懸式覆冰絕緣子串絕緣性能分析

1、本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告論文題目： 懸式覆冰絕緣子絕緣性能分析 學(xué) 院：電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：電氣工程及其自動化0905 班學(xué)生姓名：艾蘅 學(xué) 號：090301160g 導(dǎo)師姓名：李靜 開題時間：2013 年 3 月 12 日1課題背景及意義1.1課題研究背景、目的及意義覆冰和積雪對于電力系統(tǒng)來說，是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，它常常引起輸電線路倒桿、倒塔，導(dǎo)線舞動、斷線（股），金具損傷及損壞，導(dǎo)線相間或?qū)Φ胤烹姡壸哟W絡(luò)跳閘等重大事故，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害。我國是世界上輸電線路及絕緣子串冰害最嚴(yán)重的國家之一，每年的冬季和初春季節(jié)，我國的北方地區(qū)都會出現(xiàn)大范圍的雨雪天氣，而在

2、西南和華南地區(qū)出現(xiàn)程度不同的寒潮陰雨天氣，造成了這個季節(jié)很多地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)大面積的輸電線路覆冰事故1,2,3。我國領(lǐng)土遼闊，地形地貌復(fù)雜，位于亞歐大陸東南，瀕臨太平洋。地貌類型多樣，山多而高，地勢西高東低，以青藏高原為基點(diǎn)，呈階梯狀向東傾斜，形成西高東低的梯級大斜面：山地、丘陵、高原、盆地和平原等地貌類型齊全，其中海拔在 1000m 以上的山地和高原超過全國土地總面積的 2/3。獨(dú)特的地理條件對我國的氣候有強(qiáng)烈的影響，氣候的特征是季風(fēng)盛行、大陸性強(qiáng)、復(fù)雜多樣4。地理因素決定我國的輸電線路走廊必然要穿過高海拔、覆冰、污穢等惡劣而復(fù)雜的氣候環(huán)境地區(qū)，我國是世界上輸電線路冰害最嚴(yán)重的國家之一。輸電線路

3、覆冰是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，可引發(fā)輸電線路過荷載、導(dǎo)線舞動、絕緣子串閃絡(luò)等事故，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。最早有記錄的輸電線路覆冰事故出現(xiàn)在 1932 年5,6，在此之后，國內(nèi)外均有大量關(guān)于覆冰積雪造成輸電線路事故的報道。我國是世界上輸電線路及絕緣子串冰害最嚴(yán)重的國家之一，每年的冬季和初春季節(jié)，我國的北方地區(qū)都會出現(xiàn)大范圍的雨雪天氣，而在西南和華南地區(qū)出現(xiàn)程度不同的寒潮陰雨天氣，造成了這個季節(jié)很多地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)大面積的輸電線路覆冰事故7,8,9：1974-1976 年在全國范圍內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)生了大面積冰災(zāi)事故；1984 年貴州電力系統(tǒng)發(fā)生了大范圍的架空線路覆冰事故，全省有 27.37%的線路跳閘；

4、2005 年春節(jié)期間，在湖南、湖北以及重慶地區(qū)，由于連續(xù)大范圍雨雪天氣，出現(xiàn)了冰災(zāi)，影響生產(chǎn)和生活長達(dá)一個多月；2008 年，一場百年罕見的大面積雨雪影響了我國南方大部分地區(qū)的十幾個省，由于持續(xù)的雨雪冰凍天氣，導(dǎo)致輸電線路大面積覆冰，輸電鐵塔不堪重負(fù)倒塌斷線，電力設(shè)施遭到前所未有的破壞，供電線路大范圍中斷，給人民的生產(chǎn)生活造成了巨大的損失。因此，深入系統(tǒng)的研究覆冰絕緣子串，為覆冰地區(qū)的輸電線路外絕緣設(shè)計提供必要的理論和試驗依據(jù)，已成為當(dāng)前迫切需要解決的難題，本課題的研究大大有助于本學(xué)科領(lǐng)域理論研究的進(jìn)步。1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢人工氣候室內(nèi)進(jìn)行人工覆冰的方法日前尚無標(biāo)準(zhǔn)，參照 IEEE

5、 Std4 和許多研究經(jīng)驗，建議10.11.12.13.14：人工覆冰過程中，人工氣候室內(nèi)的溫度、風(fēng)速和噴霧量應(yīng)可控且能維持穩(wěn)定；風(fēng)速：(310)m/s；噴水量：(60 士 20)mm/h；過冷卻水滴顆粒中值直徑：(30100)µm；碰撞到覆冰表面時過冷卻水滴的溫度小于等于 0；來風(fēng)方向與絕緣子串軸向夾角宜取約 450。試驗絕緣子串覆冰的量度15,16,17：加拿大等國家在研究中采用監(jiān)測轉(zhuǎn)動圓柱導(dǎo)體的覆冰量及厚度作為試驗絕緣子串的特征量；有的研究者和運(yùn)行部門，采用覆冰或融冰水的電導(dǎo)率(0)、含鹽量或等值附鹽密度、泄漏電流、每片絕緣子串的平均覆冰量及平均覆冰厚度、片間冰柱橋接根數(shù)或最小

6、片間空氣間隙大小等作為特征量；日前，大多數(shù)研究者認(rèn)為，采用每片平均覆冰量、覆冰或融冰水電導(dǎo)率(0)、等值附鹽密度等靜態(tài)參數(shù)和泄漏電流等動態(tài)參數(shù)作為特征量能較為客觀的反映真實(shí)情況。重慶大學(xué)蔣興良博士研究發(fā)現(xiàn)18：帶電與不帶電時絕緣子串覆冰的狀態(tài)有明顯差異，帶電時絕緣子串覆冰更為松散，且多呈松針狀；帶電時絕緣子串覆冰的密度比不帶電時低，且其密度與電場強(qiáng)度、絕緣子串的形狀、結(jié)構(gòu)和覆冰國內(nèi)外對絕緣子串的覆冰問題始于上個世紀(jì)的 50 年代。自從上個世紀(jì) 6070 年代以來覆冰對電力系統(tǒng)的危害就引起了我國廣大電力工作者的關(guān)注。按照覆冰的方法可以劃分為：自然覆冰和人工覆冰。自然覆冰是在嚴(yán)寒覆冰線段建立試驗站

7、，或利用覆冰地區(qū)的實(shí)驗運(yùn)行線路做絕緣子串覆冰試驗；人工覆冰是在人工氣候室模擬自然條件進(jìn)行的覆冰試驗，是研究覆冰絕緣子串電氣特性的主要手段。自然覆冰與人工覆冰的差別主要有：自然覆冰符合實(shí)際情況，試驗時間長且難以控制，人工覆冰易于控制，重復(fù)性好；自然覆冰受地域和季節(jié)影響而人工覆冰不受地域與季節(jié)的限制；自然覆冰試驗結(jié)果分散性很大而人工覆冰重復(fù)性好，可多次重復(fù)相同試驗。因此，自然覆冰多被用來觀測其覆冰特性及規(guī)律，而人工覆冰試驗則多被用于閃絡(luò)特性研究。水電導(dǎo)率等有明顯關(guān)系；帶電時絕緣子串覆冰過程較為復(fù)雜，涉及電磁學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等多方面過程。泄漏電流的影響：泄漏電流被用來作為研究覆冰絕緣子閃絡(luò)特性的

8、一個重要參數(shù)。1965 年，Khalifa19對覆冰絕緣子串的閃絡(luò)特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，覆冰絕緣子的臨界泄漏電流小于污穢絕緣子的臨界泄漏電流。Hara 做了泄漏電流對覆冰絕緣子閃絡(luò)特性影響的試驗20，白弧的臨界電流大約為 18mA，覆冰期和凍冰期的臨界電流值保持穩(wěn)定，對于棒型絕緣子這個值大于 120mA，而瓷絕緣子為 180mA。復(fù)合絕緣子串及 PRTV 涂料對覆冰過程的影響21.22.23.24.25：在覆冰初始階段，由于憎水性的作用，過冷卻水滴不易附著在復(fù)合絕緣子串或有 PRTV 的絕緣子串上，覆冰速度較普通絕緣子串或未涂 PRTV 的慢，在復(fù)合絕緣子串或涂料表面形成顆粒狀的不連續(xù)冰層，復(fù)合絕

9、緣子串或 PRTV 涂料表面粘結(jié)的也不如玻璃表面緊密，存在極微小的氣隙，并且過冷卻水滴易于流向傘裙邊緣凍結(jié)成冰凌；由于復(fù)合絕緣子串或 PRTV 具有憎水性，覆冰一段時間以后，復(fù)合絕緣子串或 PRTV 絕緣子串表面被這種多氣隙的顆粒狀冰覆蓋，增加了絕緣子串表面的粗糙度，從而更容易捕獲水滴和阻滯水滴的流失，加速了覆冰的形成，而普通玻璃絕緣子串表面冰層卻比較光滑，并且與玻璃表面粘結(jié)的緊密，即覆冰時間較長后，觀察到兩種絕緣子串的覆冰總量已無明顯差異。交流電場對絕緣子串覆冰的影響26,27,28：交流電場對絕緣子串覆冰的影響主要體現(xiàn)在覆冰外觀、覆冰重量、覆冰密度和覆冰速度。交流電場對覆冰形成的影響與空氣

10、中過冷卻水滴的直徑、覆冰溫度和電場強(qiáng)度有關(guān)。電吸力的作用使得覆冰量與覆冰密度增加；極化作用、粗糙度、泄漏電流以及絕緣子串表面各類放電現(xiàn)象使得覆冰量與覆冰密度減小。電場強(qiáng)度較小時，電場的吸引作用為主，覆冰量與冰密度增加；電場強(qiáng)度較大時，極化作用為主，覆冰量與冰密度降低。對于干增長的霧凇覆冰，電場的影響主要表現(xiàn)為極化作用和電吸力增加了覆冰表面的粗糙度，總的作用是使得覆冰質(zhì)量增加，密度增大。對于濕增長的雨凇覆冰，電場的主要影響表現(xiàn)為焦耳熱效應(yīng)和幾種與電暈放電相關(guān)的影響機(jī)理，且電斥力的作用很明顯，總的作用是使得覆冰分布不均、覆冰質(zhì)量減少、覆冰密度降低。2畢業(yè)設(shè)計研究內(nèi)容及任務(wù)2.1 研究內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)

11、計的主要內(nèi)容有以下三點(diǎn)：通過查閱資料進(jìn)行絕緣子串的設(shè)計，并利用ANSYS軟件進(jìn)行建模；研究絕緣子串覆冰后對其絕緣性能的影響；研究討論冰層厚度，冰棱長度以及風(fēng)速等其他宏觀因素影響下的絕緣分析。2.2 設(shè)計思想及設(shè)計方案有限元法（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實(shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限

12、元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機(jī)設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。所以說本次畢業(yè)設(shè)計會通過有限元來進(jìn)行覆冰絕緣子串的絕緣分析。為了研究懸式覆冰絕緣子串的電場強(qiáng)度和分布特點(diǎn)，主要進(jìn)行一下工作的研究。a) 查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、資料，了解其現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，撰寫文獻(xiàn)綜述；b) 掌握ANSYS軟件的電場有限元分析方法；c) 了解絕緣子串尺寸、材料等數(shù)據(jù)，利用ANSYS建模；d) 通過改變外界宏觀條件數(shù)據(jù)來分析其對于覆冰絕緣子串的絕緣特性的影響；e) 撰寫畢業(yè)論文。2.3 畢業(yè)設(shè)計擬采用方

13、法和手段本文將通過閱讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，掌握絕緣子覆冰產(chǎn)生的機(jī)理和條件的同時，也對其背景、目的和研究意義有了深入了解，還掌握了對覆冰絕緣子電場分析許多其他方法和手段。為了兼顧計算速度和精確度，本次畢業(yè)設(shè)計做了以下簡化處理：由于主要研究覆冰對復(fù)合絕緣子沿面電位分布的影響，而桿塔以及導(dǎo)線距離復(fù)合絕緣子較遠(yuǎn)，對覆冰復(fù)合絕緣子電位分布的影響相對于覆冰來說，影響很小，因此在計算中可忽略桿塔和導(dǎo)線的影響。而兩端的連接金具的實(shí)體與圓柱體相似，所以在二維平面中把金具簡化為長方形。復(fù)合絕緣子的場域是無界電場問題，而有限元法無法直接解決無界場域的計算，通過建立一個人工邊界，使邊界到絕緣子間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣子本身的

14、長度并在邊界上加載零電位。從工程近似的角度對模型進(jìn)行了簡化，將高壓電極、地電極以及傘裙上的冰棱視為軸對稱，建立復(fù)合絕緣子電位分布二維軸對稱模型。如模型均壓環(huán)抬高距取 0m，220kV 清潔復(fù)合絕緣子計算模型見圖 1?；贏NYSY軟件的應(yīng)用，通過熟悉其操作和對電場的分析方法，建立懸式絕緣子覆冰數(shù)學(xué)模型以及算法，在校內(nèi)通過計算機(jī)彷真，使所得結(jié)論與參考文獻(xiàn)進(jìn)行對比，驗證結(jié)論正確與否，并對電場進(jìn)行分析，得出在實(shí)際應(yīng)用中相應(yīng)問題的解決方法和實(shí)際意義。3畢業(yè)設(shè)計工作計劃及進(jìn)度安排第1周了解課題背景和國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀第2周了解課題背景和國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀第3周了解課題背景提出設(shè)計方案第4周撰寫文獻(xiàn)綜述和

15、外文翻譯第5周學(xué)習(xí)復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)提出計算模型第6周設(shè)計模型尺寸第7周采用ANSYS對懸式絕緣子建模第8周學(xué)習(xí)ANSYS絕緣分析第9周用ANSYS分析絕緣子電場分布第10周在絕緣子模型中加入覆冰層及水膜第11周改變冰棱長度，橋接前計算絕緣子電場第12周改變冰棱長度，橋接前計算絕緣子電場第13周橋接后計算覆冰厚度對絕緣子點(diǎn)位影響第14周總結(jié)，結(jié)果分析第15周撰寫論文第16周撰寫論文，預(yù)答辯4參考文獻(xiàn)1武力會. 海拔 2500m 以下污穢覆冰絕緣子直流閃絡(luò)特性及機(jī)理研究D. 重慶: 重慶大學(xué), 20032賈逸梅, 粟福珩. 高壓輸電線路絕緣子的覆冰及對電氣強(qiáng)度的影響J. 中國電力, 1994, (3

16、): 9123賈逸梅, 史惠萍. 絕緣子的覆冰及覆冰絕緣子的放電特性J. 廣西電力技術(shù),1995, (3): 20-24.4 騰中林. 冰厚度隨高度的變化J. 天氣月報, 1959, 13(3): 7-11.5 Imai I. Studies of ice accretion J. Res. Snow Ice, 1953, 1(3): 35-44.6 Daisuke Kuroiwa. Icing and snow accretion J. Monograph Series of the Research Institute of Applied Electricity, 1958, 6(5):

17、 1-30.7武力會. 海拔 2500m 以下污穢覆冰絕緣子直流閃絡(luò)特性及機(jī)理研究D. 重慶: 重慶大學(xué), 20038賈逸梅, 粟福珩. 高壓輸電線路絕緣子的覆冰及對電氣強(qiáng)度的影響J. 中國電力, 1994, (3): 9129賈逸梅, 史惠萍. 絕緣子的覆冰及覆冰絕緣子的放電特性J. 廣西電力技術(shù),1995, (3): 20-24.10Charneski M.D., Gaibrois G.L., Whitney, B.F. Flashover Tests of Artificially Iced InsulatorsJ. IEEE Transactions on Power Apparatu

18、s and Systems,1982,V101(8):2429-243311Farzaneh M., Baker T., Bernstorf A., et al. Insulator Icing Test Methods and Procedures: A Position Paper Prepared By the IEEE Task Force on Insulator Icing Test Methods. IEEE Transactions on Power Delivery and Systems. 1999, V2:695-69812M. Farzaneh, J.F. Drapea

19、u. AC Flashover Performance of Insulators Covered With Artificial Ice. IEEE Transactions on Power Delivery and Systems. 1995, V12(2):1038-105113IEEE Standard Techniques for High-Voltage Testing, IEEE.Std.4. IEEEPublication, Oct.199514M. Farzaneh, J. Kiernicki. Flashover Performance of IEEE Standard

20、Insulators under Ice Conditions. IEEE Transactions on Power Delivery and Systems. 1997,V12:1602161315M. Farzaneh, J.L. Laforte. Effect of Voltage Polarity on Icicles Grown on Line InsulatorsJ. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 1992,V2(4):298-30216M. Farzaneh, J. Kiernicki. Fla

21、shover Problems Caused by Build-up onInsulatorsJ. IEEE Electrical Insulation Society. 1995,V11(2):5-17.17Kwadwo Poku Owusu. Capacitive Probe for Ice Detection and Accretion Rate Measurement: Proof of ConceptD. University of Manitonba,201018蔣興良,孫利朋,黃斌,盧杰,盛道偉.交流電場對復(fù)合絕緣子覆冰過程的影響J.電網(wǎng)技術(shù).2009,33(4):77-8019M.M. Khalifa, R.M. Morris, Performance of Line Insulators under Rime iceJ. IEEE Transactions on Power Apparatus and