悬式覆冰绝缘子串绝缘性能分析

1、本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目： 悬式覆冰绝缘子绝缘性能分析 学 院：电气工程学院 专业班级：电气工程及其自动化0905 班学生姓名：艾蘅 学 号：090301160g 导师姓名：李静 开题时间：2013 年 3 月 12 日1课题背景及意义1.1课题研究背景、目的及意义覆冰和积雪对于电力系统来说，是一种严重的自然灾害，它常常引起输电线路倒杆、倒塔，导线舞动、断线（股），金具损伤及损坏，导线相间或对地放电，缘子串闪络跳闸等重大事故，给电力系统的安全稳定运行带来严重危害。我国是世界上输电线路及绝缘子串冰害最严重的国家之一，每年的冬季和初春季节，我国的北方地区都会出现大范围的雨雪天气，而在

2、西南和华南地区出现程度不同的寒潮阴雨天气，造成了这个季节很多地区经常出现大面积的输电线路覆冰事故1,2,3。我国领土辽阔，地形地貌复杂，位于亚欧大陆东南，濒临太平洋。地貌类型多样，山多而高，地势西高东低，以青藏高原为基点，呈阶梯状向东倾斜，形成西高东低的梯级大斜面：山地、丘陵、高原、盆地和平原等地貌类型齐全，其中海拔在 1000m 以上的山地和高原超过全国土地总面积的 2/3。独特的地理条件对我国的气候有强烈的影响，气候的特征是季风盛行、大陆性强、复杂多样4。地理因素决定我国的输电线路走廊必然要穿过高海拔、覆冰、污秽等恶劣而复杂的气候环境地区，我国是世界上输电线路冰害最严重的国家之一。输电线路

3、覆冰是一种严重的自然灾害，可引发输电线路过荷载、导线舞动、绝缘子串闪络等事故，严重危害电力系统的安全运行。最早有记录的输电线路覆冰事故出现在 1932 年5,6，在此之后，国内外均有大量关于覆冰积雪造成输电线路事故的报道。我国是世界上输电线路及绝缘子串冰害最严重的国家之一，每年的冬季和初春季节，我国的北方地区都会出现大范围的雨雪天气，而在西南和华南地区出现程度不同的寒潮阴雨天气，造成了这个季节很多地区经常出现大面积的输电线路覆冰事故7,8,9：1974-1976 年在全国范围内电力系统发生了大面积冰灾事故；1984 年贵州电力系统发生了大范围的架空线路覆冰事故，全省有 27.37%的线路跳闸；

4、2005 年春节期间，在湖南、湖北以及重庆地区，由于连续大范围雨雪天气，出现了冰灾，影响生产和生活长达一个多月；2008 年，一场百年罕见的大面积雨雪影响了我国南方大部分地区的十几个省，由于持续的雨雪冰冻天气，导致输电线路大面积覆冰，输电铁塔不堪重负倒塌断线，电力设施遭到前所未有的破坏，供电线路大范围中断，给人民的生产生活造成了巨大的损失。因此，深入系统的研究覆冰绝缘子串，为覆冰地区的输电线路外绝缘设计提供必要的理论和试验依据，已成为当前迫切需要解决的难题，本课题的研究大大有助于本学科领域理论研究的进步。1.2 课题国内外研究现状及趋势人工气候室内进行人工覆冰的方法日前尚无标准，参照 IEEE

5、 Std4 和许多研究经验，建议10.11.12.13.14：人工覆冰过程中，人工气候室内的温度、风速和喷雾量应可控且能维持稳定；风速：(310)m/s；喷水量：(60 士 20)mm/h；过冷却水滴颗粒中值直径：(30100)µm；碰撞到覆冰表面时过冷却水滴的温度小于等于 0；来风方向与绝缘子串轴向夹角宜取约 450。试验绝缘子串覆冰的量度15,16,17：加拿大等国家在研究中采用监测转动圆柱导体的覆冰量及厚度作为试验绝缘子串的特征量；有的研究者和运行部门，采用覆冰或融冰水的电导率(0)、含盐量或等值附盐密度、泄漏电流、每片绝缘子串的平均覆冰量及平均覆冰厚度、片间冰柱桥接根数或最小

6、片间空气间隙大小等作为特征量；日前，大多数研究者认为，采用每片平均覆冰量、覆冰或融冰水电导率(0)、等值附盐密度等静态参数和泄漏电流等动态参数作为特征量能较为客观的反映真实情况。重庆大学蒋兴良博士研究发现18：带电与不带电时绝缘子串覆冰的状态有明显差异，带电时绝缘子串覆冰更为松散，且多呈松针状；带电时绝缘子串覆冰的密度比不带电时低，且其密度与电场强度、绝缘子串的形状、结构和覆冰国内外对绝缘子串的覆冰问题始于上个世纪的 50 年代。自从上个世纪 6070 年代以来覆冰对电力系统的危害就引起了我国广大电力工作者的关注。按照覆冰的方法可以划分为：自然覆冰和人工覆冰。自然覆冰是在严寒覆冰线段建立试验站

7、，或利用覆冰地区的实验运行线路做绝缘子串覆冰试验；人工覆冰是在人工气候室模拟自然条件进行的覆冰试验，是研究覆冰绝缘子串电气特性的主要手段。自然覆冰与人工覆冰的差别主要有：自然覆冰符合实际情况，试验时间长且难以控制，人工覆冰易于控制，重复性好；自然覆冰受地域和季节影响而人工覆冰不受地域与季节的限制；自然覆冰试验结果分散性很大而人工覆冰重复性好，可多次重复相同试验。因此，自然覆冰多被用来观测其覆冰特性及规律，而人工覆冰试验则多被用于闪络特性研究。水电导率等有明显关系；带电时绝缘子串覆冰过程较为复杂，涉及电磁学、热力学、流体力学等多方面过程。泄漏电流的影响：泄漏电流被用来作为研究覆冰绝缘子闪络特性的

8、一个重要参数。1965 年，Khalifa19对覆冰绝缘子串的闪络特性进行研究发现，覆冰绝缘子的临界泄漏电流小于污秽绝缘子的临界泄漏电流。Hara 做了泄漏电流对覆冰绝缘子闪络特性影响的试验20，白弧的临界电流大约为 18mA，覆冰期和冻冰期的临界电流值保持稳定，对于棒型绝缘子这个值大于 120mA，而瓷绝缘子为 180mA。复合绝缘子串及 PRTV 涂料对覆冰过程的影响21.22.23.24.25：在覆冰初始阶段，由于憎水性的作用，过冷却水滴不易附着在复合绝缘子串或有 PRTV 的绝缘子串上，覆冰速度较普通绝缘子串或未涂 PRTV 的慢，在复合绝缘子串或涂料表面形成颗粒状的不连续冰层，复合绝

9、缘子串或 PRTV 涂料表面粘结的也不如玻璃表面紧密，存在极微小的气隙，并且过冷却水滴易于流向伞裙边缘冻结成冰凌；由于复合绝缘子串或 PRTV 具有憎水性，覆冰一段时间以后，复合绝缘子串或 PRTV 绝缘子串表面被这种多气隙的颗粒状冰覆盖，增加了绝缘子串表面的粗糙度，从而更容易捕获水滴和阻滞水滴的流失，加速了覆冰的形成，而普通玻璃绝缘子串表面冰层却比较光滑，并且与玻璃表面粘结的紧密，即覆冰时间较长后，观察到两种绝缘子串的覆冰总量已无明显差异。交流电场对绝缘子串覆冰的影响26,27,28：交流电场对绝缘子串覆冰的影响主要体现在覆冰外观、覆冰重量、覆冰密度和覆冰速度。交流电场对覆冰形成的影响与空气

10、中过冷却水滴的直径、覆冰温度和电场强度有关。电吸力的作用使得覆冰量与覆冰密度增加；极化作用、粗糙度、泄漏电流以及绝缘子串表面各类放电现象使得覆冰量与覆冰密度减小。电场强度较小时，电场的吸引作用为主，覆冰量与冰密度增加；电场强度较大时，极化作用为主，覆冰量与冰密度降低。对于干增长的雾凇覆冰，电场的影响主要表现为极化作用和电吸力增加了覆冰表面的粗糙度，总的作用是使得覆冰质量增加，密度增大。对于湿增长的雨凇覆冰，电场的主要影响表现为焦耳热效应和几种与电晕放电相关的影响机理，且电斥力的作用很明显，总的作用是使得覆冰分布不均、覆冰质量减少、覆冰密度降低。2毕业设计研究内容及任务2.1 研究内容本次毕业设

11、计的主要内容有以下三点：通过查阅资料进行绝缘子串的设计，并利用ANSYS软件进行建模；研究绝缘子串覆冰后对其绝缘性能的影响；研究讨论冰层厚度，冰棱长度以及风速等其他宏观因素影响下的绝缘分析。2.2 设计思想及设计方案有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限

12、元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。所以说本次毕业设计会通过有限元来进行覆冰绝缘子串的绝缘分析。为了研究悬式覆冰绝缘子串的电场强度和分布特点，主要进行一下工作的研究。a) 查阅国内外相关文献、资料，了解其现状和发展动态，撰写文献综述；b) 掌握ANSYS软件的电场有限元分析方法；c) 了解绝缘子串尺寸、材料等数据，利用ANSYS建模；d) 通过改变外界宏观条件数据来分析其对于覆冰绝缘子串的绝缘特性的影响；e) 撰写毕业论文。2.3 毕业设计拟采用方

13、法和手段本文将通过阅读大量国内外文献，掌握绝缘子覆冰产生的机理和条件的同时，也对其背景、目的和研究意义有了深入了解，还掌握了对覆冰绝缘子电场分析许多其他方法和手段。为了兼顾计算速度和精确度，本次毕业设计做了以下简化处理：由于主要研究覆冰对复合绝缘子沿面电位分布的影响，而杆塔以及导线距离复合绝缘子较远，对覆冰复合绝缘子电位分布的影响相对于覆冰来说，影响很小，因此在计算中可忽略杆塔和导线的影响。而两端的连接金具的实体与圆柱体相似，所以在二维平面中把金具简化为长方形。复合绝缘子的场域是无界电场问题，而有限元法无法直接解决无界场域的计算，通过建立一个人工边界，使边界到绝缘子间的距离远远大于绝缘子本身的

14、长度并在边界上加载零电位。从工程近似的角度对模型进行了简化，将高压电极、地电极以及伞裙上的冰棱视为轴对称，建立复合绝缘子电位分布二维轴对称模型。如模型均压环抬高距取 0m，220kV 清洁复合绝缘子计算模型见图 1。基于ANYSY软件的应用，通过熟悉其操作和对电场的分析方法，建立悬式绝缘子覆冰数学模型以及算法，在校内通过计算机彷真，使所得结论与参考文献进行对比，验证结论正确与否，并对电场进行分析，得出在实际应用中相应问题的解决方法和实际意义。3毕业设计工作计划及进度安排第1周了解课题背景和国内外研究发展现状第2周了解课题背景和国内外研究发展现状第3周了解课题背景提出设计方案第4周撰写文献综述和

15、外文翻译第5周学习复合绝缘子结构提出计算模型第6周设计模型尺寸第7周采用ANSYS对悬式绝缘子建模第8周学习ANSYS绝缘分析第9周用ANSYS分析绝缘子电场分布第10周在绝缘子模型中加入覆冰层及水膜第11周改变冰棱长度，桥接前计算绝缘子电场第12周改变冰棱长度，桥接前计算绝缘子电场第13周桥接后计算覆冰厚度对绝缘子点位影响第14周总结，结果分析第15周撰写论文第16周撰写论文，预答辩4参考文献1武力会. 海拔 2500m 以下污秽覆冰绝缘子直流闪络特性及机理研究D. 重庆: 重庆大学, 20032贾逸梅, 粟福珩. 高压输电线路绝缘子的覆冰及对电气强度的影响J. 中国电力, 1994, (3

16、): 9123贾逸梅, 史惠萍. 绝缘子的覆冰及覆冰绝缘子的放电特性J. 广西电力技术,1995, (3): 20-24.4 腾中林. 冰厚度随高度的变化J. 天气月报, 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武力会. 海拔 2500m 以下污秽覆冰绝缘子直流闪络特性及机理研究D. 重庆: 重庆大学, 20038贾逸梅, 粟福珩. 高压输电线路绝缘子的覆冰及对电气强度的影响J. 中国电力, 1994, (3): 9129贾逸梅, 史惠萍. 绝缘子的覆冰及覆冰绝缘子的放电特性J. 广西电力技术,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蒋兴良,孙利朋,黄斌,卢杰,盛道伟.交流电场对复合绝缘子覆冰过程的影响J.电网技术.2009,33(4):77-8019M.M. Khalifa, R.M. Morris, Performance of Line Insulators under Rime iceJ. IEEE Transactions on Power Apparatus and