一种用于压水反应堆（PWR）条件下受CRUD影响的表面流动沸腾的机械式壁面热流分配模型

《Energy》：A mechanistic wall heat flux partitioning model for the CRUD-affected surface flow boiling under PWR conditions

紧凑型550kV GIS输电线路设计研究提出多物理场耦合与分阶段多目标优化方法，通过磁-热-流体双向耦合模型准确量化电场强度与温升关系，并创新性地将绝缘安全、热稳定性和经济性整合为统一优化框架。采用响应面法（RSM）建立参数模型，结合非支配排序遗传算法（NSGA-II）与TOPSIS决策技术，实现整体尺寸优化与局部形变优化的分层设计。经实验验证，优化后壳体内径缩减44.3mm（290.0→245.7mm），成本降低12%（2178.9→1918.3元/m），同时满足电场强度和温升设计基准。该研究为GIS紧凑设计提供理论方法与工程指导。

　　

康照阳|吴洪斌|杨光迪|任福强|张宏如|侯开宁|朱然|王培金|刘洪顺|何东新|李清泉

中国山东大学电气工程学院，超高电压输电技术与设备山东省重点实验室，济南

摘要

为满足550 kV气体绝缘输电线路（GIL）紧凑设计的需求，本文提出了一种基于多物理场耦合和分阶段多目标优化的紧凑设计方法。通过构建磁热流场双向耦合模型，揭示了双向耦合对温度预测的影响。利用参数建模和敏感性分析，确定了影响电场强度和温升的关键设计变量。首次将电场强度、温升和成本整合到一个统一的优化框架中。该框架平衡了绝缘安全性、热稳定性和经济实用性。此外，本文提出了一种分阶段优化策略，分别使用响应面法（RSM）、非支配排序遗传算法II（NSGA-II）和基于理想解相似性的排序技术（TOPSIS）来优化全局和局部性能。结果表明，优化后GIL外壳的内径减少了44.3毫米（从290.0毫米减少到245.7毫米），成本降低了12%（从2178.9元人民币/米减少到1918.3元人民币/米），电场强度和温升均满足设计要求。此外，通过雷电冲击试验、负载扫描和稳态热验证以及机械强度分析，验证了优化设计的工程适用性。本研究为GIL的紧凑设计提供了科学方法和工程指导，具有重要的应用价值。

引言

随着全球电力需求的增长和能源结构转型的持续推进，电力系统面临的挑战日益复杂[1]，[2]。在此背景下，气体绝缘输电线路（GIL）作为现代电力系统的关键组成部分，其高效性和可靠性使其在长距离、高压输电中发挥着重要作用[3]，[4]，[5]，[6]。

目前，GIL设备的主要挑战之一是体积大和成本高，这不仅增加了生产、运输和安装的复杂性，还使其环境影响更加显著[7]，[8]。因此，在保持GIL系统可靠性的同时实现紧凑设计是一个关键的研究方向。这不仅具有重要的环境意义，还为经济效益带来了新的可能性。

尽管GIL的紧凑设计具有重要的理论和实践价值，但该领域的系统研究相对较少，大多数研究仍集中在单个组件的优化上，特别是GIL内绝缘子的优化[9]，[10]。杜等人开发了一种多维功能梯度材料（MFGM）以提高盆式绝缘子的闪络电压[11]。罗等人考虑了初始和稳态电场分布，基于人工蜂群算法提出了盆式绝缘子的形状优化模型[12]。李等人探讨了几何形状对绝缘子电场分布的影响，为紧凑绝缘子设计提供了指导[13]。

然而，在GIL系统的整体优化方面仍存在关键差距。现有文献大多孤立地考虑绝缘子，忽略了屏蔽层、插入件和外壳之间的电磁热相互作用。在紧凑设计中，绝缘距离的减小加剧了这些相互作用，使得组件级别的优化不足。此外，当前的热稳定性预测通常依赖于简化的方向耦合模型或假设材料属性恒定，忽略了温度依赖性导电率和外壳涡流损耗的显著影响[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。正如本研究所量化的，这种简化可能导致温升低估超过20%，从而影响紧凑设备所需的安全裕度。最后，目前尚不存在一个同时平衡电场强度、热稳定性和制造成本这些相互冲突目标的统一框架。

为了填补这些空白，本文提出了一种基于分阶段多目标优化的550 kV GIL紧凑设计方法。首先构建了磁热流场双向耦合模型，以严格量化外壳涡流和温度依赖性材料属性的影响。这纠正了传统方向耦合模型的精度限制，为紧凑热设计提供了精确的理论基础。然后，我们使用响应面法（RSM）、非支配排序遗传算法II（NSGA-II）和TOPSIS开发了一种分阶段优化策略。该方法通过将全局尺寸优化与局部形状细化解耦，有效解决了高维耦合问题，使得在满足严格的绝缘和热约束的同时最小化外壳尺寸和成本。优化设计通过雷电冲击试验、负载扫描热模拟和机械强度分析得到了验证，证明了其在实际工程条件下的适用性。

本文的其余部分安排如下：第1节详细介绍了双向耦合仿真并分析了简化模型的热误差。第2节介绍了GIL的分层参数建模。第3节分析了设计变量对系统性能的影响。第4节描述了分阶段优化策略和数学模型。第5节讨论了优化结果，强调了成本和性能之间的权衡。第6节提供了优化设计的实验和仿真验证。第7节总结了本研究。

章节摘录

有限元计算模型

我们首先建立了一个基于550 kV GIL的有限元仿真模型，该模型的额定工作电流为6300 A，由某公司生产，内部结构如图1所示。

GIL中组件的相对位置和几何形状会影响内部电场强度分布和温度。为了准确计算组件内部的参数，我们考虑了屏蔽层、插入件、密封环和外壳等组件

参数建模

为了实现对GIL组件几何形状的协调控制，本研究建立了一个分层参数建模系统，通过主参数驱动和几何约束传递机制解决了多组件耦合优化的挑战。

对于屏蔽层、插入件、导体和外壳，我们使用了尺寸参数驱动的建模方法，通过提取坐标信息和尺寸准确描述了它们的轮廓。图6(a)显示了

设计变量和优化变量分析

为了确保优化过程的科学性和合理性，本文首先对优化变量进行了相关性分析，并对设计变量对优化变量的敏感性进行了分析，为后续优化提供了理论基础和数据支持。

优化策略

GIL系统涉及多组件和多物理场耦合。直接优化所有设计变量不仅计算成本高昂，而且由于问题的复杂性，也难以收敛。因此，基于上述分析结果，本文提出了一种分离电场强度和温升并分阶段优化的策略，以高效实现紧凑设计目标。

在初步优化阶段，优先考虑

TOPSIS方法

由于NSGA-II算法找到了一组非支配前沿解，而最终配置方案仍取决于实际工程需求，本文引入了一种多标准决策分析方法TOPSIS（基于理想解相似性的排序技术）[35]。该方法认为最优解应最接近理想解A⁺，最远离负理想解A^-，如公式（11）所示：$$其中，$$与属性相关

初步优化阶段

• 1
  RSM预测的结果

根据制定的优化策略和方法，本节首先使用OLHD抽取330组D_c、R_c和R_e的数据，并使用有限元计算每组的E_s、E_c、E_e、ΔT_hv和ΔT_gro的响应值。数据按90%:10%的比例分为训练集和测试集，用于训练和测试响应面模型。图14显示了模型预测电场强度的评估结果。可以看出R²是

雷电冲击试验验证

根据IEC 62271-1:2017标准构建了一个雷电冲击电压测试平台，如图24所示。无缺陷的GIL接受了15次连续的标准雷电冲击，冲击波形为1.2/50 μs，峰值电压为-1675 kV（根据第7.101条）。故障标准包括绝缘子或组件无穿刺、闪络或可见损坏。结果表明盆式绝缘子在雷电冲击电压下没有发生击穿或闪络

结论

本研究建立了一个550 kV GIL紧凑设计的系统框架，将多物理场耦合与分阶段多目标优化策略相结合。研究结果提供了以下科学和工程意义：

1)

热安全性和建模准确性。方向耦合模型和双向耦合模型之间的差异揭示了传统热设计中的一个关键安全盲点。通过量化导体温升的低估了21.6%

CRediT作者贡献声明

吴洪斌：撰写——初稿，软件。杨光迪：数据整理。任福强：资金获取，正式分析。刘洪顺：方法论。何东新：方法论。李清泉：监督，项目管理，资金获取。康照阳：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，软件，方法论。张宏如：监督，软件。侯开宁：可视化。朱然：可视化。王培金：撰写——初稿

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李清泉报告称获得了山东省科技部的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

所有作者感谢TAIKAI GROUP CO., LTD在GIL制造、盆式绝缘子浇铸、提供实验场地和设备等方面的帮助。