人工边界方法给出了渐进边界的推导，并根据模型参数在 软件中使用对称边界条件实现了求解域的优化，得到了更准确的场强分布结果。
通过对伞裙大小、个数和排布对场强分布的影响进行分析，最终选择伞裙大小作为待优化量。以“使场强分布更均匀”为优化目标，在 场计算器中定义了“表面场强极差”和“表面场强梯度最大值”作为目标函数，分别使用了 优化模块中的参数化分析和遗传算法单目标优化对简化的绝缘子模型进行了伞裙寻优。参数化分析得到的最优结构中，大中小伞裙半径分别为：0.0875米，0.0775米，0.0675米，比原始伞裙结构下的场强分布优化了 。对场强极差的优化设计得到的最优结构参数为：0.1168，0.0716，0.0915。优化设计表明，本问题目标具有高度离散性，伞裙改变造成的场强分布很不稳定，优化难度较大，算法有局限性。
本文进而采用 VBScript与 遗传算法工具箱进行联合优化。采用多种方案进行了设计，最终利用COM组件实现了数据接口。分别对两个目标进行了单目标优化，在论证目标函数互斥性后，使用多目标优化得到了Perato最优解。对场强极差的单目标优化结果为：0.0843，0.0943，0.0810；多目标优化结果为：0.0967，0.0765，0.0574。综合比较所有优化过程，参数化分析简单易行，效果较好；多目标优化参数配置上还有改进空间。
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关键字:复合绝缘子有限元仿真多目标遗传算法优化设计
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 1
1.3 本课题研究意义 2
1.4 本文的研究内容及章节安排 3
1.5 本章小结 5
第2章 电磁场数值计算及其有限元理论基础 6
2.1 电磁场数值的计算分析方法 6
2.2 有限元法的提出 6
2.3 有限元软件Maxwell简介 8
2.4 本章小结 9
第3章 基于Maxwell的复合绝缘子有限元分析 10
3.1 复合绝缘子概述 10
3.1.1 结构与功能 10
3.1.2 性能的衡量指标 10
3.2 复合绝缘子伞裙模型的建立与仿真分析 11
3.2.1 三维结构绘制 11
3.2.2 前处理 13
3.2.3 后处理 16
3.3 均压环模型的建立与仿真分析 17
3.3.1 均压环的结构和功能 17
3.3.2 含均压环的复合绝缘子模型仿真 18
3.3.3 均压环参数的确定 20
3.4 开域问题的人工边界条件建立与仿真分析 21
3.4.1 渐进边界条件边界值计算 21
3.4.2 边界条件的Maxwell建模过程 22
3.4.3 仿真结果比较 26
3.5 复合绝缘子结构对其电场分布的影响分析 27
3.6 本章小结 27
第4章 基于Maxwell的复合绝缘子优化设计 29
4.1 本课题优化设计所用简化模型概述 29
4.2 输出变量选择 29
4.3 参数化分析（Parametric Analysis） 33
4.3.1 操作流程 34
4.3.2 结果分析 36
4.4 优化设计（Target Optimization） 39
4.4.1 操作流程 39
4.4.2 结果分析 42
4.5 本章小结 44
第5章 基于多目标遗传算法的复合绝缘子优化设计 45
5.1 使用外部算法进行优化的意义 45
5.2 遗传算法理论基础 45
5.2.1 遗传算法的优越性 45
5.2.2 遗传算法的数学模型 46
5.2.3 MATLAB遗传算法工具箱 48
5.3 多目标遗传算法理论基础 54
5.3.1 多目标优化问题描述 54
5.3.2 使用多目标优化的意义 55
5.3.3 多目标遗传算法的基本概念 55
5.3.4 MATLAB GADST多目标遗传算法结构分析（gamultiobj） 56
5.4 本章小结 61
第6章 基于多目标遗传算法的复合绝缘子伞裙优化算法程序实现 62
6.1 接口程序可行性分析 62
6.2 Maxwell VBScript与MATLAB接口程序设计 62
6.2.1 接口流程探索 62
6.2.2 模块设计研究 64
6.3 Maxwell VBScript与MATLAB COM组件接口程序实现 68
6.3.1 COM组件与ActiveX控件架构剖析 68
6.3.2 MATLAB组件在VBS中调用的实现 68
6.3.3 基于MATLAB遗传算法工具箱的伞裙优化VBS程序实现 69
6.3.4 结果分析 78
6.4 MATLAB与Maxwell COM组件接口程序实现 78
6.4.1 MATLAB实现Maxwell组件的调用 78
6.4.2 基于GADST的单目标遗传算法伞裙结构优化 79
6.4.3 基于GADST的多目标遗传算法伞裙结构优化 80
6.4.4 结果分析与模型评价 80
6.5 优化方式综合分析 86
6.5.1 输出变量互斥性研究 86
6.5.2 对四种优化方式的评价 88
6.6 本章小结 89
第7章 总结与展望 90
7.1 课题总结 90
7.2 课题展望 90
参考文献 91
附录 93
致谢 129
第1章 绪论
1.1 本课题研究背景
超高压输电线路外绝缘设计主要采用悬式瓷、玻璃绝缘子串和复合绝缘子复合绝缘子与传统的陶瓷或玻璃绝缘子相比，在安装时往往配有一个附件——均压环。复合绝缘子使用均压环不仅能够改善绝缘子端部场强和调整绝缘子串电压分布，同时还有招弧引弧的作用。近年来，由于复合成绝缘子具有防污性能好、轻便、便于维护等优点在我国的电力系统中得到了广泛的应用。运行经验表明，复合绝缘子的耐污闪能力较强，在保障电力系统安全运行和推动我国电力工业发展上发挥了显著作用[]。
但复合绝缘子在实际运用中也遇到一些问题，诸如芯棒脆断、覆冰下电气性能严重降低、电场分布严重不均匀等[-]。其中电场分布严重不均匀是复合绝缘子在超特高压线路上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。
电场分布是输电线路外绝缘研究中的一项重要内容。强电场造成绝缘子串和金具表面产生电晕放电的机会增大，会对电力安全运行造成严重威胁。对于超高压和特高压线路，其电压等级高、电场强度大，复合绝缘子电场分布较常规线路更不均匀，因此改善复合绝缘子电场分布是超/特高压工程外绝缘设备研制及其安全运行的关键技术。
1.2 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；单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式。该方法将各单元方程组集成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元法的长处是对整个分析领域进行剖分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。
现有文献利用有限元软件根据220kV线路复合绝缘子的实际几何尺寸，建立了其轴对称的二维模型，分析了均压环环径、管径、罩深及形状对复合绝缘子沿面电压分布和电场强度分布的影响。得出结论：复合绝缘子两端安装与不安装均压环时电场分布明显不同，这是因为均压环的安装相当于改变了绝缘子两端的金具结构，而端部金具的形状和尺寸改变会影响电力线分布；复合绝缘子端部安装均压环后，电力线沿均压环表面绕过，电力线没有不安装时密集，电位梯度变低, 电场强度值变小；均压环的参数变化同样改变了电力线分布，环径越大电力线越稀疏，罩深增加对端部绝缘部分屏蔽越多，对电场分布的改善都会相对变好[]。也有文献研究输电线路中复合绝缘子伞裙结构的改变对其表面电场分布的影响，但几乎尚无文献和专利利用有限元仿真软件更准确地对输电线路中复合绝缘子建立模型，研究伞裙结构和均压环对其电场分布的影响，更无文献和专利研究如何利用智能算法优化伞裙结构和均压环，得到最优的伞裙结构和均压环尺寸，以获得更加均匀的电场分布。
1.3 本课题研究意义
本课题针对江苏祥源电气设备有限公司生产的复合绝缘子，研究其内部伞形结构和均压环对电场分布的影响，进而采用智能算法优化其内部结构，得到更加均匀的电场分布。
复合绝缘子与传统的瓷或玻璃绝缘子相比，在安装时多配有一个附件均压环。均压环通过与绝缘子并联的方式来提高绝缘子的绝缘性能，通过调整高压端附近的电压分布从而降低绝缘子沿面电场强度以避免产生电晕，能减少由电晕引起的可听噪声，以及电晕噪声产生的无线电干扰和电视干扰，并能消除由电晕引起的非瓷材料的降解作用。均压环在220 kV电压等级线路上通常仅安装在复合成绝缘子高压端，当线路电压等级超过330 kV时，复合成绝缘子的高压端和接地端均需安装均压环。然而，并不是任意结构参数的均压环都能均匀绝缘子沿面电位分布，从而降低绝缘子表面电场强度，均压环的结构参数及安装位置等因素将直接影响绝缘子表面的沿面电位分布；同时，当均压环自身的表面电场强度超过2.2kV/mm时，均压环自身也会产生电晕，这样反而使得绝缘子的绝缘性能降低。本课题采用最优化技术研究最优结构的合成绝缘子均压环以改善合成绝缘子沿面电场和电位分布，具有重要的学术意义和工程应用价值。
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，复合绝缘子的伞裙结构明显影响其表面电场的分布。因此，本课题优化复合绝缘子伞裙结构参数，可以改善复合绝缘子的电场分布，也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，如何定义人工边界近似处理，是本课题的技术困难。
1.4 本文的研究内容及章节安排
本文详细研究了复合绝缘子的基本结构及工作机理，利用Ansys公司的电磁场有限元分析软件 和MathWorks公司的科学计算软件 ，探究了影响复合绝缘子表面场强分布的因素及其多种优化方法，并通过程序实现了两个软件的大数据量联合计算，得到了优化结果。
在有限元分析软件 中，进行了模型绘制、求解器设置、边界条件设置、材料设置、激励添加、网格剖分设置、输入输出变量添加、分析及其他后处理等操作，得到了复合绝缘子的三维静电场分布。通过改变绝缘子伞裙结构尺寸、伞裙个数、伞裙搭配，对其三维静电场分布进行比较分析，得到了不同结构下的电场分布统计表，论证了不同结构参数对电场分布的均匀性会产生严重影响，为伞裙结构优化设计提供了重要的理论依据。
通过对均压环的建模和分析验证了复合绝缘子均压环对模型场强分布的显著影响，并通过定义人工边界优化了求解质量、降低了求解计算量。
根据前期仿真结果，选择了合适的输入变量与输出变量，使用了多种方法进行了优化，包括 自带的遗传算法优化工具，基于 遗传算法与直接搜索工具箱、谢菲尔德大学遗传算法工具箱的单目标与多目标优化。由于实际绝缘子模型太大，在仿真迭代的过程中难以实现对整个模型的仿真分析。因此，通过分析和验证，选择了伞裙大小作为重点分析目标，以一组伞裙的小规模模型进行了大规模迭代，得到了较好的结果。
本文研究内容及顺序流程图如图 1.1。
图 1.1 本文研究内容及顺序
本文的章节安排如下：
第一章，绪论。主要介绍了本课题研究的背景、研究现状及研究意义，简单介绍了本文的实际研究内容及结果。
第二章，电磁场数值计算及其有限元理论基础。简单介绍了电磁场数值的计算方法；根据有限元理论推导了有限元方程；介绍了有限元分析软件 部分模块及选用理由。
第三章，基于 的复合绝缘子有限元分析。介绍了复合绝缘子的基本结构和工作原理，建立了复合绝缘子伞裙模型、均压环模型并进行了仿真和结果对比分析。对开域问题的人工边界条件进行了分析与软件操作，并分析了多种因素对复合绝缘子电场强度分布的影响。
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