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基于有限元仿真的GIS支柱绝缘子性能优化

来源：电工电气发布时间：2024-03-11 08:11 浏览次数：486

基于有限元仿真的GIS支柱绝缘子性能优化

王皓, 刘同宝, 唐刚，孙志宇，朱祉旭

(国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏连云港 222004)

摘要：为提高金属封闭式气体绝缘组合电器 (GIS) 中支柱绝缘子的耐电性与机械强度，基于有限元仿真，通过拓扑优化的方法设计了支柱绝缘子内部的材料分布，研究了材料相对介电常数与杨氏模量梯度分布后绝缘子的电场分布与机械应力场分布特性。仿真结果表明：经过拓扑优化后，合理的材料参数选择可显著降低绝缘子本体与金属嵌件所形成的界面处的最大电场强度和机械应力，相较于初始的匀质支柱绝缘子，最大电场和机械应力可分别降低 40% 和 20% 以上，为增强支柱绝缘子综合性能，提高绝缘子运行可靠性提供了技术参考。

关键词： 金属封闭式气体绝缘组合电器；有限元仿真；支柱绝缘子；电场分布；机械应力

中图分类号：TM216 ；TM595 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2024)02-0058-05

Performance Optimization of GIS Post Insulators by Finite Element Simulation

WANG Hao, LIU Tong-bao, TANG Gang, SUN Zhi-yu, ZHU Zhi-xu

（State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd. Lianyungang Power Supply Company, Lianyungang 222004, China）

Abstract: In order to improve the electrical resistance and mechanical srtength of the post insulator in the metal-enclosed Gas-Insulated Metal-Enclosed Switchgear (GIS), the material distribution inside the pillar insulator was designed by topology optimization method based on finite element simulation,and the electric field distribution and mechanical stress field distribution characteristics of the insulator after the gradient distribution of the relative permittivity and Young's modulus of the material were studied. The simulation results show that: after topological optimization, reasonable material parameter selection can significantly reduce the maximum electric field strength and mechanical stress at the interface formed by the insulator body and the metal insert.Compared with the initial uniform pillar insulator, the maximum electric field and mechanical stress can be reduced by more than 40% and 20% respectively,it provides a technical reference for enhancing the comprehensive performance of pillar insulators and improving the operational reliability of insulators.

Key words: gas-insulated metal-enclosed switchgear; finite element simulation; pillar insulator; electric field distribution; mechanical stress

参考文献

[1] PLESA I, NOTINGHER P V, SCHLOGL S, et al.Properties of polymer composites used in highvoltage applications[J].Polymers，2016，8(5) ：173.

[2] 何愈，何俊凌，赵玉顺，等. 特高压电气设备用高性能复合绝缘材料配方的研制[J] . 热固性树脂，2020，35(6) ：54-61．

[3] 王超，李文栋，陈俊鸿，等.550 kV GIS 盆式绝缘子小型化设计(三)——缩比结构验证[J] . 电工技术学报，2023，38(7) ：1970-1981.

[4] GUO Zihao, WU Zehua, WANG Haoran, et al.Experimental and numerical study on formation of interface separation and interfacial dielectric strength of GIL insulator[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2019，26(6) ：1738-1746.

[5] 贾云飞，高璐，汲胜昌，等. 基于有限元仿真和遗传算法的 1 100 kV 盆式绝缘子电气、机械性能综合优化[J].高电压技术，2019，45(12) ：3844-3853．

[6] 郑尧.GIS/GIL 绝缘子的应力与缺陷超声检测和机械失效机理研究[D]. 广州：华南理工大学，2022．

[7] 王超，李文栋，杨雄，等. 基于几何形状/介电分布综合优化的 GIS/GIL 盆式绝缘子电场分布特性调控[J].中国电机工程学报，2020，40(22) ：7166-7174．

[8] 严璋，朱德恒. 高电压绝缘技术[M]. 北京：中国电力出版社，2015．

[9] 陈小前，赵勇，霍森林，等. 多尺度结构拓扑优化设计方法综述[J]. 航空学报，2023，44(15) ：17-52．

[10] MARCK G, NEMER M, HARION J L, et al.Topology optimization using the SIMP method for multiobjective conductive problems[J].Numerical Heat Transfer Part B-Fundamentals，2012，61(6) ：439-470．

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