输电线路复合绝缘子建模和电场分布开域研究
输电线路复合绝缘子建模和电场分布开域研究[20191213112247]
摘 要
近年来,由于有限元具有功能强大、精度高的特点，常被应用于对复合绝缘子电场的研究中，期望得到更加均匀的电场分布。但应用有限元直接进行求解存在一个矛盾, 复合绝缘子的电场分布是开域的，而有限元法只能求解有限域问题, 因而实际的理论工作中除了要建立数学模型外还需要处理电场的开域问题。
首先，本文系统的分析了复合绝缘子的特点，介绍了有限元仿真工具Ansoft Maxwell，并结合Ansoft Maxwell建立了复合绝缘子的几何模型，对于复合绝缘子有了全面的认识；其次，对常用的电磁场分析方法——有限元法，分析了它的工作原理，并针对变分原理以及泛函方程做了详细的介绍，建立了它的数学模型；之后分析了电场开域问题，通过拉普拉斯方程求解了第一类边值问题中的一阶边界条件，给出了复合绝缘子的边界范围，使得仿真软件仿真结果更加精确。最后结合 Maxwell 软件确定边界条件百分比数值，为后续电场的优化提供理论基础。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字复合绝缘子；有限元；开域；一阶边界条件
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 复合绝缘子电场分析的研究背景与研究现状 1
1.2 复合绝缘子电场分析及建模、电场开域问题的研究意义 6
1.3 本文的研究内容及章节安排 8
本章小结 8
第2章 有限元理论基础及 Ansoft-Maxwell 软件 10
2.1 有限元的理论基础 10
2.2 有限元仿真软件Ansoft-Maxwell 11
2.3 复合绝缘子Maxwell仿真流程 14
本章小结 15
第3章 复合绝缘子数学建模 16
3.1 电磁场理论基础 16
3.1.1 电磁场数值计算几种方法 17
3.1.2 电磁场经典方程 18
3.2 变分原理的研究 18
3.2.1 变分的基本概念 19
3.2.2 变分的主要步骤 21
3.3 泛函方程的研究 21
本章小结 23
第4章 电场开域问题求解 24
4.1 边值问题的研究 24
4.1.1 边值问题的研究方法 24
4.1.2 边值问题的分类 27
4.2 边界条件的研究 27
4.2.1 边界条件介绍 28
4.2.2 边界条件求解 29
4.3 在Maxwell 软件中设置边界条件 31
本章小结 35
第5章 总结与展望 36
5.1 总结 36
5.2 展望. 36
参考文献 37
致谢 40
第1章 绪论
1.1 复合绝缘子电场分析的研究背景与研究现状
(一) 复合绝缘子的使用现状
目前我国经济正持续增长，人民生活水平在不断提高，电力需求也快速增长。到2005年底，我国电力装机总容量已达510GWh。目前我国能源中心和负荷中心分布严重不均衡，水利和煤炭资源主要集中在西部和北部地区，而负荷中心主要集中在东部和南部经济发达地区，因此未来将有大规模的电能从西南和西北向东南沿海地区输送。我国目前以交、直流500kV为主的电网难以适应这种远距离、大容量的输电要求，需要建设1000kV交流和±800kV直流特高压骨干网。复合绝缘子因其耐污性好、重量轻等特点，在国内输电线路中的应用越来越多。特高压电网由于外绝缘要求高，不可避免要大量使用复合绝缘子。因而，研究超高压交直流输电线路复合绝缘子的使用情况和规律，对复合绝缘子的制造工艺、机械性能设计以及施工和维护提出改进意见，对于我国特高压线路的建设以及复合绝缘子的应用都具有重要的意义[1]。
(二) 复合绝缘子的基本结构
复合绝缘子也称为合成绝缘子、硅橡胶绝缘子或非瓷绝缘子，它是由有机硅橡胶复合材料组成的复合结构绝缘子，主要有复合绝缘子金具、伞裙护套、芯棒、粘接层和均压环组成。
1、伞裙护套是复合绝缘子的外绝缘部分，其作用是使复合绝缘子具有足够高的抗湿闪和抗污闪的外绝缘性能，保护芯棒免受大气侵蚀。
2、电力金具是复合绝缘子机械负荷的传递部件，它和芯棒组装在一起构成复合绝缘子的连接件。电力金具结构的好坏影响到芯棒强度的发挥和绝缘子的机械性能。
3、均压环是用来均匀分布作用在复合绝缘子靠近导线端的电压的。最早的复合绝缘子上、下端都有均压环，而现在的复合绝缘子只有下端才有均压环。
4、芯棒是复合绝缘子机械负荷的承载部件，同时又是内绝缘的主要部件,由环氧玻璃纤维制成。
5、粘接层一部分是用粘合胶完成伞裙护套与芯棒之间的连接;另一部分是用灌封胶来完成伞裙之间的连接。粘接质量的好坏直接关系到内绝缘的水平。
(三) 复合绝缘子的优缺点
1、具有很强的耐用性：硅橡胶具有很好的耐紫外线、耐臭氧和耐电晕特性，可在-50℃~+200℃环境下长期工作。
2、耐电蚀性优异：绝缘子表面漏电闪络形成不可逆性劣变起痕现象，一般标准为不低于4.5级(即4.5kV)，而复合绝缘子为6～7级。
3、具有优良的绝缘性能，特别是耐污闪性能非常好：因为复合绝缘子的硅橡胶具有优异的憎水性，在其表面积有污秽物后，污秽物也具有憎水性，这种现象称为硅橡胶憎水性的迁移特性。这样，下雨时在复合绝缘子的伞形波纹表面不会沾湿形成水膜，而是呈水珠状滴落，水分不能渗透到污秽物中，在污秽物中也不会产生导电层，不易构成导电通道，从而避免了污闪现象的发生，所以复合绝缘子特别适用于污秽地区，其污闪电压较高，为同电压等级瓷绝缘子的3倍。另外从有效泄漏距离来说，复合绝缘子的泄漏距离相当2倍普通瓷绝缘子的泄漏距离。
4、抗老化性能好：经实践检测表明，复合绝缘子长时间运行后除颜色稍有变深和介电常数、介质损失角稍有增加外，表面不沾湿性及耐电蚀起痕性均无变化，说明抗老化性能良好。
5、机械性能优越：由于复合绝缘子的芯棒由环氧玻璃纤维制成，其扩张强度为普通钢的1.5倍，是高强瓷的3～4倍，轴向拉力特别强，其机电负荷可达45吨，并具有较强的吸振能力，抗震阻尼性能很高。
6、线路运行效率高：由于复合绝缘子的风雨自洁性好，又不产生零值绝缘子，故清扫检查工作可改为每4～5年一次甚至更长，从而缩短检修、停电时间。
7、结构稳定性好：普通悬式瓷绝缘子是内胶装配结构，由于电化腐蚀，运行中会产生低零值绝缘电阻，容易出现零值绝缘子，而复合绝缘子为外胶装配结构，其内芯为实芯棒绝缘材料，不存在劣化和击穿，不会出现零值绝缘子。
8、重量轻、体积小：复合绝缘子自身重量轻，是同电压等级普通瓷绝缘子串重量的1/10，在运输、施工作业中，可大大节省运输费用、减轻工作人员施工安装的劳动强度。
复合绝缘子除了上述的一些优点外也存在一些缺点：
1、复合绝缘子承受的径向(垂直于中心线)应力很小，因此，使用于耐张杆的复合绝缘子严禁踩踏或任何形式的径向荷重，否则将导致折断。
2、复合绝缘子价格相对比较高。
(四) 复合绝缘子与瓷绝缘子的性能比较
复合绝缘子与普通瓷绝缘子的性能比较如表1.1所示。
表1.1 35kV、110kV复合绝缘子和普通瓷绝缘子表
复合绝缘子和普通瓷绝缘子表
电压等级 绝缘子类别 工频干闪 雷冲击闪烁 爬电距离 泄露比距 备注
电压（KV） 电压（KV） （mm） （cm/KV）
35KV 复合绝缘子 187 380 1150 3.286
瓷绝缘子 225 360 870 2.485 3片
110KV 复合绝缘子 390 745 2700 2.454
瓷绝缘子 451 686 1890 1.718 7片
1、表1.1表明，复合绝缘子的防污水平明显比瓷绝缘子高。从我部目前所管理的线路实际运行情况来看，效果还是可以的。由于硅橡胶表面是低能面，具有优良的憎水性，不易积聚灰尘和其他含盐物质，耐污性能好，污闪电压高，相同的爬距，所以复合绝缘子等效于瓷绝缘子1.3～1.4倍的绝缘水平。但是复合绝缘子的工频干闪电压比瓷绝缘子低，这说明瓷绝缘子耐受系统过电压的水平要大大好于复合绝缘子。
2、由于复合绝缘子是外胶装结构，无零值，克服了内胶装绝缘子脚球根部强烈电化学腐蚀锈烂的弊端，提高了绝缘子的安全可靠性和使用寿命。
3、复合绝缘子是棒型绝缘结构，一般不发生内部击穿事故，其绝缘强度高、无零值，所以也不需要象瓷绝缘子一样定期清扫和检测零值，减轻了送电线路的维护工作量，大大提高劳动生产率。
4、复合绝缘子重量轻，体积小，不易破碎，方便了运输和施工。
复合绝缘子在电力施工和平时的运输过程中严禁硬物撞击、碰擦，特别是施工人员站在导线上安装、更换完复合绝缘子以后，要特别注意，不能用手紧抓复合绝缘子的伞裙及芯棒，更不能用脚踩踏复合绝缘子的任何部位，因复合绝缘子的伞裙材料为硅橡胶，质地比较柔嫩，极易受损伤而导致粘接层的密封性被破坏，导致复合绝缘子的绝缘性能下降[2-3]。
(五) 复合绝缘子使用的注意事项
特高压线路中使用度和绝缘子必须注意一下几个问题：
1、研究大吨位复合绝缘子的长期机械性能与短期机械性能的关系，建立相应的试验方法和规范，这样才能保证线路长期可靠的运行。
2、在这么高的电压等级下，复合绝缘子的均压设计非常重要，合理的设计对于降低无线电干扰和电晕、延缓伞群老化、降低意外事故等都有很大的作用。
3、合理的设计招弧，避免可能的雷击电弧对于绝缘子的伤害。
4、完善机械设计，使单串绝缘断串导线不落地。
5、完善实验、验收方法和标准，避免性能不佳的产品挂网运行。
6、控制伞群和芯棒材料的选材，优化生产工艺，尽可能丛源头降低运行事故的发生。
7、合理的建立运输、储存、施工搬运、起吊、攀爬等规程，严格限制施工期间造成的复合绝缘子“内伤”。
8、建立合理的巡查和维护方法，尽量做到防患于未然[4]。
(六) 复合绝缘子电场分析课题引出
本次项目大课题题目是“复合绝缘子在输电线路运用的电场分析计算”，即是对复合绝缘子使用注意事项（2）“复合绝缘子电场均压设计”进行研究探讨，旨在优化复合绝缘子场域电压。复合绝缘子由于其优良的特性, 在特高压直流输电工程的外绝缘选择中具有明显的优势。但复合绝缘子的外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率, 使电位分布极不均匀在线路侧和杆塔侧的绝缘子两端金具附近有高电场区域当绝缘子和金具表面场强超过电晕起始场强会产生电晕放电, 进而对电磁环境、绝缘材料的运行特性等产生影响。本文基于有限元数值仿真计算方法, 建立了特高压直流线路复合绝缘子三维电场仿真模型。
本项目研究开发的目的就是针对江苏某电气设备有限公司生产的复合绝缘子，研究其内部伞形结构和均压环对电场分布的影响，进而采用智能算法优化其内部结构，得到更加均匀的电场分布。均压环通过与绝缘子并联的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。均压环在 220 kV 电压等级线路上通常仅安装在复合成绝缘子高压端，当线路电压等级超过 330 kV 时，复合绝缘子的高压端和接地端均需安装均压环。然而，并不是任意结构参数的均压环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，均压环的结构参数及安装位置等因素将直接影响绝缘子表面的沿面电位分布；同时，当均压环自身的表面电场强度超过 2.2kV/mm 时，均压环自身也会产生电晕，这样反而使得绝缘子的绝缘性能降低。因此，本课题采用最优化技术研究最优结构的合成绝缘子均压环以改善合成绝缘子沿面电场和电位分布，具有重要的学术意义和工程应用价值。另外，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也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，也具有重要的学术意义和工程应用价值。
(七) 复合绝缘子电场分析的研究现状
随着控制装置向计算机化、网络化、智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化方面的快速发展，对于复合绝缘子的研究也是百家争鸣。本课题的研究，旨在通过全场域的电场数值计算，得到优化的内部结构，使得电场分布更加均匀，提高复合绝缘子绝缘性能，优化绝缘设计。计算机和数值分析技术的发展渐近成熟，工程中越来越多的电磁场问题依靠数值计算得到解决。司马文霞,杨庆,孙才等人基于有限元和神经网络方法超高压复合绝缘子均压环结构进行优化[12]；黄道春，阮江军，刘守豹等对特高压交流复合绝缘子电位和均压环表面电场分布进行了计算，并提出了优化方案[13]；丁京玲对±800kV直流棒形悬式复合绝缘子电场优化问题也进行过研究。工程教育的内容随着工程实践的内容不断更新。开设电磁场数值计算课程是非常必要的。一方面，通过电磁场数值计算的学习，可以加深对工程电磁场的理解；另一方面，学生可以学到更多实用的知识。
摘 要
近年来,由于有限元具有功能强大、精度高的特点，常被应用于对复合绝缘子电场的研究中，期望得到更加均匀的电场分布。但应用有限元直接进行求解存在一个矛盾, 复合绝缘子的电场分布是开域的，而有限元法只能求解有限域问题, 因而实际的理论工作中除了要建立数学模型外还需要处理电场的开域问题。
首先，本文系统的分析了复合绝缘子的特点，介绍了有限元仿真工具Ansoft Maxwell，并结合Ansoft Maxwell建立了复合绝缘子的几何模型，对于复合绝缘子有了全面的认识；其次，对常用的电磁场分析方法——有限元法，分析了它的工作原理，并针对变分原理以及泛函方程做了详细的介绍，建立了它的数学模型；之后分析了电场开域问题，通过拉普拉斯方程求解了第一类边值问题中的一阶边界条件，给出了复合绝缘子的边界范围，使得仿真软件仿真结果更加精确。最后结合 Maxwell 软件确定边界条件百分比数值，为后续电场的优化提供理论基础。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字复合绝缘子；有限元；开域；一阶边界条件
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 复合绝缘子电场分析的研究背景与研究现状 1
1.2 复合绝缘子电场分析及建模、电场开域问题的研究意义 6
1.3 本文的研究内容及章节安排 8
本章小结 8
第2章 有限元理论基础及 Ansoft-Maxwell 软件 10
2.1 有限元的理论基础 10
2.2 有限元仿真软件Ansoft-Maxwell 11
2.3 复合绝缘子Maxwell仿真流程 14
本章小结 15
第3章 复合绝缘子数学建模 16
3.1 电磁场理论基础 16
3.1.1 电磁场数值计算几种方法 17
3.1.2 电磁场经典方程 18
3.2 变分原理的研究 18
3.2.1 变分的基本概念 19
3.2.2 变分的主要步骤 21
3.3 泛函方程的研究 21
本章小结 23
第4章 电场开域问题求解 24
4.1 边值问题的研究 24
4.1.1 边值问题的研究方法 24
4.1.2 边值问题的分类 27
4.2 边界条件的研究 27
4.2.1 边界条件介绍 28
4.2.2 边界条件求解 29
4.3 在Maxwell 软件中设置边界条件 31
本章小结 35
第5章 总结与展望 36
5.1 总结 36
5.2 展望. 36
参考文献 37
致谢 40
第1章 绪论
1.1 复合绝缘子电场分析的研究背景与研究现状
(一) 复合绝缘子的使用现状
目前我国经济正持续增长，人民生活水平在不断提高，电力需求也快速增长。到2005年底，我国电力装机总容量已达510GWh。目前我国能源中心和负荷中心分布严重不均衡，水利和煤炭资源主要集中在西部和北部地区，而负荷中心主要集中在东部和南部经济发达地区，因此未来将有大规模的电能从西南和西北向东南沿海地区输送。我国目前以交、直流500kV为主的电网难以适应这种远距离、大容量的输电要求，需要建设1000kV交流和±800kV直流特高压骨干网。复合绝缘子因其耐污性好、重量轻等特点，在国内输电线路中的应用越来越多。特高压电网由于外绝缘要求高，不可避免要大量使用复合绝缘子。因而，研究超高压交直流输电线路复合绝缘子的使用情况和规律，对复合绝缘子的制造工艺、机械性能设计以及施工和维护提出改进意见，对于我国特高压线路的建设以及复合绝缘子的应用都具有重要的意义[1]。
(二) 复合绝缘子的基本结构
复合绝缘子也称为合成绝缘子、硅橡胶绝缘子或非瓷绝缘子，它是由有机硅橡胶复合材料组成的复合结构绝缘子，主要有复合绝缘子金具、伞裙护套、芯棒、粘接层和均压环组成。
1、伞裙护套是复合绝缘子的外绝缘部分，其作用是使复合绝缘子具有足够高的抗湿闪和抗污闪的外绝缘性能，保护芯棒免受大气侵蚀。
2、电力金具是复合绝缘子机械负荷的传递部件，它和芯棒组装在一起构成复合绝缘子的连接件。电力金具结构的好坏影响到芯棒强度的发挥和绝缘子的机械性能。
3、均压环是用来均匀分布作用在复合绝缘子靠近导线端的电压的。最早的复合绝缘子上、下端都有均压环，而现在的复合绝缘子只有下端才有均压环。
4、芯棒是复合绝缘子机械负荷的承载部件，同时又是内绝缘的主要部件,由环氧玻璃纤维制成。
5、粘接层一部分是用粘合胶完成伞裙护套与芯棒之间的连接;另一部分是用灌封胶来完成伞裙之间的连接。粘接质量的好坏直接关系到内绝缘的水平。
(三) 复合绝缘子的优缺点
1、具有很强的耐用性：硅橡胶具有很好的耐紫外线、耐臭氧和耐电晕特性，可在-50℃~+200℃环境下长期工作。
2、耐电蚀性优异：绝缘子表面漏电闪络形成不可逆性劣变起痕现象，一般标准为不低于4.5级(即4.5kV)，而复合绝缘子为6～7级。
3、具有优良的绝缘性能，特别是耐污闪性能非常好：因为复合绝缘子的硅橡胶具有优异的憎水性，在其表面积有污秽物后，污秽物也具有憎水性，这种现象称为硅橡胶憎水性的迁移特性。这样，下雨时在复合绝缘子的伞形波纹表面不会沾湿形成水膜，而是呈水珠状滴落，水分不能渗透到污秽物中，在污秽物中也不会产生导电层，不易构成导电通道，从而避免了污闪现象的发生，所以复合绝缘子特别适用于污秽地区，其污闪电压较高，为同电压等级瓷绝缘子的3倍。另外从有效泄漏距离来说，复合绝缘子的泄漏距离相当2倍普通瓷绝缘子的泄漏距离。
4、抗老化性能好：经实践检测表明，复合绝缘子长时间运行后除颜色稍有变深和介电常数、介质损失角稍有增加外，表面不沾湿性及耐电蚀起痕性均无变化，说明抗老化性能良好。
5、机械性能优越：由于复合绝缘子的芯棒由环氧玻璃纤维制成，其扩张强度为普通钢的1.5倍，是高强瓷的3～4倍，轴向拉力特别强，其机电负荷可达45吨，并具有较强的吸振能力，抗震阻尼性能很高。
6、线路运行效率高：由于复合绝缘子的风雨自洁性好，又不产生零值绝缘子，故清扫检查工作可改为每4～5年一次甚至更长，从而缩短检修、停电时间。
7、结构稳定性好：普通悬式瓷绝缘子是内胶装配结构，由于电化腐蚀，运行中会产生低零值绝缘电阻，容易出现零值绝缘子，而复合绝缘子为外胶装配结构，其内芯为实芯棒绝缘材料，不存在劣化和击穿，不会出现零值绝缘子。
8、重量轻、体积小：复合绝缘子自身重量轻，是同电压等级普通瓷绝缘子串重量的1/10，在运输、施工作业中，可大大节省运输费用、减轻工作人员施工安装的劳动强度。
复合绝缘子除了上述的一些优点外也存在一些缺点：
1、复合绝缘子承受的径向(垂直于中心线)应力很小，因此，使用于耐张杆的复合绝缘子严禁踩踏或任何形式的径向荷重，否则将导致折断。
2、复合绝缘子价格相对比较高。
(四) 复合绝缘子与瓷绝缘子的性能比较
复合绝缘子与普通瓷绝缘子的性能比较如表1.1所示。
表1.1 35kV、110kV复合绝缘子和普通瓷绝缘子表
复合绝缘子和普通瓷绝缘子表
电压等级 绝缘子类别 工频干闪 雷冲击闪烁 爬电距离 泄露比距 备注
电压（KV） 电压（KV） （mm） （cm/KV）
35KV 复合绝缘子 187 380 1150 3.286
瓷绝缘子 225 360 870 2.485 3片
110KV 复合绝缘子 390 745 2700 2.454
瓷绝缘子 451 686 1890 1.718 7片
1、表1.1表明，复合绝缘子的防污水平明显比瓷绝缘子高。从我部目前所管理的线路实际运行情况来看，效果还是可以的。由于硅橡胶表面是低能面，具有优良的憎水性，不易积聚灰尘和其他含盐物质，耐污性能好，污闪电压高，相同的爬距，所以复合绝缘子等效于瓷绝缘子1.3～1.4倍的绝缘水平。但是复合绝缘子的工频干闪电压比瓷绝缘子低，这说明瓷绝缘子耐受系统过电压的水平要大大好于复合绝缘子。
2、由于复合绝缘子是外胶装结构，无零值，克服了内胶装绝缘子脚球根部强烈电化学腐蚀锈烂的弊端，提高了绝缘子的安全可靠性和使用寿命。
3、复合绝缘子是棒型绝缘结构，一般不发生内部击穿事故，其绝缘强度高、无零值，所以也不需要象瓷绝缘子一样定期清扫和检测零值，减轻了送电线路的维护工作量，大大提高劳动生产率。
4、复合绝缘子重量轻，体积小，不易破碎，方便了运输和施工。
复合绝缘子在电力施工和平时的运输过程中严禁硬物撞击、碰擦，特别是施工人员站在导线上安装、更换完复合绝缘子以后，要特别注意，不能用手紧抓复合绝缘子的伞裙及芯棒，更不能用脚踩踏复合绝缘子的任何部位，因复合绝缘子的伞裙材料为硅橡胶，质地比较柔嫩，极易受损伤而导致粘接层的密封性被破坏，导致复合绝缘子的绝缘性能下降[2-3]。
(五) 复合绝缘子使用的注意事项
特高压线路中使用度和绝缘子必须注意一下几个问题：
1、研究大吨位复合绝缘子的长期机械性能与短期机械性能的关系，建立相应的试验方法和规范，这样才能保证线路长期可靠的运行。
2、在这么高的电压等级下，复合绝缘子的均压设计非常重要，合理的设计对于降低无线电干扰和电晕、延缓伞群老化、降低意外事故等都有很大的作用。
3、合理的设计招弧，避免可能的雷击电弧对于绝缘子的伤害。
4、完善机械设计，使单串绝缘断串导线不落地。
5、完善实验、验收方法和标准，避免性能不佳的产品挂网运行。
6、控制伞群和芯棒材料的选材，优化生产工艺，尽可能丛源头降低运行事故的发生。
7、合理的建立运输、储存、施工搬运、起吊、攀爬等规程，严格限制施工期间造成的复合绝缘子“内伤”。
8、建立合理的巡查和维护方法，尽量做到防患于未然[4]。
(六) 复合绝缘子电场分析课题引出
本次项目大课题题目是“复合绝缘子在输电线路运用的电场分析计算”，即是对复合绝缘子使用注意事项（2）“复合绝缘子电场均压设计”进行研究探讨，旨在优化复合绝缘子场域电压。复合绝缘子由于其优良的特性, 在特高压直流输电工程的外绝缘选择中具有明显的优势。但复合绝缘子的外形特点、金具结构和硅橡胶材料的低电导率, 使电位分布极不均匀在线路侧和杆塔侧的绝缘子两端金具附近有高电场区域当绝缘子和金具表面场强超过电晕起始场强会产生电晕放电, 进而对电磁环境、绝缘材料的运行特性等产生影响。本文基于有限元数值仿真计算方法, 建立了特高压直流线路复合绝缘子三维电场仿真模型。
本项目研究开发的目的就是针对江苏某电气设备有限公司生产的复合绝缘子，研究其内部伞形结构和均压环对电场分布的影响，进而采用智能算法优化其内部结构，得到更加均匀的电场分布。均压环通过与绝缘子并联的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。均压环在 220 kV 电压等级线路上通常仅安装在复合成绝缘子高压端，当线路电压等级超过 330 kV 时，复合绝缘子的高压端和接地端均需安装均压环。然而，并不是任意结构参数的均压环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，均压环的结构参数及安装位置等因素将直接影响绝缘子表面的沿面电位分布；同时，当均压环自身的表面电场强度超过 2.2kV/mm 时，均压环自身也会产生电晕，这样反而使得绝缘子的绝缘性能降低。因此，本课题采用最优化技术研究最优结构的合成绝缘子均压环以改善合成绝缘子沿面电场和电位分布，具有重要的学术意义和工程应用价值。另外，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也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，也具有重要的学术意义和工程应用价值。
(七) 复合绝缘子电场分析的研究现状
随着控制装置向计算机化、网络化、智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化方面的快速发展，对于复合绝缘子的研究也是百家争鸣。本课题的研究，旨在通过全场域的电场数值计算，得到优化的内部结构，使得电场分布更加均匀，提高复合绝缘子绝缘性能，优化绝缘设计。计算机和数值分析技术的发展渐近成熟，工程中越来越多的电磁场问题依靠数值计算得到解决。司马文霞,杨庆,孙才等人基于有限元和神经网络方法超高压复合绝缘子均压环结构进行优化[12]；黄道春，阮江军，刘守豹等对特高压交流复合绝缘子电位和均压环表面电场分布进行了计算，并提出了优化方案[13]；丁京玲对±800kV直流棒形悬式复合绝缘子电场优化问题也进行过研究。工程教育的内容随着工程实践的内容不断更新。开设电磁场数值计算课程是非常必要的。一方面，通过电磁场数值计算的学习，可以加深对工程电磁场的理解；另一方面，学生可以学到更多实用的知识。
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