電磁場數(shù)值仿真實驗報告

1、研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報告）科 目： 現(xiàn)代電工工程問題 教 師： 建模與仿真 姓 名： 學 號： 20161102122t專 業(yè)： 電氣工程 類 別： 學術型 上課時間： 2017年 3 月至 2017 年 4 月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學研究生院劣化絕緣子對懸垂串電場分布特性的影響摘要：劣化絕緣子的存在會直接威脅到電力系統(tǒng)的安全運行。針對這一問題，本文利用ANSYS有限元分析軟件，采用準靜態(tài)諧分析方法，建立了絕緣子二維電場計算模型來分析絕緣子在正常情況下和存在缺陷時的電場及電位分布。通過分析對比串中有/無劣化絕緣子

2、時的空間電場分布特性，發(fā)現(xiàn)：劣化絕緣子對空間軸向電場分量影響最大；測量距離越遠，其空間軸向電場的變化率越??；劣化絕緣子位置靠近高壓端時，其空間軸向電場變化率增加，中間位置時最小且基本不變，靠近低壓端時又略微增加；2片絕緣子連續(xù)劣化比不連續(xù)劣化引起空間軸向電場變化率大；通過分析絕緣子串空間軸向電場的變化能夠判斷出劣化絕緣子及其位置。1 .模型的建立本模型采用XP-160型陶瓷絕緣子，其結構和尺寸1如圖1所示：圖1 XP-160型陶瓷絕緣子其中D=255mm，H=155mm。因為懸掛時的絕緣子串為軸對稱結構，因此選用2D模型進行仿真，其材料相對介電常數(shù)設置2如表1所示：表1 各介質材料的相對介電常

3、數(shù)介質材料空氣陶瓷水泥相對介電常數(shù)1.06.014.0該模型建模的主要工作在于陶瓷的形狀較為復雜，本文采用了如下方法：1） 利用圖片處理軟件Photoshop讀取結構圖的關鍵點坐標信息，如圖2所示；圖Error! Main Document Only. Photoshop讀取坐標2） 利用matlab編寫程序，輸入絕緣子實際尺寸即可得到陶瓷表面關鍵點的坐標，程序代碼見附錄；3） 新建一個2D Design，設置Solution Type為Electrostatic，模式為Cylindrical about Z；4） 利用曲線工具，將得到的關鍵點實際坐標輸入（絕對值），即可得到衫裙的曲面模型。用

4、同樣的方法繪制鋼帽的輪廓模型。用矩形工具和橢圓工具繪制出鋼腳模型，其中矩形寬4mm，高45mm，橢圓長軸4mm，長短軸比為2.5。用矩形工具繪制出水泥區(qū)域。將上述各模型互相相減（Clone tool objects before operation）。5） 修改材料。由于沒有預設的陶瓷材料，選用玻璃材質3glass，按照表1修改該模型后命名為ceramic (glass為5.5) ，模型命名為gap5，并修改其顏色為棕色。鋼帽和鋼腳選用steel_stainless，模型命名為pin和hat，顏色設置為銀色。水泥clone玻璃材料模型，按照表1設置介電常數(shù)，材料命名為cement，模型命名為c

5、mt，顏色設置為灰色。得到的單個絕緣子模型如圖3所示。 圖3 絕緣子模型6） 利用復制一系列該模型構成絕緣子串。假定該絕緣子用于220kV的輸電線路，根據(jù)文獻3按照公式1計算絕緣子的個數(shù)。 (1)式中 n絕緣子片數(shù)； Um系統(tǒng)最高頻（線）電壓有效值，kV； Ke絕緣子爬電距離有效系數(shù)。計算后決定采用13片XP-160型絕緣子，從高壓側到接地側分別用113號標識，復制間隔為82mm，結果如圖4所示。 圖4絕緣子串2 激勵和求解設置對于220kV的線路，相電壓峰值179kV。所以直接設置低端鋼帽電壓為179kV，頂端鋼帽接地為0kV，作為仿真的激勵。文獻仿真1表明，空氣介質厚度大于4.0 m時對計

6、算結果的影響不明顯，具體見圖5。因此，本文仿真計算時取空氣介質厚度為4.0m，換算之后按照圖6設置region。圖5空氣介質厚度改變時絕緣子串周圍空間的電場分布圖6求解域設置設置Solve Setup，采用默認的設置參數(shù)，點擊確定。新建一個網(wǎng)格劃分，設置單元格最大長度為20mm，運行一次仿真，觀察其剖分結果如圖7所示，觀察認為該剖分密度合理。 圖7網(wǎng)格劃分為了繪制沿平行z軸的電場強度分布曲線，需要設置三條直線。用直線工具，設置三條直線的端點分別為：A1(100,0,0)，A2(100,0,990)，B1(150,0,0)，B2(150,0,990)，C1(200,0,0)，C2(200,0,9

7、90)，如圖8所示。圖8參考線位置3 劣化絕緣子建模劣化瓷絕緣子在運行狀態(tài)下時，其鋼帽與鋼腳之間的瓷和水泥中存在的非貫穿和貫穿性空氣間隙會被擊穿而短路4。仿真時對于存在貫穿性氣隙的劣化絕緣子（零值絕緣子）設置其鋼帽與鋼腳之間的絕緣部分為金屬導體材料屬性。對于存在非貫穿性氣隙的劣化絕緣子（低值絕緣子）設置其鋼帽與鋼腳之間絕緣中的氣隙部分為金屬導體材料屬性，其余部分仍設置為絕緣材料屬性。由于低值絕緣子主要是部分裂痕導致絕緣性能下降，電壓分布會分布不均，用二維模型無法仿真。因此新建一個3D模型，將原來的2D模型復制進來，全選后選擇draw-sweep along axis，沿z軸旋轉就可以得到三維模

8、型如圖9所示。圖9三維模型對于低值絕緣子，為了仿真絕緣子部分裂紋并且在裂紋出發(fā)生放電的情況，選擇4號絕緣子作導體缺陷模型。建立一個長方體導體，導體參數(shù)為起點（-2.5 ,-2.5 ,815），xyz方向上的尺寸分別為5mm，45mm，5mm，如所示連通了鋼帽和鋼腳，把相原件合理Boolean處理。即仿真了傘裙存在如圖10和圖11所示的絕緣失效缺陷。圖10缺陷仿真模型圖11傘裙的缺陷示意圖按照2D模型的設置參數(shù)設置3D模型的求解類型、激勵源，求解域和剖分方法，剖分結果如圖12所示。圖12 3D模型剖分網(wǎng)格4 良好絕緣子串的電場分布情況良好瓷絕緣子串的電位分布如圖13所示，注意到在絕緣子串上下兩端

9、的金屬部位附近電位變化明顯，對應電場強度較大。圖13良好絕緣子串電位分布接下來觀察電場強度的分布，直接在all objects中繪制的E分布如圖14所示?？梢娫诳拷鼉蓸O的鋼帽和傘裙間存在最強的電場高達342kV/cm。為了更加便于觀察其它區(qū)域的電場強度，雙擊color bar，設置scale標簽下的num，選擇Use Limit，并設置最大值為3E+6，即30kV/cm。得到的結果如圖15所示。圖14正常絕緣子串電場強度分布圖15接地端電場強度分布圖 16接地端絕緣子電場線分布圖 17接地端絕緣子等電位線分布為了更直觀地表現(xiàn)電場的具體分布情況，沿著z軸方向上畫三根場強參考線，用rectangl

10、e plot工具畫出其電場強度變化曲線。得到的良好瓷絕緣子串的電場分布如圖18所示，圖中d為電場測量參考線或測量參考點到絕緣子串中軸的距離。由圖可知：1）整串絕緣子的電場分布極不均勻。以d=100mm時為例，靠近高壓側第1片絕緣子電場值較高，達到25.4V/m，中部絕緣子電場值較低，中間一片最高僅為3.85V/m，接地側絕緣子電場值最高為20.4kV/cm，略低于高壓側。2）沿瓷絕緣子傘裙空氣傘裙路徑的電場分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。電場分布曲線的波峰為靠近瓷表面空氣中的電場值；波谷為瓷中的電場值。在靠近傘裙下表面的空氣中，電場出現(xiàn)極大值，進入傘裙后電場值逐漸減小，但減小量很小且保持較小的電場值；

11、從傘裙進入空氣后，靠近傘裙上表面附近空氣中的電場再次出現(xiàn)極大值；隨后在2個傘裙之間的空氣中電場值逐漸減小，在下一片絕緣子傘裙與空氣的交界面處急劇減小，進入傘裙后再次出現(xiàn)極小值，當再次從傘裙進入空氣時電場再次出現(xiàn)極大值；位于高壓端的傘裙內(nèi)部及其之間的空氣中電場值較大，中部的最小，低壓端的略微增加。因此，每片絕緣子的電場最大值均出現(xiàn)在靠近傘裙表面附近的空氣中。 0.00200.00400.00600.00800.00999.87Distance mm0.005.0010.0015.0020.0025.0029.97Mag_E V_per_meterMaxwell2DDesign2Curve Inf

12、oD=100mmD=150mmD=200mm圖18良好絕緣子串的電場分布5 劣質絕緣子串的電場分布情況5.1零值問題仿真取d=200mm，分別將2,7,11設置為零質絕緣子，其電位分布仿真結果如圖19所示。 0.00200.00400.00600.00800.001000.00Distance mm1.002.253.504.756.007.258.50Mag_E V_per_meterMaxwell2DDesign2Curve Info2號零值7號零值11號零值優(yōu) 質2號7號11號圖19零值問題場強曲線可以看出，當靠近兩端的絕緣子存在零值問題時，其附近的電場強度會增加，而中間部位的反而會降低

13、。但是對于兩端的絕緣子而言，零值問題反映到場強曲線是附近絕緣子的場強的增加，因此考慮用電場變化率來定位零質絕緣子?？梢钥闯?，劣化絕緣子位置靠近高壓端時，其空間軸向電場變化率增加，中間位置時最小且基本不變，靠近低壓端時又略微增加。進一步分析當有兩個零值絕緣子存在時的問題。令7和11同時為零值，與他們單獨為零值時的結果進行對比，結果如圖20。 0.00200.00400.00600.00800.001000.00Distance mm1.002.003.004.005.006.007.008.009.00Mag_E V_per_meterMaxwell2DDesign2Curve Info7,11

14、零值11零值7零值圖20多個零值絕緣子場強曲線可以看出，當7和11號絕緣子同時存在問題時，電壓分布曲線同時具有兩個絕緣子單獨缺陷的特征，即7號絕緣子附近場強變低，11號附近急劇升高，這也意味著：2片絕緣子連續(xù)劣化比不連續(xù)劣化引起空間軸向電場變化率大。6 總結仿真目前還存在下述問題有待解決：在極其微小的存在特別強的電場強度，如圖21所示。其最大電場強度超過了340kV/cm，而通常認為空氣的擊穿場強為30 kV/cm，如果計算正確此處應該發(fā)生放電。 圖21電場異常點圖22異常點的位置對于這一問題，可能可以通過該處模型優(yōu)化來避免。對于三維模型，再加入曲缺陷之前能正常仿真，加入缺陷后仿真結果存在問題，可能模型存在問題或與該處尺度變化有關，也可能是仿真軟件的許可信息系統(tǒng)出現(xiàn)問題，有待進一步解決。參考文獻1蔣興良，舒立春，孫才新.電力系應用污穢與覆冰絕緣M.2009.2蔣興良，夏強峰，胡琴，舒立春，孫才新.劣化絕緣子對懸垂串電場分布特性的影響J.中國電機工程學報.2010.3楊保初，劉曉波，戴玉松.高電壓技術. M.2002.4安玲架空輸電線路狀態(tài)檢修技術D上海交通大學，20025維基百科.Insulator (electricity). /wiki/Insulator_(electricity).附錄