高压输电线路复合绝缘子电场分析计算
高压输电线路复合绝缘子电场分析计算[20191215170206]
河 海 大 学摘 要
在高压输电线路中，复合绝缘子占有不可或缺的地位。电场分布是研究外绝缘的一项重要内容。强电场会使绝缘子串和金属表面容易产生电晕放电，从而使电力安全存在风险。为了避免这一风险，需要绝缘子串表面的场强分布均匀，而不是某一点的场强太大。故本文使用有限元法研究绝缘子表面场强分布问题。
论文讨论了开域问题，分析了有限元法的工作原理，通过拉普拉斯方程求解了第一类边值问题，得到了复合绝缘子的边界范围，并确定使用有限元仿真软件Ansoft Maxwell来进行复合绝缘子的电场、电压的研究；通过建立几何模型、添加激励、定义材料、计算分析、绘制曲线等过程，研究了复合绝缘子电场、电压的分布情况；通过改变绝缘子的大小、伞群的数量、伞群之间的间距、添加激励的大小等方法，研究了对电场分布的影响因素；对各种绝缘子产品，都分别研究了是否添加均压环，仿真验证了均压环对绝缘子场强分布的影响。并对结果进行了比较分析。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:复合绝缘子；开域；伞群；有限元仿真；均压环
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1本课题的研究背景 1
1.2本课题的研究现状 1
1.3本课题的研究内容 2
1.4本文的章节安排 2
第二章 复合绝缘子电场分布计算的有限元理论基础 4
2.1开域问题的引出 4
2.1.1有限元法的进展及其面临的问题 4
2.1.2边界条件的种类及发展现状 4
2.2矢量有限元方法的求解步骤 6
2.2.1由结点信息生成棱边信息 6
2.2.2集成系数矩阵 6
2.2.3强加边界条件 6
2.2.4求解 6
2.3吸收边界条件 7
2.3.1二维吸收边界条件 7
2.3.2三维吸收边界条件 7
2.3.3应用矢量吸收边界条件的散度辐射计算 9
2.4平面匹配层及其在开域电磁场问题中的运用 10
2.4.1平面匹配层原理 10
2.4.2平面匹配层结构参数设置 11
2.4.3含平面匹配层的有限元变分问题 11
2.5有限元边界积分方法 12
2.5.1有限元边界积分方程公式 12
2.5.6软件中所需的各种设置值 15
第三章 不加均压环复合绝缘子电场计算与分析 17
3.1复合绝缘子的结构 17
3.1.1复合绝缘子的含义及作用 17
3.1.2复合绝缘子的组成 17
3.1.3复合绝缘子的分类 17
3.2复合绝缘子的主要技术参数 17
3.3本文重点研究的复合绝缘子模型 18
3.4复合绝缘子三维电场仿真 18
3.4.1建立复合绝缘子模型 19
3.4.2计算前的准备工作 25
3.4.3计算结果的显示与分析 29
3.4.4与添加220Kv激励的复合绝缘子之间的比较 32
第四章 添加均压环电场计算与分析 34
4.1添加800Kv激励的复合绝缘子的均压环模型建立过程 34
4.2定义均压环材料 36
4.3与800Kv激励未添加均压环的结果比较 36
4.3.1 800Kv激励添加均压环的场强电压结果 37
4.3.2 与800Kv激励未加均压环的场强电压结果比较 38
4.3.3 与220Kv激励添加均压环的场强电压结果比较 39
第五章 总结与展望 40
5.1总结 40
5.2展望 40
参考文献 41
致谢 43
第一章 绪论
1.1本课题的研究背景
本课题研究的是江苏祥源电气设备有限公司提供的 直流合成绝缘子，分析其电场、电压分布。将要研究复合绝缘子的不同伞群结构对不同电压等级的影响，建立模型计算、观察、分析产品的高、低压端的电场分布情况，模拟输电线路的运行，从而确定复合绝缘子的最优伞群排列结构和均压装置。
由于复合绝缘子具有轻便、防污性能好、便于维护等优点，近年来在我国的高压输电系统中得到了广泛的应用。但复合绝缘子在实际使用中也有一些问题，其中最重要就是电场分布严重不均匀。通常，复合绝缘子在干燥条件下，电场分布是由绝缘子串的结构参数和沿面电容分布决定的，因此绝缘子串表面电位的梯度分布将避免在高压端或低压端产生较高的电场。而复合绝缘子由于其外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率，使得电位分布从高压端开始迅速衰减，这样的电位分布使得在邻近高压端和接地处产生了较高的电场。如果绝缘子表面电场强度超过了电晕起始场强（0.45Kv/mm）就会产生电晕放电[1] 。
研究复合绝缘子的一项重要内容就是研究其表面的电场分布。强电场造成绝缘子串和金具表面产生电晕放电的机会增大，会对电力安全运行造成严重威胁。对于超高压和特高压线路，其电压等级高、电场强度大，复合绝缘子电场分布较常规线路更不均匀, 因此改善复合绝缘子电场分布是超/ 特高压工程外绝缘设备研制及其安全运行的关键技术[2] 。
1.2本课题的研究现状
现有文献研究了两种类型伞形结构（耐污型和防冰型）的棒形悬式复合绝缘子在相同的绝缘距离、硅橡胶外套材料、人工污秽和人工覆冰试验条件下对交流覆冰闪络电压特性的影响， 同时介绍了复合绝缘子的人工覆冰闪络试验方法[3]。覆冰闪络试验结果表明， 防冰型复合绝缘子的伞形结构设计较合理， 可以阻止或延长冰桥的形成， 对于110 kV / 100 kN 棒形悬式复合绝缘在相同人工污秽（SDD / NSDD 0.25 / 1.5 mg / cm2）和人工覆冰（覆冰水折算到20℃时电导率为120 μS / cm，覆冰密度0.84～0.89 g / cm3） 试验条件下， 防冰型的交流覆冰闪络电压比耐污型提高了17.0%～25.0%， 具有一定的防覆冰闪络的效果； 其次， 防冰型复合绝缘子受覆冰重量的影响小于耐污型，即覆冰越严重， 防冰型覆冰闪络电压下降的趋势小于耐污型。但几乎尚无文献和专利利用三维的有限元ANSYS软件更准确地对输电线路中复合绝缘子建立模型，并添加均压环，研究伞裙结构和均压环对复合绝缘子表面电场分布的影响[4-6] 。
1.3本课题的研究内容
本课题研究的是由江苏祥源电气设备有限公司 直流合成绝缘子，分析其电场、电压分布。研究了复合绝缘子伞群的结构对电场分布的影响，添加均压环对其高、低压端进行均压，对比不同大小、不同数量的伞群产生的电场，为复合绝缘子伞群结构的优化设计提供了科学的理论基础，从而得到更加均匀的电场分布[7] 。
复合绝缘子的伞裙通过增加复合绝缘子表面的爬电距离方式来提高绝缘子的绝缘性能，通过调整高压端附近的电压分布从而降低绝缘子沿面电场强度以避免产生电晕，能减少由电晕引起的可听噪声，以及电晕噪声产生的无线电干扰和电视干扰，并能消除由电晕引起的非瓷材料的降解作用[8]。然而，并不是任意结构参数的伞裙分布都能均匀绝缘子沿面电位分布，从而降低绝缘子表面电场强度，伞裙的结构参数将直接影响绝缘子表面的沿面电位分布[9]。因此，本课题采用有限元 软件建立实际运行状态下的复合绝缘子3D模型，分析计算在运行状态下复合绝缘子的表面电场分布情况。绝缘子有多种多样的伞形设计，伞裙直径、伞间距、伞裙数量、爬电距离及大小伞的搭配等伞裙结构参数不同，复合绝缘子的伞裙结构就不同，有计算表明，复合绝缘子的伞裙结构明显影响其表面电场的分布。因此，本课题优化复合绝缘子伞裙结构参数，可以改善复合绝缘子的电场分布，具有重要的学术意义和工程应用价值[10]。
1.4本文的章节安排
第一章，绪论。绪论部分引出本课题的研究背景、目的，本课题的研究现状以及本文的研究内容。
第二章，复合绝缘子电场分布计算的有限元理论基础。在这一章里，将介绍常用的电场计算方法，分析有限元的泛函方程和边界条件，为本课题使用有限元法分析提供了理论基础。
第三章，不加均压环的复合绝缘子电场计算与分析。第三章是本文重点介绍的部分之一。首先介绍了复合绝缘子的结构、功能、技术参数，其次详细介绍了使用 建立整个模型的过程以及计算前的准备工作，最后展示了最终的计算结果、数据的表格与曲线并与不同大小、不同个数、不同间距的复合绝缘子进行了比较。
第四章，添加均压环后复合绝缘子电场计算与分析。这一章是本文另外一个重点介绍的章节。首先在前文的基础上，在复合绝缘子的两端分别添加了不同大小的均压环，然后展示了添加均压环后的计算结果数据与曲线并与第三章中不添加均压环的结果做了比较。
第五章，总结与展望。总结本文的内容，对还需要的改进的部分作出展望。
第二章 复合绝缘子电场分布计算的有限元理论基础
2.1开域问题的引出
2.1.1有限元法的进展及其面临的问题
近年来，通过科学家们的研究，发现电磁学领域中可以广泛应用有限元法，
有限元法也慢慢的成熟起来。最初只用于计算静电态电场、磁场等标量场的有限元法，当用于矢量电场和矢量磁场时，就遇到了几个严重的问题。
第一，由于未强加散度条件而产生了不满足物理意义的伪解。第二，材料面和导体面不适合添加边界条件。第三，因为与结构相关的场都有奇异性，所以在处理导体和介质的边缘时会遇到很多困难。在这些问题中，最后一个问题最为严重，因为它缺少一种通用的处理方法。为了寻找这种通用的处理方法，而不仅仅是在原有方法的基础上进行改进，人们想到了矢量有限元法。与原有的有限元法不同的是，矢量有限元法将自由度赋予了棱边而不是单元结点，因此它也叫做棱边元。这样一来，就拓宽有限元法的运用范围。
之后，经过人们的探索研究，一个具有相似性质的矢量基函数被应用到电磁辐射的电场积分方程的解中，同时在有限元解中也用到了它。
然而，新方法仍然不能解决所有问题。由于计算机内存有限，所以这种数值计算方法只能用于有限的区域。为此，必须将无限的区域转化为有限的区域，这个过程便是解决开域问题。
2.1.2边界条件的种类及发展现状
如上文所述，有限元法仅限于用在有限的区域内，所以只要我们能够将开域问题转化为闭域问题，那么就可以用有限元法来解决了。无限场域边界条件[11] 可以分为全域边界条件和局域边界条件。
1．全域边界条件。全域边界条件中最具代表性的就是电磁散射中的边界条件。不论是单矩法还是有限元法，或是边界元法等方法，都可以归纳为有限元混合方法[12] 。全域边界条件面临的主要问题是：离散后会产生破坏系统矩阵稀疏性的稠密矩阵，会使有限元求解大尺寸散射问题的能力下降，特别是在计算三维模型的时候这个现象会更加明显。现阶段解决这个问题的方法主要是：建立专门的耦合矩阵算法和局域边界条件。
2.局域边界条件。局域边界条件最主要的代表是吸收边界条件，广泛应用于有限元、时域中。吸收边界条件能够使散射和辐射电磁波自由穿过边界，也就是这些电磁波被边界完全吸收。将局域算子运用到波动方程中，或者让边界将散射波展开式的前几项完全吸收，就可以建立吸收边界条件。常用的是 和 型[13]吸收边界条件。 型多用于平面边界，而圆形、球形边界则使用 型。为了克服高阶和共性吸收边界挑选公式繁琐，计算迭代次数多的限制，人们建立了数值吸收边界条件NABC[14] （ u）将NABC作为边界点，而其相邻点场强的线性结合则用场强的法向导数表示。
河 海 大 学摘 要
在高压输电线路中，复合绝缘子占有不可或缺的地位。电场分布是研究外绝缘的一项重要内容。强电场会使绝缘子串和金属表面容易产生电晕放电，从而使电力安全存在风险。为了避免这一风险，需要绝缘子串表面的场强分布均匀，而不是某一点的场强太大。故本文使用有限元法研究绝缘子表面场强分布问题。
论文讨论了开域问题，分析了有限元法的工作原理，通过拉普拉斯方程求解了第一类边值问题，得到了复合绝缘子的边界范围，并确定使用有限元仿真软件Ansoft Maxwell来进行复合绝缘子的电场、电压的研究；通过建立几何模型、添加激励、定义材料、计算分析、绘制曲线等过程，研究了复合绝缘子电场、电压的分布情况；通过改变绝缘子的大小、伞群的数量、伞群之间的间距、添加激励的大小等方法，研究了对电场分布的影响因素；对各种绝缘子产品，都分别研究了是否添加均压环，仿真验证了均压环对绝缘子场强分布的影响。并对结果进行了比较分析。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:复合绝缘子；开域；伞群；有限元仿真；均压环
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1本课题的研究背景 1
1.2本课题的研究现状 1
1.3本课题的研究内容 2
1.4本文的章节安排 2
第二章 复合绝缘子电场分布计算的有限元理论基础 4
2.1开域问题的引出 4
2.1.1有限元法的进展及其面临的问题 4
2.1.2边界条件的种类及发展现状 4
2.2矢量有限元方法的求解步骤 6
2.2.1由结点信息生成棱边信息 6
2.2.2集成系数矩阵 6
2.2.3强加边界条件 6
2.2.4求解 6
2.3吸收边界条件 7
2.3.1二维吸收边界条件 7
2.3.2三维吸收边界条件 7
2.3.3应用矢量吸收边界条件的散度辐射计算 9
2.4平面匹配层及其在开域电磁场问题中的运用 10
2.4.1平面匹配层原理 10
2.4.2平面匹配层结构参数设置 11
2.4.3含平面匹配层的有限元变分问题 11
2.5有限元边界积分方法 12
2.5.1有限元边界积分方程公式 12
2.5.6软件中所需的各种设置值 15
第三章 不加均压环复合绝缘子电场计算与分析 17
3.1复合绝缘子的结构 17
3.1.1复合绝缘子的含义及作用 17
3.1.2复合绝缘子的组成 17
3.1.3复合绝缘子的分类 17
3.2复合绝缘子的主要技术参数 17
3.3本文重点研究的复合绝缘子模型 18
3.4复合绝缘子三维电场仿真 18
3.4.1建立复合绝缘子模型 19
3.4.2计算前的准备工作 25
3.4.3计算结果的显示与分析 29
3.4.4与添加220Kv激励的复合绝缘子之间的比较 32
第四章 添加均压环电场计算与分析 34
4.1添加800Kv激励的复合绝缘子的均压环模型建立过程 34
4.2定义均压环材料 36
4.3与800Kv激励未添加均压环的结果比较 36
4.3.1 800Kv激励添加均压环的场强电压结果 37
4.3.2 与800Kv激励未加均压环的场强电压结果比较 38
4.3.3 与220Kv激励添加均压环的场强电压结果比较 39
第五章 总结与展望 40
5.1总结 40
5.2展望 40
参考文献 41
致谢 43
第一章 绪论
1.1本课题的研究背景
本课题研究的是江苏祥源电气设备有限公司提供的 直流合成绝缘子，分析其电场、电压分布。将要研究复合绝缘子的不同伞群结构对不同电压等级的影响，建立模型计算、观察、分析产品的高、低压端的电场分布情况，模拟输电线路的运行，从而确定复合绝缘子的最优伞群排列结构和均压装置。
由于复合绝缘子具有轻便、防污性能好、便于维护等优点，近年来在我国的高压输电系统中得到了广泛的应用。但复合绝缘子在实际使用中也有一些问题，其中最重要就是电场分布严重不均匀。通常，复合绝缘子在干燥条件下，电场分布是由绝缘子串的结构参数和沿面电容分布决定的，因此绝缘子串表面电位的梯度分布将避免在高压端或低压端产生较高的电场。而复合绝缘子由于其外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率，使得电位分布从高压端开始迅速衰减，这样的电位分布使得在邻近高压端和接地处产生了较高的电场。如果绝缘子表面电场强度超过了电晕起始场强（0.45Kv/mm）就会产生电晕放电[1] 。
研究复合绝缘子的一项重要内容就是研究其表面的电场分布。强电场造成绝缘子串和金具表面产生电晕放电的机会增大，会对电力安全运行造成严重威胁。对于超高压和特高压线路，其电压等级高、电场强度大，复合绝缘子电场分布较常规线路更不均匀, 因此改善复合绝缘子电场分布是超/ 特高压工程外绝缘设备研制及其安全运行的关键技术[2] 。
1.2本课题的研究现状
现有文献研究了两种类型伞形结构（耐污型和防冰型）的棒形悬式复合绝缘子在相同的绝缘距离、硅橡胶外套材料、人工污秽和人工覆冰试验条件下对交流覆冰闪络电压特性的影响， 同时介绍了复合绝缘子的人工覆冰闪络试验方法[3]。覆冰闪络试验结果表明， 防冰型复合绝缘子的伞形结构设计较合理， 可以阻止或延长冰桥的形成， 对于110 kV / 100 kN 棒形悬式复合绝缘在相同人工污秽（SDD / NSDD 0.25 / 1.5 mg / cm2）和人工覆冰（覆冰水折算到20℃时电导率为120 μS / cm，覆冰密度0.84～0.89 g / cm3） 试验条件下， 防冰型的交流覆冰闪络电压比耐污型提高了17.0%～25.0%， 具有一定的防覆冰闪络的效果； 其次， 防冰型复合绝缘子受覆冰重量的影响小于耐污型，即覆冰越严重， 防冰型覆冰闪络电压下降的趋势小于耐污型。但几乎尚无文献和专利利用三维的有限元ANSYS软件更准确地对输电线路中复合绝缘子建立模型，并添加均压环，研究伞裙结构和均压环对复合绝缘子表面电场分布的影响[4-6] 。
1.3本课题的研究内容
本课题研究的是由江苏祥源电气设备有限公司 直流合成绝缘子，分析其电场、电压分布。研究了复合绝缘子伞群的结构对电场分布的影响，添加均压环对其高、低压端进行均压，对比不同大小、不同数量的伞群产生的电场，为复合绝缘子伞群结构的优化设计提供了科学的理论基础，从而得到更加均匀的电场分布[7] 。
复合绝缘子的伞裙通过增加复合绝缘子表面的爬电距离方式来提高绝缘子的绝缘性能，通过调整高压端附近的电压分布从而降低绝缘子沿面电场强度以避免产生电晕，能减少由电晕引起的可听噪声，以及电晕噪声产生的无线电干扰和电视干扰，并能消除由电晕引起的非瓷材料的降解作用[8]。然而，并不是任意结构参数的伞裙分布都能均匀绝缘子沿面电位分布，从而降低绝缘子表面电场强度，伞裙的结构参数将直接影响绝缘子表面的沿面电位分布[9]。因此，本课题采用有限元 软件建立实际运行状态下的复合绝缘子3D模型，分析计算在运行状态下复合绝缘子的表面电场分布情况。绝缘子有多种多样的伞形设计，伞裙直径、伞间距、伞裙数量、爬电距离及大小伞的搭配等伞裙结构参数不同，复合绝缘子的伞裙结构就不同，有计算表明，复合绝缘子的伞裙结构明显影响其表面电场的分布。因此，本课题优化复合绝缘子伞裙结构参数，可以改善复合绝缘子的电场分布，具有重要的学术意义和工程应用价值[10]。
1.4本文的章节安排
第一章，绪论。绪论部分引出本课题的研究背景、目的，本课题的研究现状以及本文的研究内容。
第二章，复合绝缘子电场分布计算的有限元理论基础。在这一章里，将介绍常用的电场计算方法，分析有限元的泛函方程和边界条件，为本课题使用有限元法分析提供了理论基础。
第三章，不加均压环的复合绝缘子电场计算与分析。第三章是本文重点介绍的部分之一。首先介绍了复合绝缘子的结构、功能、技术参数，其次详细介绍了使用 建立整个模型的过程以及计算前的准备工作，最后展示了最终的计算结果、数据的表格与曲线并与不同大小、不同个数、不同间距的复合绝缘子进行了比较。
第四章，添加均压环后复合绝缘子电场计算与分析。这一章是本文另外一个重点介绍的章节。首先在前文的基础上，在复合绝缘子的两端分别添加了不同大小的均压环，然后展示了添加均压环后的计算结果数据与曲线并与第三章中不添加均压环的结果做了比较。
第五章，总结与展望。总结本文的内容，对还需要的改进的部分作出展望。
第二章 复合绝缘子电场分布计算的有限元理论基础
2.1开域问题的引出
2.1.1有限元法的进展及其面临的问题
近年来，通过科学家们的研究，发现电磁学领域中可以广泛应用有限元法，
有限元法也慢慢的成熟起来。最初只用于计算静电态电场、磁场等标量场的有限元法，当用于矢量电场和矢量磁场时，就遇到了几个严重的问题。
第一，由于未强加散度条件而产生了不满足物理意义的伪解。第二，材料面和导体面不适合添加边界条件。第三，因为与结构相关的场都有奇异性，所以在处理导体和介质的边缘时会遇到很多困难。在这些问题中，最后一个问题最为严重，因为它缺少一种通用的处理方法。为了寻找这种通用的处理方法，而不仅仅是在原有方法的基础上进行改进，人们想到了矢量有限元法。与原有的有限元法不同的是，矢量有限元法将自由度赋予了棱边而不是单元结点，因此它也叫做棱边元。这样一来，就拓宽有限元法的运用范围。
之后，经过人们的探索研究，一个具有相似性质的矢量基函数被应用到电磁辐射的电场积分方程的解中，同时在有限元解中也用到了它。
然而，新方法仍然不能解决所有问题。由于计算机内存有限，所以这种数值计算方法只能用于有限的区域。为此，必须将无限的区域转化为有限的区域，这个过程便是解决开域问题。
2.1.2边界条件的种类及发展现状
如上文所述，有限元法仅限于用在有限的区域内，所以只要我们能够将开域问题转化为闭域问题，那么就可以用有限元法来解决了。无限场域边界条件[11] 可以分为全域边界条件和局域边界条件。
1．全域边界条件。全域边界条件中最具代表性的就是电磁散射中的边界条件。不论是单矩法还是有限元法，或是边界元法等方法，都可以归纳为有限元混合方法[12] 。全域边界条件面临的主要问题是：离散后会产生破坏系统矩阵稀疏性的稠密矩阵，会使有限元求解大尺寸散射问题的能力下降，特别是在计算三维模型的时候这个现象会更加明显。现阶段解决这个问题的方法主要是：建立专门的耦合矩阵算法和局域边界条件。
2.局域边界条件。局域边界条件最主要的代表是吸收边界条件，广泛应用于有限元、时域中。吸收边界条件能够使散射和辐射电磁波自由穿过边界，也就是这些电磁波被边界完全吸收。将局域算子运用到波动方程中，或者让边界将散射波展开式的前几项完全吸收，就可以建立吸收边界条件。常用的是 和 型[13]吸收边界条件。 型多用于平面边界，而圆形、球形边界则使用 型。为了克服高阶和共性吸收边界挑选公式繁琐，计算迭代次数多的限制，人们建立了数值吸收边界条件NABC[14] （ u）将NABC作为边界点，而其相邻点场强的线性结合则用场强的法向导数表示。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4840.html
