电力工业论文_GIS绝缘系统多元模型及全场域网

文章目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 GIS绝缘分析与设计研究现状

1.3 计算电磁学电场求解方法

1.4 电场场域网络研究现状

1.5 论文框架与研究内容

第2章 GIS绝缘系统多元模型的建模

2.1 一般系统论及其数学模型

    2.1.1 一般系统论概述

    2.1.2 一般系统论数学模型

2.2 基于一般系统论的GIS绝缘系统多元模型的提出

2.3 本章小结

第3章 基于计算电磁学积分方程的优化方法研究

3.1 响应面-几何特征模拟电荷法的提出

    3.1.1 模拟电荷法基本原理

    3.1.2 几何特征模拟电荷法基本原理

    3.1.3 响应面法基本原理

    3.1.4 响应面-几何特征模拟电荷法原理

3.2 基于响应面-几何特征模拟电荷法求解GIS中典型元件电场分析

    3.2.1 求解GIS中SF_6断路器灭弧室电场

    3.2.2 求解GIS中隔离开关电场

    3.2.3 求解GIS中母线电场

3.3 金属颗粒对GIS中隔离开关电场的影响分析

3.4 本章小结

第4章 GIS绝缘系统全场域电场网络特性研究

4.1 网络科学研究方法

4.2 电场影响域网络构建

4.3 基于电场影响域构建GIS电场网络拓扑模型

4.4 网络特征分析

    4.4.1 网络度分布

    4.4.2 度-度相关性

    4.4.3 无标度特征

    4.4.4 小世界特性

    4.4.5 网络的传递性

4.5 本章小结

第5章 冲击电压环境下GIS系统绝缘影响因素研究

5.1 GIS瞬时绝缘数值分析方法基本思想

5.2 雷电冲击环境下GIS系统绝缘特性影响因素研究

    5.2.1 雷电冲击环境下GIS电磁暂态电路模型构建

    5.2.2 雷电冲击环境下GIS绝缘系统瞬时绝缘特性分析

    5.2.3 雷电冲击环境下GIS试验线路及仿真

5.3 VFTO环境下对GIS绝缘系统影响因素研究

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

参考文献

在学研究成果

致谢

文章摘要:六氟化硫气体绝缘金属封闭开关设备（SF₆Gas Insulated Metal-Enclosed Switchgear,GIS）作为电力系统中重要的组合式电气装备,其整机动静态绝缘性能取决于其统一系统内各组成元件及电气连接组件间绝缘性能的共同作用,以及全生命周期电、磁、热、力与环境等多因素相互作用。伴随GIS系统运行过程中复杂物理化学变化,其服役周期绝缘能力不可避免存在退化与劣化的演化,传统静态绝缘分析方法难以表征和描述GIS系统绝缘退化这一暂态过程及其内在机理。本文基于贝塔朗菲一般系统论,针对GIS这一绝缘系统,提出并建立多元模型,从系统论出发,研究GIS绝缘系统中整机与元件之间的绝缘影响机理。针对绝缘系统网络动力学行为,提出电场影响域网络构造方法,建立电场影响域网络拓扑模型,研究GIS绝缘系统中各电气元件之间场域耦合关系和影响机理。针对GIS绝缘系统中设计变量与目标函数间的非线性关系,提出基于计算电磁学积分方程的优化方法和暂态绝缘分析方法,研究GIS系统极端运行工况下的瞬时绝缘性能。主要研究工作包括:基于一般系统论的GIS绝缘系统场域耦合模型建模与分析。针对运行工况、系统结构拓扑、状态参数和系统行为之间的非线性关系分析,研究不同运行条件下,绝缘系统中任一时刻输入量因运行工况影响而发生改变时,元件间场域耦合关系以及暂态绝缘性能影响因素。基于绝缘系统的关系环以及系统记忆性、继承性、自动性、环境路径敏感性和不连续性研究,建立考虑工况与状态变量影响的系统场域耦合绝缘模型。基于响应面-几何特征模拟电荷法求解的GIS绝缘系统性能分析。提出以模拟电荷坐标和电量为设计变量,以场域中最大电场强度为目标响应,以轮廓点电位值为约束响应变量的优化模拟电荷法。并对空间最佳响应变量和设计变量进行优化求解,描述求解场域内电场分布。通过对GIS中典型元件场域电场数值求解与比对分析,验证其可行性和有效性。针对GIS绝缘系统场域内金属颗粒不易检测且易引起绝缘闪络的情况,采用响应面-几何特征模拟电荷法计算分析GIS存在金属颗粒时的电场分布情况,定量分析金属颗粒位置、尺寸与放电故障的关系,为GIS绝缘系统设计和安全运维提供数值分析基础。电场影响域网络构造方法以及GIS绝缘系统电场网络动力学行为研究。为分析GIS绝缘系统场域耦合关系,从电场分布特征及演化规律出发,提出基于电场影响域的电场网络构造方法,构建GIS绝缘系统电场网络拓扑模型,从系统拓扑与场参数耦合角度研究GIS全场域电场网络特性和绝缘破坏机理。研究表明,基于电场影响域构建的GIS绝缘系统电场网络呈无标度和小世界网络性质,具有度-度正相关网络特征。伴随电场网络度分布演化,GIS绝缘系统中各元件平均度和平均介数呈递减趋势,说明GIS电场网络中典型顶点的影响随开断进程的发展而不断减小,降低GIS电场网络顶点介数值可减少网络传递性,对GIS绝缘特性具有改善作用。采用响应面-几何特征模拟电荷法的瞬时绝缘分析和GIS暂态绝缘性能研究。基于绝缘系统中各组成元件状态变量、环境变量以及耦合关系分析,研究GIS绝缘系统暂态绝缘性能。研究表明,GIS绝缘系统中组成元件结构拓扑与场强变化率以及场畸变率存在依存关系,且直接影响绝缘击穿概率和GIS绝缘系统的退化速度。通过GIS雷电冲击耐受电压试验与瞬时绝缘仿真比对分析表明,GIS绝缘系统设计时,应抑制场强幅值变化率,降低绝缘击穿概率,延缓GIS绝缘系统自身退化,为设备运行安全和可靠性提供绝缘保障。基于一般系统论,提出基于计算电磁学积分方程的优化方法和基于网络科学的电场影响域建网方法,研究GIS绝缘系统环境参量、结构拓扑参量、状态参量和绝缘行为表征参量间的非线性关系,为电器动静态绝缘性能演化以及绝缘计算学分析提供数值模拟新途径。

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