[發明專利]基于表面場強掃描的金具結構優化方法

有效

• 申請號: 201310529196.9
• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN103530480A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 余占清;戴夢婷;高志野;李敏;李銳海;曾嶸;高超;劉磊;楊蕓;田豐;張波
• 申請（專利權）人: 清華大學;南方電網科學研究院有限責任公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于電力系統輸電線路金具設計技術領域，涉及一種基于三維有限元場強計算的金具尺寸優化方法。

背景技術

線路電暈放電是線路工程設計、建設和運行的關鍵技術問題。金具作為輸電線路的金屬附件，當其表面電位梯度超過一定臨界值后，將會引起金具周圍空氣電離而發光放電，即發生電暈放電現象，成為輸電線路電暈放電的一部分。按照國家標準的規定，實際線路中不允許金具電暈現象的存在，所帶來的無線電干擾和可聽噪聲等電磁環境問題也應相應地得到抑制。通過增大金具表面的曲率半徑，從而使金具表面場強分布均勻能夠從根本上解決這個問題。然而，一方面金具的形式與電壓等級、導線型號、分裂方式等工程技術參數密切相關，其結構的復雜性導致了其表面電場分布的不均勻性，另一方面，實際工程需要本著節約的原則，不能一味擴大金具的尺寸，保守的設計極有可能帶來資源的浪費。

目前在金具尺寸優化方面，主要采用實驗測試金具電暈放電情況。若產生電暈放電，則增加金具表面的曲率半徑，再次進行測試，直至滿足要求。一方面，增加的金具表面曲率半徑，往往憑工程設計人員的經驗決定，人工方法往往不能很好解決均勻性問題，另一方面，多次對金具進行改造和試驗會大大提高成本。

發明內容

本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種基于表面場強掃描的金具結構優化方法；本方法降低金具尺寸設計成本，提高了金具表面場強的均勻性，抑制金具電暈放電現象。

本發明提出的基于三維有限元場強計算的金具表面的曲率半徑優化方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟：

1）給定金具的結構和尺寸；

2）根據金具的結構和尺寸建立三維模型，根據三維模型采用有限元方法計算出金具整個表面場強；

3）搜索金具表面場強最大值E_max，并測量得到該值對應點的曲率半徑；

4）若表面場強最大值E_max在目標范圍之內，則優化步驟結束；否則進行步驟5）；

5）計算場強不均勻系數：將金具分解為若干個對稱結構，分別在每個對稱結構上取若干對稱路徑進行場強測量，取每條路徑上的場強最大值，并對所有路徑的場強最大值取平均得到場強值E_av；并計算場強不均勻系數為：K＝E_max/E_av；

6）優化步驟3）中表面場強最大點的曲率半徑，得到優化后的金具的結構和尺寸，轉至步驟2）；

優化步驟3）中表面場強最大點曲率半徑的具體方法為：

設步驟3）中表面場強最大點的曲率半徑為R，優化后的曲率半徑為：R'＝f(K)×R，其中f(K)是場強不均勻系數K的函數：

本發明的技術特點及有益效果：

針對金具尺寸設計中的重點部分即較大場強處的曲率半徑設定，通過三維有限元計算軟件的使用與曲率半徑優化函數的設計，將優化過程轉化為一種閉環式的迭代計算，最終取得符合設計標準的最優值，將整個設計過程大大簡化。將以往的經驗式設計轉化為計算程序，整個過程可在計算機上完成，不需要反復對實體進行修改和實驗，大大縮減了設計成本。

附圖說明

圖1為本發明的方法流程框圖；

具體實施方式

本發明提出的基于三維有限元場強計算的金具表面的曲率半徑優化方法結合附圖詳細說明具體實施方式。

本發明的基于三維有限元場強計算的金具表面的曲率半徑優化方法，如圖1所示，具體包括以下步驟：

1）給定金具的結構和尺寸；

2）根據金具的結構和尺寸建立三維模型，根據三維模型采用有限元方法計算出金具整個表面場強(例如可采用有限元方法的Ansoft或Ansys軟件程序進行計算)；

3）搜索金具表面場強最大值E_max，并測量得到該值對應點的曲率半徑；

4）若表面場強最大值E_max在目標范圍（即設計標準中的要求范圍，如不發生電暈放電的安全值）之內，則優化步驟結束；否則進行步驟5）；

5）計算場強不均勻系數：將金具分解為若干個對稱結構，分別在每個對稱結構上取若干對稱路徑進行場強測量（路徑的數目與位置根據具體金具的結構和尺寸而定，但要求所有路徑的集合能夠等效為與金具結構及尺寸相同的幾何體，Ansoft或Ansys可對路徑上的場量進行查看），取每條路徑上的場強最大值，并對所有路徑的場強最大值取平均得到場強值E_av；并計算場強不均勻系數為：K＝E_max/E_av；