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X X X X软件设计说明书

目录

目录 (1)

1 软件设计背景 (2)

2 实现功能 (2)

3 工作原理 (2)

3.1 电场优化原理 (2)

3.2 软件实现 (4)

4 模块介绍与接口设计 (4)

4.1 介电常数分布优化模块 (4)

4.2 盆式绝缘子电场计算模块 (5)

4.3 接口设计 (6)

5 软件运行操作步骤 (7)

6 使用注意事项 (7)

1 软件设计背景

盆式绝缘子作为气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）核心组成部件，其绝缘性能直接影响GIS设备的可靠性。盆式绝缘子的绝缘性能除了与绝缘子结构、屏蔽罩、气体压强、电场特性相关外，与绝缘介质的介电常数/电导率等参数亦密切相关。传统的盆式绝缘子沿面电场优化主要是通过改变形状来实现，该方法易导致绝缘结构复杂，增加设备制造难度，调控效果也较为有限。介电功能梯度材料(Dielectric functionally graded materials，d-FGM)的出现为电场优化提供了新的思路，该优化方法具有结构简单、调控方式灵活的优势。

功能梯度材料是在确定物料特性参数的情况下，以计算机辅助设计为基础，采用先进的制备技术，使构成材料的要素沿特定方向连续变化，使得材料的性质和功能呈梯度变化的一种新型材料。优化设计、制备、性能评价是功能梯度材料研究的三个重要环节，其中，功能梯度材料的优化设计是首先要解决环节，本软件设计的目的就是完成介电功能梯度材料盆式绝缘子径向介电常数分布的优化设计。

2 实现功能

该软件能够实现GIS/GIL中盆式绝缘子简化模型的建立与电场数值计算，完成对盆式绝缘子的径向介电常数分布进行优化设计，降低盆式绝缘子沿面最大场强，提高沿面电场分布的均匀度。

该算法操作简单，具有优化精度高、可重复性强、优化速度快等一系列优点，便于二次开发。

3 工作原理

3.1 电场优化原理

在由两层电介质串联而成的同轴圆柱体中，施加以交流电压U，内、外层电介质的介电常数分别为ε1、ε2，场中某点离轴线的距离为r，相关参数的定义如图所示。电介质中电通密度取半径方向，在电介质分界面处，不同电介质中电通密度的法向分量连续，于是有D1=D2，即

)/ln()/ln(232

2121

1r r U r r U εε=

考虑到U =U 1+U 2，可得两层电介质上的电压分别为：

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=--1232121232212321211211ln 1ln 1ln ln 1ln 1ln r r r r r r U U r r r r r r U U εεεεεε 各层中的最大场强均在其内表面，可得

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+==23212122max ,211max ,1ln 1ln 1r r r r r E U

r E U εεεε max ,222max ,111E r E r εε=

当双层电介质的介电常数相同时，由于r 1E 2, max ；当双层电介质的介电常数不同且ε1>ε2时，E 1, max 、E 2, max 的取值会比较接近，调节介电常数优化电场分布的原理如图1所示。

1

1223E E （b ）径向电场分布

3 图1 介电常数的变化对电场的调节作用

针对m 层电介质串联而成的同轴圆柱体，在半径r n 处，第n 层绝缘上分得的最大场强为：

111max ,ln 1-=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑m i i i i n n n r r r U E εε

可知

max ,max ,222max ,111n n n E r E r E r εεε===Λ

根据多层电介质中电感应强度保持不变的原理，在强电场区域增加介电常数取值、在弱电场区域降低介电常数取值以优化电场分布。对于喇叭形结构的电介质，上述电场优化方法同样适用。

3.2 软件实现

d-FGM 盆式绝缘子介电常数分布优化采用MATLAB 与ANSYS 联合仿真实现。MATLAB 完成介电常数的优化与更新工作，MATLAB 代码调用ANSYS 运行实现盆式绝缘子电场数值计算。

。。。

4 模块介绍与接口设计

基于沿面场强反馈的d-FGM 盆式绝缘子介电常数分布优化软件整体上可分为盆式绝缘子电场计算模块、介电常数分布优化模块、MATLAB 调用ANSYS 接口设计三个部分，各模块之间的关系如图3所示。

中间文本图3 各模块关系图

4.1 介电常数分布优化模块

盆式绝缘子径向介电常数分布优化由软件MATLAB 实现

。。。

该模块的程序主要涉及变量赋值、矩阵运算、for 循环(如for ……else ……

end)、矩阵最大值的提取、逻辑运算(如if......else......end)等基本操作，主要命令实现的功能已在原程序中注释。

if a(j)>b(j)

c(j)=a(j);

else

c(j)=b(j);

End

上述命令将a(j)、b(j)中的最大值赋值给c(j)。

4.2 盆式绝缘子电场计算模块

盆式绝缘子电场数值计算由软件ANSYS完成，通过APDL编写仿真命令，完成盆式绝缘子模型的建立与求解。ANSYS参数化设计语言APDL是一种类似于FORTRAN的解释性语言，作为ANSYS的二次开发工具，APDL可实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示。

。。。

仿真程序可分为如下三个部分：

（1）建立有限元模型

主要包括建立几何模型；定义单元、材料属性；划分网格，主要命令的介绍如下：

ET,1,PLANE121 ！*ET命令用于从单元库中定义一个单元类型

KEYOPT,1,3,1 ！*给建立的模型施加轴对称属性

MP,PERX,1,A ！*定义材料1的相对介电常数为A

K,1,40,40,, ！*定义节点位置

A,1,2,4,3 ！*由节点定义面积

AESIZE,1,0.75 ！*设置网格的大小为0.75

MSHAPE,0,2D ！*定义网格形状，0表示四边形；2D表示二维

MSHKEY,1 ！*定义网格划分类型，1表示映射网格划分

AMESH,1,10,1 ！*选择需要进行网格划分的区域

（2）加载与求解

施加载荷与其他边界条件并求解，主要命令的介绍如下：