Optimal design of 245kV SF₆ bushing by using genetic algorithm

Optimale Gestaltung der 245kV SF₆ gasisolierte Durchführung durch genetischen Algorithmus

  • Currently more and more researches of high voltage bushings are focused on the requirements for a simple structure, compactness and light-weight. The general operation of SF6 gas-filled bushings (SF6 bushings) is satisfying the requirements, but in the operation and design of SF6 bushings still many improvements may be possible. The minimizing of dimension might enhance the electric field strength (E) on the crucial points of bushings, which may lead to partial discharge, flashover and even break down. Electric field distribution along the surface mainly depends on contour design, besides the effect of contamination. This dissertation mainly describes the optimization of the bushings design by genetic algorithm. First, a model of SF6 bushing was developed and simulated for the theory purpose. Then, the potential breakdown problems were defined and the mechanisms of the potential breakdown were explained. Afterwards, the dissertation proposes an approach, i.e. genetic algorithm to optimize the contour design of SF6 bushings. TheCurrently more and more researches of high voltage bushings are focused on the requirements for a simple structure, compactness and light-weight. The general operation of SF6 gas-filled bushings (SF6 bushings) is satisfying the requirements, but in the operation and design of SF6 bushings still many improvements may be possible. The minimizing of dimension might enhance the electric field strength (E) on the crucial points of bushings, which may lead to partial discharge, flashover and even break down. Electric field distribution along the surface mainly depends on contour design, besides the effect of contamination. This dissertation mainly describes the optimization of the bushings design by genetic algorithm. First, a model of SF6 bushing was developed and simulated for the theory purpose. Then, the potential breakdown problems were defined and the mechanisms of the potential breakdown were explained. Afterwards, the dissertation proposes an approach, i.e. genetic algorithm to optimize the contour design of SF6 bushings. The approach improved the execution efficiency by accessing the fitness values of searched solutions during the optimization process. To verify the effectiveness of the genetic algorithm, it has been applied to minimize the electric field strength at the critical positions. Furthermore, the critical points of SF6 bushings were optimized. Several new structures of the ground electrode were proposed and optimized separately by genetic algorithm. A new curve, i.e. cubic spline was applied to the contour of the top flange to avoid the influence of the triple points. By optimization E on the surface of top flange was minimized. The potential distribution on the surface of insulator was optimized by a new structure. By the genetic algorithm the contour of composite weather sheds (WS) was optimized as water-drop form. In summary, a more uniform potential distribution along the surface of weather sheds and minimal values of electric field strength at critical points can be derived effectively by genetic algorithm. In addition, a smaller dimension of SF6 bushing was obtained in comparison with presently available ones.show moreshow less
  • In Schaltanlagen bis zur Spannungsebene 245 kV werden grob gesteuerte Durchführungen verwendet. Derzeit konzentrieren sich immer mehr Entwicklungen solcher Durchführungen auf eine einfache Gestaltung, kompakten Aufbau und geringes Gewicht. Obwohl im Allgemeinen SF6-gefüllte Durchführungen die gestellten Anforderungen erfüllen, gibt es weitere Möglichkeiten, die SF6-gefüllte Durchführung im Betrieb und Design zu verbessern. Geringere Dimensionen könnten die elektrische Feldstärke an Schwachstellen der Durchführung verstärken und dadurch Teilentladungen und Überschläge verursachen, die zur Zerstörung der Durchführung führen. Darüber hinaus hängt die elektrische Feldstärke von der Gestaltung der Oberfläche und vom Grad der Verschmutzung ab. Diese Dissertation stellt vor Allem die Optimierung der Strukturen einer SF6-gefüllten Durchführung mittels genetischem Algorithmus vor. Zunächst wurde ein Modell der SF6-gefüllten Durchführung entwickelt und für den Theorie-Zweck simuliert. Danach werden potentielle Probleme identifiziert undIn Schaltanlagen bis zur Spannungsebene 245 kV werden grob gesteuerte Durchführungen verwendet. Derzeit konzentrieren sich immer mehr Entwicklungen solcher Durchführungen auf eine einfache Gestaltung, kompakten Aufbau und geringes Gewicht. Obwohl im Allgemeinen SF6-gefüllte Durchführungen die gestellten Anforderungen erfüllen, gibt es weitere Möglichkeiten, die SF6-gefüllte Durchführung im Betrieb und Design zu verbessern. Geringere Dimensionen könnten die elektrische Feldstärke an Schwachstellen der Durchführung verstärken und dadurch Teilentladungen und Überschläge verursachen, die zur Zerstörung der Durchführung führen. Darüber hinaus hängt die elektrische Feldstärke von der Gestaltung der Oberfläche und vom Grad der Verschmutzung ab. Diese Dissertation stellt vor Allem die Optimierung der Strukturen einer SF6-gefüllten Durchführung mittels genetischem Algorithmus vor. Zunächst wurde ein Modell der SF6-gefüllten Durchführung entwickelt und für den Theorie-Zweck simuliert. Danach werden potentielle Probleme identifiziert und näher erläutert. Anschließend folgt eine Einführung in die Methode des genetischen Algorithmus zur Optimierung des Kontourdesigns. Die Ausführungseffizienz wird durch den Zugriff auf die Fitnesswerte während des Optimierungs-verfahrens verbessert. Die Validierung des genetischen Algorithmus wird durch Minimieren der elektrischen Feldstärke an den Schwachstellen verifiziert. Damit ist die Gestaltung der Schwachpunkte optimiert worden. Verschiedene neue Strukturen der Erdelektrode wurden vorgeschlagen und durch Anwenden des genetischen Algorithmus optimiert. Durch Verwenden einer neuen Kurve aus kubischen Splines wurde die Kontur der Kopfelektrode so gestaltet, dass der Einfluss von Tripelpunkten vermieden wurde. Die elektrische Feldstärke an der Oberfläche der Kopfelektrode ist durch Anwenden des genetischen Algorithmus minimiert worden. Die Potentialverteilung entlang der Oberfläche des Isolierkörpers wurde durch eine neue Struktur optimiert. Die Enden der Rippen des Silikon-Verbundisolators sind ebenfalls mit Hilfe des genetischen Algorithmus für das Verhalten bei Befeuchtung gestaltet worden. Unter Verwendung des genetischen Algorithmus sind eine gleichmäßigere Potentialverteilung entlang der Gehäuseoberfläche und minimale Werte der elektrischen Feldstärke an Schwachstellen erreicht worden. Die Dimensionen der so optimierten SF6-Durchführung sind geringer als die der ursprünglichen Durchführung.show moreshow less

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Metadaten
Author: Bao, Han
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31751
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Schwarz, Harald
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/08/07
Release Date:2014/11/12
Tag:Ansoft Maxwell; Bézier Kurve; Optimale Gestaltung; SF6 Durchführung; Streamer Theorie
Ansoft Maxwell; Bézier curve; Optimized contour design; SF6 bushing; Streamer theory
GND Keyword:Genetischer Algorithmus; Hochspannungsanlage; Optimierung; Schwefelhexafluorid
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Energieverteilung und Hochspannungstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Energieverteilung und Hochspannungstechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.