《Electric Power Systems Research》：Optimization of corona ring design dimensions for extra high-voltage substation bus post insulators using a linear regression approach
M.Raja Nayak|G. Radhika|M. Saritha|Prabhakara Sharma Pidatala|Pradeep Panthagani|B. Devulal|Harish Sesham
印度贡图尔KKR与KSR技术科学学院电子工程与电气工程系
摘要
本研究介绍了一种先进的方法，通过计算模拟结合线性回归技术来预测母线支柱绝缘子上电晕环的最佳尺寸。准确的电晕环设计对于管理这种严重的电场应力至关重要，否则可能导致绝缘失效、能量损失以及系统可靠性降低。尽管现有系统遵循统一的电晕环尺寸配置，但进一步优化可以通过减小环材料尺寸来减轻电场应力，从而实现经济高效且可靠的运行。因此，仅使用实际测试方法优化环尺寸会导致较高的成本，而基于计算模拟的测试方法有助于得出最佳的电晕环设计尺寸。本研究的目标是开发一种系统化的方法，结合复杂的线性回归和机器学习技术，以预测不同电压水平下的最佳电晕环尺寸。首先，研究使用COULOMB 3D软件中的边界元方法（BEM）模拟400 kV和765 kV母线支柱绝缘子的电场应力，并通过多案例研究得出最佳电晕环尺寸配置。这些模拟生成的最佳电晕环尺寸数据用于构建线性回归模型。然后应用该线性回归模型来预测1200 kV绝缘子的电晕环尺寸，并通过相同的1200 kV BEM模拟数据进行验证。主要研究结果强调了所提出的线性回归方法在提供可扩展、经济高效的电晕环尺寸优化解决方案方面的潜力。
引言
随着电力需求的持续增长，电力传输网络正在扩展到更高的电压等级，如765 kV和1200 kV系统。与输电线路绝缘子不同，由于邻近设备的影响，变电站母线支柱绝缘子会受到严重的电场应力[1,2]。由于这些绝缘子位于变电站内，邻近仪器的电场聚集效应会导致其末端金属部件处的电场强度增加。准确的电晕环设计对于管理这种严重的电场应力至关重要，否则可能导致绝缘失效、能量损失和系统可靠性下降[3,4]。在超高电压等级下设计母线支柱绝缘子时，建议使用多节式绝缘子，并且由于末端部件的参与，多节式绝缘子上的电场应力变化非常关键[5]。为了缓解这种局部电场应力，必须增强变电站母线支柱绝缘子的电晕环[6]。然而，现有系统采用标准的电晕环设计尺寸配置以确保系统的安全和可靠运行，而通过减小环材料尺寸来进一步优化电场应力也能实现类似的安全和可靠运行。随着电压等级的提高，优化环尺寸对于确保系统的严格运行和设备寿命至关重要[7,8]。进行多次实际测试以确定最佳电晕环尺寸既昂贵又耗时[9][10][11]。此外，由于其他变电站电力设备的邻近效应，还需要检查绝缘子金属末端部件、多节式绝缘子末端部件以及电晕环处的局部电场变化。使用传统的实际测试方法进行这种深入的电场变化分析非常复杂且效率低下，尤其是在高电压等级下。因此，利用预测建模技术可以提供一种更具成本效益、高效且准确的替代方案，以优化环设计，减少对大量实验试验的依赖[12][13][14]。因此，确定最佳电晕环尺寸的准确方法对于避免绝缘子过早失效和减少电力中断的风险至关重要。
传统的电晕环设计方法通常基于经验公式或试错过程。虽然这些方法在某种程度上是有效的，但它们并不总是最高效或最准确的。在较高电压等级下，需要更复杂的方法来预测不同电压等级下的最佳电晕环设计尺寸。近年来，先进的计算技术在电气组件的设计和优化中受到了重视，包括绝缘子。其中，机器学习（ML）和统计建模技术已成为预测和优化电晕环尺寸的强大工具[15][16][17]。首先，研究使用COULOMB 3D软件中的边界元方法（BEM）模拟400 kV和765 kV绝缘子的电场应力[18,19]。这些模拟提供了绝缘子几何形状和电场分布的准确表示，从而能够确定比行业标准尺寸配置更优的电晕环尺寸。此外，本研究还采用了一种新的方法，利用线性回归模型来预测高电压和超高压绝缘子的电晕环尺寸。与其他机器学习方法相比，线性回归是一种广泛使用的统计工具，因为它速度快、简单、所需数据量少，并且能够识别参数的影响，非常适合根据电压等级预测最佳电晕环尺寸。从400 kV和765 kV BEM模拟中得到的优化数据被用于构建线性回归模型，该模型可用于预测更高电压等级（包括1200 kV母线支柱绝缘子）的电晕环尺寸。为了验证所提出的线性回归方法的准确性，设计了一个1200 kV额定母线支柱绝缘子，并进行了进一步的BEM模拟研究以确定最佳电晕环尺寸。（图1）
部分摘录
高压母线支柱绝缘子的建模
J：母线支柱绝缘子的垂直尺寸（单位：毫米）
p：电晕环相对于顶部法兰导体的位置（单位：毫米）
Y：电晕环的总体截面直径（单位：毫米）
y：单个电晕环的直径（单位：毫米）
LS：金属支撑的高度（单位：毫米）
利用线性回归建立经验关系
为了提高母线支柱绝缘子的设计效率，采用了线性回归模型来建立关键参数之间的经验关系。该方法能够根据不同的设计尺寸预测电场行为和电场分布。为了建立这种经验关系，收集了400 kV和765 kV母线支柱绝缘子的模拟数据，重点关注电晕环尺寸、电场等参数
验证建立的经验关系
首先，使用上述关系估算了1200 kV母线支柱绝缘子的最佳设计尺寸配置：
电压等级
V = 1200 kV
Y
opt = 85.0 × (1200)
0.315 = 793.16 ≈ 793 mm
y
opt = 0.125 × (1200)
0.962 = 114.57 ≈ 115 mm
p
opt = 0.245 × (1200)
1.03 = 363.68 ≈ 364 mm
接下来，通过进一步的模拟研究来验证使用线性回归方法得到的最佳电晕环设计尺寸的准确性
结论
本研究提出了基于经验的最佳电晕环尺寸配置，旨在有效控制超高电压变电站母线支柱绝缘子的电场应力。优化过程通过减少电晕环材料的使用来实现有效的电场应力控制，同时确保在较高电压等级下的安全和稳定运行。采用了三维几何设计，并结合精确的BEM模拟研究
CRediT作者贡献声明
M.Raja Nayak：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。
G. Radhika：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据整理
