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1. 研究目的与意义（文献综述）
1.目的及意义
潜艇是每个国家进行现代化强军建设时必不可少的武装力量，是一些国家的重要战略兵器，是目前最难预防的战略性核威慑力量。作为一种主要在水下活动的海军兵力具有隐蔽性好、续航力强、自给力强、突破力强等特点。但由于海水是导电媒介，对电磁波具有很大的衰减作用。因此，如何消除海水介质的干扰实现对潜艇的稳定通信成为了各国必须要解决的难题。
媒介甚低频（VLF）天线通信系统是世界各国研究最早、最成熟和最常用的岸对潜通信手段, 也是我国迄今唯一实用的对潜通信手段。它具有通信距离远、通信深度较大、数据传输速率较高、通信稳定可靠、穿透海水和土壤能力强的优点。文献[28]中介绍了车载台和机载台两种岸对潜通信手段，作为我国主要研究发展的两种通信方式。本文要解决的就是车载台通信方式的天线发热问题。
文献[29]中我们得知，气球天线的车载甚低频对潜通信系统是移动式甚低频对潜通信系统的一种重要方式。因为天线的高容抗，所以天线末端的电压要比输入电压高很多，此处电场极强。极强的电场会导致大功率通信天线在工作过程中出现因天线末端温升过高发热导致天线断裂的现象．天线缆绳断裂对气球升举或飞机拖拽的 天线系统而言会造成系留平台脱系的灾难性后果。
1.1国内外天线研究现状及意义
气球天线的车载甚低频天线对潜通信系统是移动式甚低频对潜通信系统的一种重要方式。车载甚低频台生存能力比固定岸台强，可相对机动灵活配置，效率高，占地面积小。然而作为通信主体的大功率通信天线有必须优化的地方，如上文提到：甚低频通信天线末端开口处电场严重畸变，局部场强过高导致介质损耗发热量过大是天线末端易发生断裂的根本原因。
文献[13]中提到，目前，国内外几乎没有天线缆绳末端发热断裂机理的文献研究报道，因此如何解决天线末端断裂问题是影响大功率长波通信系统发展的难题。为此，论文根据大功率天线工作特性，通过对甚低频通信天线进行仿真建模分析，来对天线介质降损与末端电场的均化特性开展研究，针对其末端天线畸变现象，提出解决及验证方法。
根据文献[13][27][28]所述，大功率甚低频发射天线通常工作在高电压、大电流的工作状态，因此，甚低频发射天线绝缘是一个需要重视的问题。而由文献[27]开头可知，天线电晕的起始电压取决于绝缘子的形状、尺寸及介电强度和天线的导线直径、导线间的距离、导线的离地高度及海拔(电晕起始电压与气压有关）。其结尾也提到甚低频天线为高Q天线。由文献[7]中前半部分可知，甚低频天线通常表现出较高的品质因数（Q），对于高Q值，铜损通常不可忽略。由于电晕电压的存在，降低天线铜损也是必须考虑到的一方面。文献[13][29]中也提出了天线热损耗的概念，即气球天线的车载甚低频对潜通信系统是移动式甚低频对潜通信系统的一种重要方式。根据文中所推导出来的公式（见附件公式1）
而其中ω在天线工作在一定频率的情况下可看作不变量，而天线材料一定后ε也是确定的值，故可看出真正影响损耗发热量大小的是电场强度Ｅ。一般天线工作电压上百千伏，如此高的电压施加在天线末端，极易出现局部场强幅值极大的情况，进而导致介质损耗能量急剧增大，产生电晕对导线材料造成不可逆伤害。同时大功率通信天线常在工作过程中出现因天线末端温升过高发热导致天线断裂的现象。因此，分析天线断裂原因，提出解决办法对甚低频通信有着重要作用。
虽文献[13]创造性的提出了在安装均压金具的方法，但不足以降低天线周匝的电晕现象发生频率。本文中主要是对于绝缘子上电晕环参数进行优化设计，以达到降低绝缘子串端部和与金具连接处的电位和场强平均整个绝缘子串上的电压为目的。文献[27]中提出了导线电晕电压的计算方法，在离地高度为h水平导线上电晕电压为（见附件公式2）
1.2 天线与绝缘子
由上文可知，现今甚低频天线处绝缘子多采用复合式绝缘子，文献[26]中将两种绝缘子—瓷型绝缘子和棒式复合型绝缘子做了比较：对于瓷型绝缘子，通常的缺点是体积大，重量大，不宜进行日常维修保护，且瓷件在扭力作用下易损坏、脱落，影响绝缘子串的耐压强度，瓷型绝缘子由于其本身本身的光华特性，其耐压能力也不够高。棒式复合绝缘子重量轻、耐污性能好、维护方便，可作为VLF天线绝缘子。由于复合绝缘子的芯棒由硅橡胶材料包封，所以复合绝缘子具有良好的抗老化性能；同时由于硅橡胶伞盘的存在，复合绝缘子具有优良的防污闪性能，硅橡胶材料中掺有铝粉等阻燃材料，即使遇明火也会在1s内自动熄灭，所以雷击、闪络等均不会影响复合绝缘子的机械安全，故本文中甚低频天线采用复合式绝缘子。
通过文献[6]的分析我们得知，绝缘子阻抗的行为是电容性的，且非常接近并联RC电路。基于绝缘子这个特性其被应用于天线分担电压以及避雷器分流。在文献[23]中我们知道，绝缘子的具体应用也会影响到其电场，绝缘子安装在其上的塔架以及绝缘子支撑的导体都将对绝缘子附近的电场产生影响。于是文中对绝缘子及塔架等进行了3D建模，并采用了电荷模拟法的数值技术对此进行里研究，文尾得出结论：仅对绝缘子进行建模，而没有考虑塔架结构和导体的影响，会导致在使用中安装的绝缘子的电场和电压分布的估计严重不准确。
除了绝缘子的应用会对绝缘子周围电场会造成影响外，绝缘子工作的外部环境也会对绝缘子性能有影响。从文献[11][25]开头中，我们得知绝缘子表面易积聚电荷，这会导致击穿电压降低、并威胁电力系统稳定性。尤其是当绝缘子表面附着污染颗粒时会导致更严重的电荷积聚。譬如在我国西北地区，绝缘子经常工作于沙尘天气中，在绝缘子表面沉积有大量沙尘，沉积的沙尘会使绝缘子工作环境发生变化。一旦绝缘子工作环境发生变化其电场分布将会发生畸变，绝缘子沿面电场发生大于电晕起始电压时就会产生电晕现象。并且有可能超过绝缘子表面空气击穿电压从而使绝缘子表面发生闪络。故保持绝缘子表面清洁度是甚低频通信天线运行时必不可少的程序。
1.3 复合绝缘子和电晕环
由上文知，复合绝缘子的绝缘结构以及金具连接方式使得绝缘子中电位分布极不均匀。复合绝缘子相对于瓷绝缘子，比较细，伞径也较小，对于绝缘子串，其构造通常为“U”型，即两头高，中间低。在不加均压环的情况下，由于同样的电压降，分布在较短的长度上，其电场分布不均匀程度将会加大，特别是在接导线处和接塔杆处，电场强度很大。文献[19]中讲到，电场在绝缘子两端金具附近过于集中，绝缘子和金具表面场强超过电晕起始场强，可能导致电晕放电的产生，甚至逐步发展成闪络。造成绝缘子绝缘失败进而影响系统安全。
防污是一项保证电力系统稳定运行的重要措施。 绝缘子从局部放电到形成闪络， 电压分布不均是造成其主要原因之一， 以往以清扫和涂防污油的方法为主， 耗费大量财力物力人力， 而且防污周期短。超高电压线路分布广，所遇到的各种污闪状况也非常复杂，而均压环的使用不同以往的措施，对不同的污闪都有一定的效果， 为此可在重污闪地区集中加装均压环，已达到防污目的。
故为了使绝缘子串上的电压尽可能均匀分布，通常在绝缘子串两端增加电晕环，以提高绝缘子串的起晕电压和闪络电压。但是电晕环的参数不能随便设置，否则会使得电晕环表面电位过高，从而导致电晕放电。因此，必须对电晕环参数进行优化工作。复合绝缘子安装电晕环环示意图如下（见附件图一和图二）
文献[20][21]中对电晕环参数进行了详细阐述：其中φ为管直径，D为电晕环径，H为电晕环屏蔽深度（又称抬高距）。电晕环优化与这三个参数密不可分。文献[21]中写道：在复合绝缘子上，伞裙数目越少，在两端两个伞裙上承受的电压就越大。故要改善电压分布，除了要考虑绝缘子长度，同时也要考虑伞裙和伞径的结构状况。在基于这些因素上， 通过采用合适的均压环来进行屏蔽， 是可以达到改善电压分布的目的。
1.4粒子群(PSO)算法
由文献[12][17]中我们可知，粒子群优化算法源于对鸟群或鱼群捕食行为的模拟。PSO算法以模拟鸟的群体智能为特征, 以求解连续变量优化问题为背景。在 PSO算法中, 每只鸟被称之为一个粒子, 每个粒子用其几何位置和速度向量表示, 每个粒子参考自己的既定方向, 所经历的最优方向和整个鸟群所公共认识到的最优方向来调整其速度和位置PSO通过个体之间的协作寻找最优解，其突出优点是概念简单、容易实现。其中所有粒子都有1个由被优化的目标函数决定的适值，适值的大小由该粒子的位置矢量决定。每个粒子还有１个速度矢量决定它们的方向和速度。粒子群通过追随当前的最优粒子在解空间中搜索。PSO初始化为一群随机粒子，然后通过迭代找到最优解。
在文献[15]中提到用一般的仿真软件优化模块来对电晕环进行优化，但这种方法一般忽略了太多外界因素：比如优化时经常忽略外界环境因素对均压环的影响。
除此之外，在文献[15][16][17]中也提到了使用有限元神经网路-遗传算法（RBF-GA）对均压环参数进行优化，尽管这个方法摆脱了穷举法计算量大、耗时久远的缺点。但遗传算法效率要低于其它传统的优化方法。并且与粒子群算法相比，单一的遗传算法编码不能全面将优化问题的约束表示出来，因此需要考虑对不可行解采用阈值，进而增加了工作量和求解时间。及无法摆脱局部优化的问题。并且容易出现过早收敛的问题，使得最后的解并不是最优解或者说与最优解有一定差距。有限元法在电磁场数值计算中应用广泛,参数化的有限元计算程序可根据优化目标有针对性地改变模型参数,其通用性和灵活性,特别适合于避雷器均压环的配置优化。但在文献[22]中我们知道有限元法的开发尚未完全，在现阶段的应用，还是粒子群算法更加全面、准确、快捷。
文献[12]中结合有限元法（finiteelementmethod，FEM）与PSO算法，在ANSYS计算环境下实现了交流1000kv同塔单回输电线路中采用的Ｖ串和Ｉ串复合绝缘子均压环结构的多参数优化。解决了其分裂导线、连接金具和均压环等结构较为复杂，电场强度较高，易发生电晕的问题。其中粒子群（PSO）算法很好的对均压环模型进行了优化。
文献[22]中还应用了粒子群算法对避雷器均压环进行了优化计算：合适的均压环配置即均压环数量和参数能使避雷器电阻片的电压承担率分布更加均匀，均压环数量、参数与电压承担率之间存在着很复杂的多维非线性关系，均压环最优配置难于求解但易于评估。故文中应用粒子群算法对500kV避雷器配置3个均压环和配置2个均压环进行了优化计算。
文献[18]更新了粒子群算法的理论基础，即在基本粒子群算法的理论分析基础上，提出了一种加速收敛的粒子群优化算法, 并从理论上证明了该算法的快速收敛性, 同时对该算法中的参数进行了优化，最后通过与其他几种经典粒子群优化算法的性能比较, 表明了该算法的高效和稳健, 且明显优于现有的几种经典的粒子群算法。加速收敛的粒子群（BPSO）优化算法其收敛速度较PSO算法来说明显加快，对后续优化及仿真验证分析工作有很大帮助。
粒子群算法是计算智能领域的一种群体智能优化算法,该算法计算快速、操作简单、易于实现，采用自适应惯性权重动态调节粒子全局与局部搜索能力，在现代电力网络系统的优化研究中得到了广泛应用。
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2. 研究的基本内容与方案
2研究的基本内容，拟采用的方法和措施
电晕环的优化设计使现代电力系统最关心的命题之一，也是相关方面学者探讨的重点。出于经济和技术原因，通信天线一般采用甚低频高压通信天线，高水平的电场可能是导致听得见的噪声，电磁污染，局部放电和绝缘体过早老化的原因，也是电晕和闪络的主要元凶。在高压复合绝缘子的情况下，这些放电会降解用于护套和棚子的聚合材料。在过去的几年中，一些研究人员一直致力于非陶瓷绝缘子串的电场最佳分布，以减少电晕退化。但是为减少此类损害，仅仅改善复合绝缘子的固有性质是有局限性的。故本文拟采用加装电晕环的措施来改善此类现象。
文中对于甚低频电线周匝产生的电晕场强和电位的情况进行了详细的讨论与总结，通过查阅大量的现有文献资料，文中先概述了天线与电晕环的关系，既天线上通过绝缘子与地绝缘，而电晕环是用于改善绝缘子串电压的有效金具；本文较全面的综述了国内外多种算法优化下的电晕环模型。在比较了粒子群算法（pso）与其他类型算法的差异，确定了粒子群算法进行优化模型的优势后，本文从电晕环环径（r），管径（r）及屏蔽深（h）方面对均压环进行了优化。
3. 研究计划与安排
3 进度安排
1.2019-2020学年度第二学期寒假期间及开学第一周，完成完成国内外现状综述。
2.第二周直至第三周周末完成论文报告的开题综述。
4. 参考文献（12篇以上）
参考文献
[1]邓桃，宿志一，范建斌，李庆峰。±800 kv 特高压直流线路复合绝缘子均压环优化设计[j]。中国电力科学研究院，2010。
[2]武坤，李立浧，杨庆，黎小林，罗兵。±800kv线路直流复合绝缘子均压环结构研究[j]。重庆大学；南方电网技术研究中心，2007 。
