电磁场数值仿真实验报告

1、研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科 目： 现代电工工程问题 教 师： 建模与仿真 姓 名： 学 号： 20161102122t专 业： 电气工程 类 别： 学术型 上课时间： 2017年 3 月至 2017 年 4 月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 重庆大学研究生院劣化绝缘子对悬垂串电场分布特性的影响摘要：劣化绝缘子的存在会直接威胁到电力系统的安全运行。针对这一问题，本文利用ANSYS有限元分析软件，采用准静态谐分析方法，建立了绝缘子二维电场计算模型来分析绝缘子在正常情况下和存在缺陷时的电场及电位分布。通过分析对比串中有/无劣化绝缘子

2、时的空间电场分布特性，发现：劣化绝缘子对空间轴向电场分量影响最大；测量距离越远，其空间轴向电场的变化率越小；劣化绝缘子位置靠近高压端时，其空间轴向电场变化率增加，中间位置时最小且基本不变，靠近低压端时又略微增加；2片绝缘子连续劣化比不连续劣化引起空间轴向电场变化率大；通过分析绝缘子串空间轴向电场的变化能够判断出劣化绝缘子及其位置。1 .模型的建立本模型采用XP-160型陶瓷绝缘子，其结构和尺寸1如图1所示：图1 XP-160型陶瓷绝缘子其中D=255mm，H=155mm。因为悬挂时的绝缘子串为轴对称结构，因此选用2D模型进行仿真，其材料相对介电常数设置2如表1所示：表1 各介质材料的相对介电常

3、数介质材料空气陶瓷水泥相对介电常数1.06.014.0该模型建模的主要工作在于陶瓷的形状较为复杂，本文采用了如下方法：1） 利用图片处理软件Photoshop读取结构图的关键点坐标信息，如图2所示；图Error! Main Document Only. Photoshop读取坐标2） 利用matlab编写程序，输入绝缘子实际尺寸即可得到陶瓷表面关键点的坐标，程序代码见附录；3） 新建一个2D Design，设置Solution Type为Electrostatic，模式为Cylindrical about Z；4） 利用曲线工具，将得到的关键点实际坐标输入（绝对值），即可得到衫裙的曲面模型。用

4、同样的方法绘制钢帽的轮廓模型。用矩形工具和椭圆工具绘制出钢脚模型，其中矩形宽4mm，高45mm，椭圆长轴4mm，长短轴比为2.5。用矩形工具绘制出水泥区域。将上述各模型互相相减（Clone tool objects before operation）。5） 修改材料。由于没有预设的陶瓷材料，选用玻璃材质3glass，按照表1修改该模型后命名为ceramic (glass为5.5) ，模型命名为gap5，并修改其颜色为棕色。钢帽和钢脚选用steel_stainless，模型命名为pin和hat，颜色设置为银色。水泥clone玻璃材料模型，按照表1设置介电常数，材料命名为cement，模型命名为c

5、mt，颜色设置为灰色。得到的单个绝缘子模型如图3所示。 图3 绝缘子模型6） 利用复制一系列该模型构成绝缘子串。假定该绝缘子用于220kV的输电线路，根据文献3按照公式1计算绝缘子的个数。 (1)式中 n绝缘子片数； Um系统最高频（线）电压有效值，kV； Ke绝缘子爬电距离有效系数。计算后决定采用13片XP-160型绝缘子，从高压侧到接地侧分别用113号标识，复制间隔为82mm，结果如图4所示。 图4绝缘子串2 激励和求解设置对于220kV的线路，相电压峰值179kV。所以直接设置低端钢帽电压为179kV，顶端钢帽接地为0kV，作为仿真的激励。文献仿真1表明，空气介质厚度大于4.0 m时对计

6、算结果的影响不明显，具体见图5。因此，本文仿真计算时取空气介质厚度为4.0m，换算之后按照图6设置region。图5空气介质厚度改变时绝缘子串周围空间的电场分布图6求解域设置设置Solve Setup，采用默认的设置参数，点击确定。新建一个网格划分，设置单元格最大长度为20mm，运行一次仿真，观察其剖分结果如图7所示，观察认为该剖分密度合理。 图7网格划分为了绘制沿平行z轴的电场强度分布曲线，需要设置三条直线。用直线工具，设置三条直线的端点分别为：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)，如图8所示。图8参考线位置3 劣化绝缘子建模劣化瓷绝缘子在运行状态下时，其钢帽与钢脚之间的瓷和水泥中存在的非贯穿和贯穿性空气间隙会被击穿而短路4。仿真时对于存在贯穿性气隙的劣化绝缘子（零值绝缘子）设置其钢帽与钢脚之间的绝缘部分为金属导体材料属性。对于存在非贯穿性气隙的劣化绝缘子（低值绝缘子）设置其钢帽与钢脚之间绝缘中的气隙部分为金属导体材料属性，其余部分仍设置为绝缘材料属性。由于低值绝缘子主要是部分裂痕导致绝缘性能下降，电压分布会分布不均，用二维模型无法仿真。因此新建一个3D模型，将原来的2D模型复制进来，全选后选择draw-sweep along axis，沿z轴旋转就可以得到三维模

8、型如图9所示。图9三维模型对于低值绝缘子，为了仿真绝缘子部分裂纹并且在裂纹出发生放电的情况，选择4号绝缘子作导体缺陷模型。建立一个长方体导体，导体参数为起点（-2.5 ,-2.5 ,815），xyz方向上的尺寸分别为5mm，45mm，5mm，如所示连通了钢帽和钢脚，把相原件合理Boolean处理。即仿真了伞裙存在如图10和图11所示的绝缘失效缺陷。图10缺陷仿真模型图11伞裙的缺陷示意图按照2D模型的设置参数设置3D模型的求解类型、激励源，求解域和剖分方法，剖分结果如图12所示。图12 3D模型剖分网格4 良好绝缘子串的电场分布情况良好瓷绝缘子串的电位分布如图13所示，注意到在绝缘子串上下两端

9、的金属部位附近电位变化明显，对应电场强度较大。图13良好绝缘子串电位分布接下来观察电场强度的分布，直接在all objects中绘制的E分布如图14所示。可见在靠近两极的钢帽和伞裙间存在最强的电场高达342kV/cm。为了更加便于观察其它区域的电场强度，双击color bar，设置scale标签下的num，选择Use Limit，并设置最大值为3E+6，即30kV/cm。得到的结果如图15所示。图14正常绝缘子串电场强度分布图15接地端电场强度分布图 16接地端绝缘子电场线分布图 17接地端绝缘子等电位线分布为了更直观地表现电场的具体分布情况，沿着z轴方向上画三根场强参考线，用rectangl

10、e plot工具画出其电场强度变化曲线。得到的良好瓷绝缘子串的电场分布如图18所示，图中d为电场测量参考线或测量参考点到绝缘子串中轴的距离。由图可知：1）整串绝缘子的电场分布极不均匀。以d=100mm时为例，靠近高压侧第1片绝缘子电场值较高，达到25.4V/m，中部绝缘子电场值较低，中间一片最高仅为3.85V/m，接地侧绝缘子电场值最高为20.4kV/cm，略低于高压侧。2）沿瓷绝缘子伞裙空气伞裙路径的电场分布呈现出明显的规律性。电场分布曲线的波峰为靠近瓷表面空气中的电场值；波谷为瓷中的电场值。在靠近伞裙下表面的空气中，电场出现极大值，进入伞裙后电场值逐渐减小，但减小量很小且保持较小的电场值；

11、从伞裙进入空气后，靠近伞裙上表面附近空气中的电场再次出现极大值；随后在2个伞裙之间的空气中电场值逐渐减小，在下一片绝缘子伞裙与空气的交界面处急剧减小，进入伞裙后再次出现极小值，当再次从伞裙进入空气时电场再次出现极大值；位于高压端的伞裙内部及其之间的空气中电场值较大，中部的最小，低压端的略微增加。因此，每片绝缘子的电场最大值均出现在靠近伞裙表面附近的空气中。 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图18良好绝缘子串的电场分布5 劣质绝缘子串的电场分布情况5.1零值问题仿真取d=200mm，分别将2,7,11设置为零质绝缘子，其电位分布仿真结果如图19所示。 0.00200.00400.00600.00800.001000.00Distance mm1.002.253.504.756.007.258.50Mag_E V_per_meterMaxwell2DDesign2Curve Info2号零值7号零值11号零值优 质2号7号11号图19零值问题场强曲线可以看出，当靠近两端的绝缘子存在零值问题时，其附近的电场强度会增加，而中间部位的反而会降低

13、。但是对于两端的绝缘子而言，零值问题反映到场强曲线是附近绝缘子的场强的增加，因此考虑用电场变化率来定位零质绝缘子。可以看出，劣化绝缘子位置靠近高压端时，其空间轴向电场变化率增加，中间位置时最小且基本不变，靠近低压端时又略微增加。进一步分析当有两个零值绝缘子存在时的问题。令7和11同时为零值，与他们单独为零值时的结果进行对比，结果如图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7零值图20多个零值绝缘子场强曲线可以看出，当7和11号绝缘子同时存在问题时，电压分布曲线同时具有两个绝缘子单独缺陷的特征，即7号绝缘子附近场强变低，11号附近急剧升高，这也意味着：2片绝缘子连续劣化比不连续劣化引起空间轴向电场变化率大。6 总结仿真目前还存在下述问题有待解决：在极其微小的存在特别强的电场强度，如图21所示。其最大电场强度超过了340kV/cm，而通常认为空气的击穿场强为30 kV/cm，如果计算正确此处应该发生放电。 图21电场异常点图22异常点的位置对于这一问题，可能可以通过该处模型优化来避免。对于三维模型，再加入曲缺陷之前能正常仿真，加入缺陷后仿真结果存在问题，可能模型存在问题或与该处尺度变化有关，也可能是仿真软件的许可信息系统出现问题，有待进一步解决。参考文献1蒋兴良，舒立春，孙才新.电力系应用污秽与覆冰绝缘M.2009.2蒋兴良，夏强峰，胡琴，舒立春，孙才新.劣化绝缘子对悬垂串电场分布特性的影响J.中国电机工程学报.2010.3杨保初，刘晓波，戴玉松.高电压技术. M.2002.4安玲架空输电线路状态检修技术D上海交通大学，20025维基百科.Insulator (electricity). /wiki/Insulator_(electricity).附录