（电气工程专业论文）合成绝缘子不明原因闪络和带电测试的研究与应用.pdf

华北电力人学t 程硕士学位论文摘要 摘要 随着合成绝缘子大面积应用，其劣化问题越来越突出。包头供电局大部分合成 绝缘子挂网运行时间都在5 年以上，合成绝缘子的不明原因故障时有发生。为保障 输电线路安全、可靠地运行，急需对输电线路合成绝缘子进行在线检测，预先发现 合成绝缘子存在的缺陷，及时防止因合成绝缘子缺陷而造成输电线路事故掉闸。本 文建立了合成绝缘子分析计算模型，以有限元法为基础，利用大型有限元通用软件 a n s y s 进行仿真计算，通过a n s y s 软件的前处理、分析计算和后处理模块，对绝 缘子周围的电场分布进行比较精确的计算和分析处理。设计了一种合成绝缘子带电 检测系统，带电检测了包头供电局部分1 l o k v 及以上电压等级输电线路上合成绝缘 子的绝缘状况，并进行了系统分析。本文研究对保障输电线路运行的可靠性具有重 要意义。 关键词：绝缘子，在线检测，闪络，模型，有限元法 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fc o m p o s i t ei n s u l a t o r s ，t h ed e t e r i o r a t i o no ft h e c o m p o s i t ei n s u l a t o rp e r f o m a n c eb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e v e r e m o s to ft h ec o m p o s i t e i n s u l a t o r so fb a o t o up o w e rs u p p l yb u r e a ua r ei ns e r v i c ef o rm o r et h a nf i v ey e a r s ，o n w h i c hu n e x p l a i n e df a i l u r e so c c u r 行o mt i m et ot i m e f o rt h es e c u r i t ya n dr e l ia _ b i l i t yo f t r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h eo n l i n ed e t e c t i o ni sn e e dt of i n dt h ed e f e c t so fc o m p o s i t e i n s u l a t o r sa tt r a n s m i s s i o nl i n e si na d v a n c e ，a n dp r e v e n tt h et r a n s m i s s i o nl i n e sf r o m t r i p p i n gi nt i m ed u et od e f e c t so fc o m p o s i t ei n s u l a t o r s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e c o m p o s i t ei n s u l a t o ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni sp l nf o r w a r d i no r d e rt o a c c u r a t e l y c a l c u l a t ea n da n a l y s i st h ee l e c t r i c6 e l da r o u n dt h ei n s u l a t o r s ，t h ef ；i n i t ee l 锄e n tm e t h o d a n dt h el a r g e - s c a l ec o m m o ns o f t w a r ea n s y sa r ea d o p t e d a no n l i n ed e t e c ts y s t e mf o r c o m p o s i t ei n s u l a t o r si sd e v e l o p e da n d 印p l i e df o rs o m ec o m p o s i t ei n s u l a t o r sd e t e c t i o n a t110 k va n d2 l b o v et r a n s m i s s i o nl i n e si nb a o t o up o w e rs u p p l yb u r e a u ，o nw h i c ht h e s y s t e m a t i ca n a l y s i si sa p p l i e d t h er e s e a r c hi nt h i sa r t i c l eh a sa ni m p o r t a n tv a l u et o p r o t e c t p r o t e c tt h er e l i a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o nl i n e s z h a i l gy 0 n g ( e l e c t r i c a le n 百n e 嘶n 曲 d i r e c t e db yp r o f = l ig e n g 姐na n dy 觚g ) ( u d o n g k e yw o r d s ：i n s u l a t o r ，o n - l i n ed e t e c t i o n ，n a s h o v e r m o d e l ，6 n i t ee l e m e n tm e t h o d 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文合成绝缘子不明原因闪络和带电 测试的研究与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学立期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保1 竽学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：彦森移 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 目前包头供电局挂网运行的合成绝缘子共1 5 0 0 0 只左右，随着不同厂家、不同 工艺( 压碾、内摸、外抹、灌胶、挤包护套、整体注射等) 、不同用途( 悬垂串、 耐张串及变电站母线悬瓶等) 、不同运行时间的合成绝缘子大面积应用，该类绝缘 子在运行中发挥优良防污闪性能的同时，其劣化问题越来越突出，合成绝缘子的不 明原因故障时有发生，但目前国内对合成绝缘子的检测大多采用抽测和目测的方 法，缺乏一种有效的科学检测手段。为保障输电线路安全、可靠地运行，急需对输 电线路合成绝缘子进行在线检测，预先发现合成绝缘子存在的缺陷，及时防止因合 成绝缘子缺陷而造成输电线路事故掉闸。 一般来说，绝缘子故障主要有以下几个方面：绝缘子内部出现裂隙、绝缘子表 面破损、绝缘阻抗降低、污闪等，绝缘子种类不同，出现故障时所呈现的现象也不 同【i 】。如：绝缘子串中存在不良绝缘子时，不良半导体釉绝缘子温度变化可能较大。 相应的高压绝缘子在线检测方法也多种多样，绝缘子分布的广泛性和安装点的特殊 性更增加了绝缘子检测的难度。合成绝缘子在运行中出现脆断、内绝缘击穿等由绝 缘子内部缺陷( 隐蔽性缺陷) 引发的恶性事故，是对电网稳定运行影响最大的隐患。 ( 1 ) 脆断 脆断不属于严格意义上的机械故障，一般性的解释为：合成绝缘子在正常机械 负荷和运行电压作用下酸性液体侵蚀芯棒纤维逐步断裂，最终引发断串甚至掉线的 恶性事故。一般认为酸性溶液来自酸雨；或由于芯棒表面空气在高场强下发生局部 放电产生氮氧化物，遇水生成硝酸；或由于芯棒生产过程中表面残留有酸的晶体， 吸水后形成酸液。上述假设有一个共同的前提条件：须由外界提供水份。一般认为 是硅橡胶护套或密封胶破损为水份提供了通道，但对脆断绝缘子的检查及调查表明 一些脆断绝缘子上并未发现明显的密封破坏痕；如果这样，可以认为内部质量偏低 或内部存在隐蔽性缺陷可能是合成绝缘子发生脆断的重要原因之一。此外，5 0 0 k v 等级的脆断数量大大高于2 2 0 k v 及以下等级以及脆断主要发生于绝缘子端部的事 实表明：高场强也是导致脆断的可能因素之一。 ( 2 ) 内绝缘击穿 内绝缘击穿也是合成绝缘子的恶性故障形式之一。关于内绝缘击穿的机理，比 较一致的看法是合成绝缘子内部( 界面或芯棒) 存在隐蔽性缺陷，因缺陷处在局部 场强较大、导致局部放电形成炭化通道并逐渐发展成贯穿性击穿；也不排除护套或 华北电力人学工程硕十学位论文 端部密封破坏，水份沿界面或芯棒处的缺陷进入绝缘子内部，导致击穿的可能。 国内已经出现了很多高压绝缘子在线检测方法，并取得了一定的效果，但不少 方法存在着测量工作量大、危险性高、设备造价高、测量不准确、抗干扰能力差等 问题。因此，寻找一种经济、切实有效的高压绝缘子在线检测方法一直是国内外电 力部门十分关注的问题。 1 2国内外研究现状 国内各电网公司大多采用抽检的形式，依据g b t 1 9 5 1 9 2 0 0 4 标称电压高于 1 0 0 0 v 的交流架空线路用复合绝缘子一一定义、试验方法及验收准则， d l t 8 6 4 2 0 0 4 标称电压高于1 0 0 0 v 的交流架空线路用复合绝缘子使用导则，调 网【1 9 9 7 】9 3 号复合绝缘子使用指导性意见等国家、行业标准、企业或地方性技 术规程，选取下列常规试验项目检查复合子状况：外观检查、l m i n 机械耐受与破坏 负荷试验、9 6 h 机械耐受试验、端部密封试验、2 m 跌落试验、伞裙护套的憎水性及 憎水迁移试验、伞裙9 0 。弯折试验、陡波前冲击电压试验( 含2 4 h 水煮过程) 、工 频电压干、湿耐受试验等【2 】。 采用上述常规或标准试验方法的结果与以往各次复合绝缘子抽检试验结果类 似，除发现一些表面的或明显的缺陷，未能检测出任何有隐蔽性缺陷的复合绝缘子， 即使是多次发生由隐蔽性缺陷导致恶性事故的复合绝缘子批次，也均能通过上述检 测，并且由于在实际工作中缺乏针对性，增加了工作量【3 】。 通过一些在线测量方式，目前主要有以紫外成像、超声波检测、红外测温法为 代表的非电量检测和以绝缘电阻、电场测量、脉冲电流法及泄漏电流法为典型的电 量检测两大类型【4 1 。对于绝缘子的在线检测技术，在现场应用中要充分考虑设备的 昂贵及线路地面巡视存在的实际困难，从而选择更为合适准确的在线检测方法【5 】。 近年来，国内外一直在寻找有效的合成绝缘子在线检测法，至今有以观察、紫 外成像、超声波检测、红外测温法为代表的非电量检测和以绝缘电阻、电场测量、 脉冲电流法及泄漏电流法为典型的电量检测两大类型【6 】。对于绝缘子的在线检测技 术，在现场应用中要充分考虑实际情况，从而选择更为合适准确的检测方法【7 】。 绝缘子电场计算是绝缘子研究工作的重要组成部分【8 】。特别对于含有较多有机 材料的合成绝缘子，过高的电场强度会使这些有机材料出现过早老化，局部放电等 问题，引起绝缘性能的下降【9 1 。因此，准确计算出合成绝缘子及其周围的电场分布， 有助于进一步提高我国合成绝缘子的设计、制造水平，满足我国快速发展合成绝缘 子的要求【1 0 ，1 1 1 。 长期以来人们一直应用简便的计算方法来求解电磁场问题，如镜象法、保角变 换法、网格法等【1 2 】。近些年来，由于计算机的发展，科学工作者开拓了多种数值方 2 华北电力大学工程硕士学位论文 法来解场的问题，如有限差分法( f d m ) 【13 1 、有限元法( f e m ) 【14 1 、边界元法( b e m ) 【15 1 、模拟电荷法( c s m ) 【1 6 1 等。每种方法各有优势，目前都得到了广泛的应用。 1 3 本文的主要工作 基于以上分析，本文主要开展以下工作： ( 1 ) 建立合成绝缘子分析与计算的数学模型，研究并提出求解绝缘子周围电 场分析与计算方法； ( 2 ) 以有限元法为基础，利用大型有限元通用软件a n s y s 进行仿真计算，通 过a n s y s 软件的三大功能( 前处理模块、分析计算模块、后处理模块) ，在建立绝 缘子模型的基础上，对绝缘子周围的电场分布进行比较精确的计算和分析处理； ( 3 ) 设计一种合成绝缘子带电检测系统，检测包头供电局部分1 1 0 k v 及以上 各电压等级输电线路上合成绝缘子的绝缘状况，并进行系统分析。 3 华北电力大学工程硕十学位论文 第二章合成绝缘子分析计算模型 2 1合成绝缘子的结构及工艺 2 1 1 界面连接工艺 界面是合成绝缘子不同材料或不同部件之间的表面。在大多数的合成绝缘子中 存在有许多界面，包括芯棒内部的玻璃纤维和浸渍树脂之间、填充料粒与聚合物之 间、芯棒与伞套之间、伞套的各个部分之间、伞裙之间、伞套与伞套之间、伞套、 芯棒与金属附件之间的界面。所有这些界面结合好坏都会对合成绝缘子的机电性能 产生影响1 7 】。 国内外皆有因界面而导致合成绝缘子内绝缘击穿或掉串的报道。界面连接工艺 综合评价如下： ( 1 ) 伞裙套装成型工艺。早期的合成绝缘子伞裙护套和芯棒成型工艺是利用伞 裙护套内径与芯棒外径的负公差，护张伞裙护套内径，将单个伞裙逐个挤套在芯棒 上，芯棒与伞套界面用介电类钻结剂粘结，该工艺并不复杂，但工艺要求条件高， 工艺流程多，工作效率低，易因粘结不良而导致内绝缘击穿事故。 ( 2 ) 挤包护套后单伞裙套装成型工艺。由挤包挤出直接包敷在芯棒上的整体挤 包护套穿伞工艺得到广泛应用。该工艺护套与芯棒形成一体，界面耦联强度远大于 硅橡胶的强度，能确保产品的内绝缘，并可按要求调整产品的结构高度、爬电距离 和伞型结构，方便灵活。 ( 3 ) 整体成型工艺。该工艺特别是伞裙护套成型及芯棒的粘接是在模具中一次 完成。早期分为整体模压成型和整体注射成型两种。工艺严格意义上整体注射和整 体模压是同一种成型工艺。 2 1 2 金属附件连接工艺 金属附件连接工艺分为内锲式、外锲式、内外锲式、粘接式结构( 又称胶装) 、 压接式五种。经过多年的发展，已逐渐淘汰早期的内锲式、外锲式、内外锲式、粘 接式结构四种工艺，代之以压接式金属附件连接工艺。 ( 1 ) 内锲式结构。内锲式结构是将芯棒的端部锯开一条缝，压入一个金属锲子， 靠这个锲子将芯棒端部扩大，锥形的金属腔体则在芯棒承载时将扩大的芯棒端部卡 住。芯棒的端头被锲件扩开后，芯棒事实上已被破坏，易在局部形成应力集中，在 外部负荷的作用下易造成芯棒在此处的断裂或劈缝沿轴向发展【1 8 】。 ( 2 ) 外锲式结构。外锲式结构是用一组金属锲压入金具锥腔与芯棒之间，靠金 4 华北电力大学工程硕士学位论文 属锲与芯棒相互之间形成磨擦自锁。当外锲片与锥腔和与芯棒的磨擦系数以及锥腔 的锥度配合理想时可以使外锲保持与芯棒同步移动。由于这种结构对金属锥腔、金 属外锲的加工精度要求相当高，又由于在组装时要人工压紧一组锲子，工艺难度较 大，接头的拉张强度不容易控制，分散性较大。 ( 3 ) 内外锲式结构。内外锲式结构综合了内、外锲工各自优点，基本上保持了 芯棒的完整性，从而保证了连接的可靠性，机械强度分散性小。但该连接结构存在 加工精度要求较高，手工操作多，工作效率不高，金具体积大等缺点。 ( 4 ) 粘接式结构。粘接式结构主要靠粘接剂把芯棒与金属附件粘接在起承受 拉伸负荷，其最大特点是芯棒和金属附件通过粘接剂接在一起，芯棒受力均解剖学 合理。粘接式结构粘接接触面大，粘接牢固，防渗透性好，但端部结构复杂，粘接 工艺要求高，且机械强度不高。 ( 5 ) 压接式结构。压接式结构采用可锻铸铁制成金属附件，用模具将芯棒与金 属附件紧紧的压接在一起，让金属附件产生一定的塑性形变，使芯棒与金属附件的 接触面产生予应力，从而紧密结合，并靠由此产生的切向磨擦力来承受拉伸负荷。 压接式工艺简单，机械强度高，分散性小，效率高。 2 1 3 制造材料 ( 1 ) 伞裙和护套材料。早期的合成绝缘子伞裙和护套材料有乙丙橡胶( e p d m ) 、 室温硫化硅橡胶、聚四氟乙烯和环氧树指等。而高温硫化硅橡胶制作的伞裙在抗劣 化、耐漏电起痕及电蚀损、憎水性、防污性、阻燃性、耐臭氧性、耐紫外光性、耐 潮湿、耐高低温和抗撕强度等方面具有突出优点，现已逐渐取代了其它复合绝缘材 料【19 1 。 ( 2 ) 芯棒。环氧玻璃纤维棒由玻璃纤维以树脂粘合剂而合成，目前，我国的玻璃纤 维芯棒普遍采用环氧树脂作基体材料，并采用引拔成型工艺制作。 ( 3 ) 金属附件。金属附件是指绝缘子的悬挂金具，外界通过它与芯棒传递机械负荷， 因此是绝缘子保证机械强度的关键，国内用于输电线路的合成绝缘子的金属附件的绝 缘大多数均采用“球头一碗头 的结构形式。 2 1 4 端部密封 早期合成绝缘子仅仅采用室温硫化硅橡胶或其他密封胶进行端部密封。后来采 用更为有效的密封方式，如h t v 高温硫化胶、“0 ”形密封圈双重密封、端部注射 密封包胶、四重内密封结构。这些措施均有效地保护了芯棒和金属附件连接，对保 证合成绝缘子可靠运行具有重要意义【2 0 1 。 2 1 5 伞裙形状 早期合成绝缘子的伞裙形状分为小伞和等径伞，且受制造工艺和材质的限制伞 5 华北电力人学工程硕士学位论文 裙盘径做得较小，约为1 3 0 m m ，伞间距也小，约为4 0 m m 5 0 m m 。几经发展，合成 绝缘子的伞裙形状较以往有了大幅改进。目前基本上以“大小伞 、“三伞结构五伞 组合”和“两大两中 三种伞型为主，伞径达到2 0 0 m m ，伞间距达到了1 4 0 m m 。 2 1 6 均压装置 均压装置应是合成绝缘子的一个组成部分，其作用是改善合成绝缘子的电位分 布，保护金属附近、芯棒及伞套不被电弧灼伤，其次还能保护两端金属附件连接区 不因漏电起痕及蚀损导致密封性能的破坏【2 1 ，2 2 1 。 2 2 绝缘子数学模型的建立 2 2 1 绝缘子模型的简化 研究表明，合成绝缘子的电场是一个无界域内的不对称三维场，如不采用适当 的处理方法，则计算较困难【2 ”。为此在计算时先对其作以下简化： ( 1 ) 忽略相间影响。认为相间距离较大，同时接地杆塔对相间电场有一定的屏 蔽作用【2 4 1 。 ( 2 ) 忽略杆塔和横担的影响。合成绝缘子一般在杆塔侧面，其间距约2 米，它 是绝缘子径向尺寸的3 0 倍，轴向尺寸的1 5 倍以上，因此影响有限【25 1 。横担简化 后，合成绝缘子上方是一个地电位平面。这样可使计算过程大为简化，而引起的误 差却不大。 ( 3 ) 忽略导线的影响。导线虽可以起屏蔽作用，但导线径向尺寸相对较小，而 且距离绝缘子的强场分布区域又有一定的距离，故其影响作用较小，可以忽略所引 起的误差。 ( 4 ) 将无穷远处的边界移至靠近绝缘子适当的距离处，即以有限边界代替无穷 远边界。这样处理会使绝缘子附近的电场有所增强，但由于合成绝缘子的整体尺寸 很小，在距离不远处电力线就很稀疏，所以对计算结果带来的误差不大【2 6 ，27 1 。 通过以上简化后可以认为，合成绝缘子的电场是一个轴对称场，以圆柱体为计 算场域，并表达为拉普拉斯方程的边值问题【2 8 ，2 9 1 。即： v 2 够= o 缈= 0 ，低压端及o 。远处 ( 2 1 ) 矽= 2 2 0 k v ，高压端 式中，矽为各区域剖分后节点的自由度( d o f ) 电位。 2 2 2 绝缘子模型建立 在合成绝缘子的结构分析的基础上，考虑到在计算中可以忽略导线和铁塔的影 响，整个模型可以简化为二维轴对称电场来进行分析。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 应用a n s y s 有限元软件对棒形悬式复合绝缘子进行二维建模和电场分析。计 算模型共分3 个部分：绝缘子模型；有限空间场域；无限大场域空间【3 0 1 。其 结构布局见图2 1 。 第2 突忿 嚣条棒 无缴天魉 嚣条终 图2 1 悬式复合绝缘子二维计算模型 2 3 有限元法基本原理 有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。它首先利用变 分原理把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，也即泛函的极值问题，最后 归结为一组多元代数方程组，求解该方程组即得待求边值问题的数值解【3 1 1 。因此， 有限元计算方法的具体步骤可以总结为： a 对区间进行剖分，划分成许多小单元； b 在每个单元做插值后，对泛函积分，再对各单元求和，这样就把连续函数的 泛函离散成节点上的函数的泛函； c 根据泛函取极值的条件，得出各节点的函数值应满足的有限元方程组； d 解这个方程组，得各节点的函数值。 在静电场中，一般取电位矽为直接求解对象。在各向同性、线性、均匀介质中， 电位满足泊松方程或拉普拉斯方程： v 2 妒= 一p g ( 2 2 ) 或 v 2 缈= o ( 2 3 ) 在电工领域里，定解条件一般分4 种类型： a 给定整个场域边界上的电位值，称为第一类边值问题。 b 给定整个场域边界电位法向导数值，称为第二类边值问题。 c 给定整个场域边界上的电位和其法向导数的线性组合，称为第三类边值问 题。 d 混合类边值问题。即在整个场域的部分边界上给定电位值，而在其余部分给 定电位的法向导数值。 7 华北电力大学工程硕十学位论文 2 4a n s y s 应用介绍 2 4 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的、在全球计算机辅助工程( c a e ) 领域 具有广泛影响的大型有限元分析( f e a ) 软件。它适用于结构力学、流体力学、传 热学、电磁学等方面的工程数值分析。a n s y s 软件中的电磁场分析模块 a n s y s e m a g 主要包括二维和三维恒定磁场分析、二维和三维时变( 低频) 电磁场 分析、二维和三维交变( 低频) 电磁场分析、三维高频交变电磁场分析、二维和三 维静电场分析以及电路分析 32 1 。 a n s y s 将工程电磁场分析问题划分为前处理( 建模和划分网格) 、求解( 加载 和解方程) 和后处理( 图形显示和列表) 3 个步骤。在每一步中，都可以使用菜单 和命令两种工具。用户可以通过点击各级菜单也可以通过在命令区填写命令来控制 有限元分析中每一步实现的功能。 a n s y s 的菜单分为应用菜单和主菜单两类。应用菜单位于屏幕的上方，主要 完成文件管理、模型控制、数据操作、图形控制、工具条操作等功能。主菜单位于 屏幕左侧，主要完成指定分析主题、前处理、求解和后处理等功能。两类菜单配合 使用。 a n s y s 提供了特有的参数化设计语言( a p d l ) 以及扩展的宏命令功能。 2 4 2a n s y s 典型分析步骤 2 4 2 1 建立模型 ( 1 ) 激活电磁选项进入前处理过程； ( 2 ) 定义单元类型； 单元类型按阶数分有：一阶单元( 如3 节点直边三角形、4 节点直边四边形) 和二阶单元( 如6 节点曲边三角形、8 节点曲边四边形) ；按类型分有：近场单元( 为 求解对象及外围介质建模) 和无限远单元( 为无限远区域建模) ；按维数分有：一 维、二维、三维单元。 计算精度上，通常是二阶单元高于一阶单元，四边形单元高于三角形单元。 ( 3 ) 说明材料特性； 分析中的材料特性，包括线性特性( 如相对介电常数、相对磁导率等) 、及非 线性特性( 如定义b h 曲线) 。 ( 4 ) 定义所需实常数； 如定义线圈匝数、截面积、长度等。 ( 5 ) 创建实体模型； 求解对象采用自底向上的建模方式，并提供灵活的布尔操作功能。 r 华北电力大学工程硕士学位论文 闭合系统只对相应闭合区域建模，开放系统可在最外层使用无限远单元。 ( 6 ) 网格划分。 提供了自由网格和映射网格的功能。自由网格剖分可利用自适应剖分网格。映 射网格所包括的单元形状有限，需要形状规则、明显成排的单元。此外，还有设置 单元尺寸、细化网格、检查网格、清除网格等功能。 2 4 2 2 加载及求解步骤 ( 1 ) 加载荷及边界条件 电场分析中载荷主要包括：电势、电流、电荷、电荷密度等，磁场分析中载荷 主要包括：磁势、磁通量、源流密度等。 ( 2 ) 加无限远标记 当为开放边界建模时，才需给外部无限区域的单元边加无限表面载荷。 ( 3 ) 求解 a n s y s 提供的求解器有直接解法， 2 4 - 2 3 观察分析结果 使用通用后处理器可以观察整个模 型和模型的一部分在某一时刻针对特定 载荷组合时的结果。包括从图像显示到复 杂的数据操作。 一般步骤为： ( 1 ) 将数据结果读入数据库； ( 2 ) 观察结果。 可以采用数据列表的方式和图像显 示的方式观察结果。可列出的结果数据 有：节点、单元求解结果等；可显示的图 像类型有：梯度线显示、矢量图显示、路 径绘图等。 计算程序流程图如图2 2 所示。 2 5实例计算结果及分析 稀疏矩阵直接解法，共轭梯度法【3 ”。 图2 2 计算程序流程图 如图2 3 ，采用一个轴对称绝缘子简易模型。该绝缘子长为2 1 7 5 c m ，共有6 5 个伞裙，两伞裙之间的距离为3 4 5 5 c m ，伞宽3 0 3 c m 。二维轴对称模型采用有限元 法求解，最外层单元设为无限远单元，并加无限远标志。伞裙的相对介电常数取3 5 ， 绝缘棒的相对介电常数取3 0 。低压电极及低压均压环上加电压载荷o v ，高压电极及 9 华j 匕电力人学j 程硕士学位论文 高压均压环上加电压载荷2 2 0 k v ，外围包裹空气层。剖分共产生3 0 9 6 8 个单元，6 2 5 9 7 个节点。剖分图如图2 3 ，从图中可以看出，边界离绝缘子较远，采用了较密的网 格，并曰在晟外层使用了无限远单元。 w 0 图2 3 实例轴对称绝缘子二维简易模型剖分图 维模型结果电位分布如图2 4 所示。 n j 。 图2 _ 4 实倒二维模型电位分布 10 黔；| 吕鬣：i 氍塞 目嚣：4 截：誊 华北电力大学工程硕十学位论文 合成绝缘子因为只有上、下两端有金属端头，并且尺寸不大，它们和中间绝缘 体一起构成的主电容远小于瓷绝缘子串的主电容，因此，合成绝缘子的沿面电场分 布较瓷绝缘子串更加不均匀，尤其是高电位侧会出现强场区【3 4 】。表面场强过高是造 成合成绝缘子局部放电的主要原因，当局部场强大于周围空气的临界击穿场强时， 会造成绝缘子表面局部放电而引起干带放电，严重时将造成闪络，因此设法使合成 绝缘子的电压分布趋于均匀具有重要意义【3 5 ，3 7 3 引。 利用a n s y s 软件对2 2 0 k v 合成绝缘子进行建模，并对合成绝缘子沿面电场分 布进行了计算，图2 5 为合成绝缘子无均压环时的沿面电场分布。由图2 6 可以看 出，最大场强出现在导线端芯棒和钢帽的结合处，高压端的第一个伞裙的电压占整 个绝缘子电压的8 0 。第一伞裙的最大电场强度达4 2 o k v c m 大大超过了4 5 k v c m ， 在正常工作电压下将会产生电晕放电。这对合成绝缘子的正常运行是极为不利的， 这使得复合绝缘子的高压端绝缘介质容易发生电蚀而造成老化【3 6 ，3 9 1 。 e 墨 墨 越 耀 霹 翟 长度l c m l 图2 5 合成绝缘子无均压环时的沿面电场分布 华北电力大学工程硕十学位论文 第三章带电检测系统总体设计及软件介绍 3 1系统的总体要求 该系统根据敏感绝缘子法，定量测量绝缘子分布电压为主，并判断出低( 零) 值绝缘子及其劣化程度。系统包括绝缘子带电检测系统及检测数据的后台分析及管 理软件。 主要其功能要求如下： ( 1 ) 能够测量绝缘子串分布电压值。 ( 2 ) 通过测量绝缘子串上某个敏感绝缘子的分布电压值以及a 、b 、c 三相数 值，进行综合判断比较，实现按串检测老化绝缘子。 ( 3 ) 检测数据可以在智能主机上以图形或者曲线方式实时显示。 ( 4 ) 带电检测系统满足现场使用条件，抗干扰强工作稳定并具有故障智能诊 断和报警功能。 ( 5 ) 带电检测系统的主机具有数据收发、存储、处理、显示功能，并且具备 和p c 机通信功能，可以将检测数据全部上传p c 机。 ( 6 ) 线路绝缘子检测数据的后台分析及管理软件由服务器及相关软件组成， 可以对绝缘子状态数据进行管理，同时也可以扩展为对其他在线监测系统数据进行 实现监测，实现数据的统一管理、统计和查询。软件的主要性能和特点如下。 ( 7 ) 具有很好开放性，灵活配置系统参数，方便维护、使用和升级。通过标 准数据通信接口直接导入检测仪数据，进行查询、统计和分析。对各类监测系统的 数据和报警信息进行综合对比分析，给出分析结果。 ( 8 ) 人机交互界面友好，采用数据与图表、曲线等方式向用户显示查询和统 计结果，便于分析某一时刻辖区内线路绝缘的总体情况。自动生成e x c e l 综合监测 报表，方便用户管理。 ( 9 ) 具有自动报警功能，当发现监测数据处于临界危险状况时，软件发出报 螫 目o 3 2硬件设计 绝缘子带电检测系统可以带电检测1 1 0 k v 及以上各电压等级输电线路上合成 绝缘子的绝缘状况，能够识别合成绝缘子的内绝缘导通性缺陷。根据合成绝缘子周 围电场沿绝缘子纵向分布情况判断绝缘子是否有缺陷。当合成绝缘子含有导通性缺 陷时，电场分布将发生畸变【37 1 。因此，通过与无缺陷时的标准电场分布曲线相比较， 可以发现合成绝缘子的缺陷。 12 华北电力大学上程硕士学位论文 绝缘子带电检测系统由电场测量探头、托架和连接柄组成。电场测量探头是一 个长方形金属盒，内装电路，用来测量并存储电场数据。托架用绝缘材料制成，用 以安放电场探头和连接柄。连接柄为金属件，用螺钉固定在托架的中部，用以连接 带电操作绝缘杆。详见图3 1 。 图 1 合成绝缘子带电检测系统 使用步骤如f ： ( 1 ) 打丌探头电源开关，红色电源指示蜘亮，探头进入等待状态。开关接通 瞬问，绿色操作指示灯闪一次，蜂呜器鸣叫声。 ( 2 ) 按一下按钮，此时蜂鸣器呜叫声，绿灯慢速w 动，探头进入测量状态， 可以开始测量。 ( 3 ) 将探头放到绝缘了接地侧端部，在放置过程中，小要阻挡光电管的光路。 ( 4 ) 将探头沿绝缘子轴线紧贴绝缘子表面匀速平稳滑动到导线侧端部。在滑 动过程中，光屯管每划过个命裙，探头进行一次电场删昼、蜂鸣器呜叫声。 ( 5 ) 将探头取叫，按下按钮，结束检测。探头自动保存数据，并返回等待 状态。数据保存完成后，蜂呜器会呜叫声。( 在取回探头翩过程中，不能阻挡光 路，当数据保存完成后”，以关断电源。) 33 软件设计 本软件用于将合成绝缘子检测仪里的榆测数据传送到训算机中，并且显示数 据。程序将接收到的数据存入个文件，并且为每个文件创建一个图形显示窗口和 数据显示窗r f 。当打歼圈形显示窗口时，文件中的数据以图形陷线的形式显示出来。 当打开数据显示窗口时，文件中的数据以数据文本的形式显示出柬。程序可以同时 打开多个图形显示窗口和数据显示窗口用以显示多个文件。 除了数据传输功能之外软件还应有图形处理和数据显示等功能可以实现数 据编辑、不同文件中数据的比较、数据分析、查看曲线、王维图形硅示、图形复制、 数据与图形之间任意切换等。在介绍图形处理功能时，文件被称作图形文件，在介 孽 华北电力人学工程硕士学位论文 绍数据显示功能时，文件被称作数据文件。并可将数据从相对数值换算到以k v m 为单位的绝对电场数值的功能。软件能够根据数据曲线计算畸变率，并给出结论， 以供操作人员参考。绝缘子的电场分布曲线及相关信息可以通过打印窗口打印出 来，作为检测报告使用。 主窗口是该软件的主界面，包括菜单栏、工具栏和子窗口显示区，如图3 2 所 示。末打开予窗口之前，菜单栏有“图形文件”、“数据文件”、“传送数据”和“退 出程序”4 项，工具栏有“打开图形文什”、“新建数据文件”、“打开数据文件”和 “传送数据”4 项。菜单每一项都有键盘操作键，个别项有快捷键。j 具栏中每个 按钮部有文本说明。 ! 婴jt o d “口地j # ：# i e pl * q 20 “i t 口o t 目 33 1 数据传输功能 图3 2 主窗口 数据传输功能用于将合成绝缘子检测仪探头早的检测数据传入计算机，包括传 送数据、把数据存入文本文件、给曲线添加标注、设置通讯接口、设置数据最示方 式等。 数据传输功能通过“传送数据”主菜单( 如图3 3 所示) 、数据传输窗口、“保 存文件”窗口来完成。 盘盛餐蠢。 r * # 自 业) 1 e 4 月# 弋嚣一 琶氅三蕾圈感蕊 图3 3“传送数据”主菜单和按钮 一 华北电力大学工程硕士学忙论文 ( i ) 数据传输窗口 单击“传送数据”主菜单，或单击工具栏中最右边的“传送数据”按钮，就会 弹出数据传输窗口如图3 4 所示。改窗口有两种形式的界面，第一种界面为常用 界面，第二种界面仅在为曲线输入标注时出现。 匿盈嘲黧! l r $ 口i$ r i 日$ r $ 口2r * i # 据 匹虱三型 图3 - 4 数据传输窗口第一种界面 第一种界面由通讯接il 复选框、展示形式复选框、标注形式复选框、人机对话 框、“开始”按钮和“取消”按钮组成。通过复选框，叮以将通讯接几设置为串ul 或串口2 。选择“展示图形”，则数据传送完毕后将以曲线蹦片形式显示出来，详见 “图形m 示功能”一节。选择“展示数据”，则数据传送完毕后将咀数据文本形式 显不出柬，详见“数据显示功能一再。选择“缺省标注”，则程序自动形成雠线 的标注。选择“输人标注”，则用户可以给曲线添加杯注，详见“给曲线添加标注” 一节。 数据传输窗口弹出之后，人机对话框屦示“将串行通讯电缆连接到计算机相应 串行进n ，然后单击歼始按键”。按提示将电缆接好，单击“丌始”，数据传送随即 开始。此后，根据数据传送的不同阶段，对话框将显不“正在传输数据，请等待一 “i j 在处理数据! ”、“收到( ) 串绝缘子数据! 共( ) 条曲线”等信息。 该窗口为模式窗口，在其关闭之前，不能进行该窗口以外、本程序以内的操作。 r 2 1 保存文件窗口 如果选择“缺省标注”，则数据传送完毕后立即弹出“保存文件”窗口，其标 题栏有“另存为”字样，如图3 5 所示。w l n d o w s 的状态栏中也出现“另存为”一 项。该窗口为模式窗【 ，只有将其关闭后程序才能继续运行。 黟器 鬻 霜瓣 华北电力人学工烈硕士学位论文 匠日豳 保存在( 1 ) ：陌百两j 圈p _ 鬣 的克 画 的匐 昏警 女件g ( d * # # 2 ( ! ) 图3 _ 5“保存文件”宙口 设置好将要存放数据的文件的目录和名称后，单击“保存”按钮，数据将被存 入文件。该文件名小能以“无标题”开头。文件的缺省后缀为“d a t ”。文件保存完 毕后，数据将按传输前设置的展示方式显示出来。 如果传输数据之前选择了“缺省标注”，则程序自动生成标注。标注的内容仅 包括检测类型信息。如果为部分检测，则标注内容为“单向滑动”如果为完全检 测，则标注内容为“前向滑动”或“后向滑动”，由滑动方向具体确定。 ( 3 ) 数据添加标注 如果传输数据之前选择了“缺省标注”，则在弹出“保存文件”窗口之前，数 据传输窗几改用另一种种界面显示该界面上增添了用于编辑曲线标注的一些文本 框。其中有日期、线路名称、杆塔号、绝缘子位置等内容。缺省日期为计算机旱当 天日期。为了操作方便，曲线序号框和日期文本框旁边添加了数字递增、递减箭头， 单击箭头，前面文本框里的数字就会加一或减一，但不会产生无效日期。 曲线标注编辑完毕或部分编辑完毕之后，单击“完成”按钮，将弹出“保存文 件”窗口，此后操作与选择“缺省标注”时相同。 r 4 1 异常处理 如果通讯回路发生故障，计算机和检测仪连接失败，则数据传输窗口的人机对 话框将显示“连接失败，是否重试? ”。同时，对话框右边的“是”和“否”两按 钮从不可操作状态变为可操作状忐。此时如果单击“是”，则程序重新试图与检测 仪通讯。如果单击“否”，则程序退出数据传输并关闭数据传输窗口。 程序首先通过校验和检验数据传输是否正确。如果传输有误，程序将重新传输， 直到正确无误。其次，程序根据一些关键数据来判断数据是否有误。如果数据有误， 人机对话框将显示“数据有误，足否继续? ”。同时，对话框右边的“足”和“否” 1 6 舅 华北电力大学t 程硕士学位论文 两按钮从不可操作状态变为可操作状态。此时如果单击“是 ，则程序继续进行数 据显示。如果单击“否 ，则程序退出数据传输，并关闭数据传输窗口。 3 3 2 图形处理功能 图形处理的主要功能是将所检测到的数据( 包括以前的数据和刚从检测仪上传 输过来的数据) 以曲线的形式显示出来。曲线的横坐标是合成绝缘子伞裙序号，从 开始检测的位置起，检测仪每经过一个伞裙，序号加一。曲线的纵坐标是相对场强。 通过图形显示，我们可以直观地掌握电场强度沿绝缘子轴线方向的变化。 图形处理功能包括： ( 1 ) 以曲线方式逐条显示数据文件中若干绝缘子的电场分布； ( 2 ) 在一个图形上同时显示多条曲线； ( 3 ) 同时显示多个文件； ( 4 ) 显示两维或三维图形； ( 5 ) 图形复制，将图形通过“画图 软件粘贴在文本文件中； ( 6 ) 根据修改过的数据重新绘制图形。 图形处理功能通过“图形文件菜单、“图形编辑”菜单、“打开文件 窗口、 图形显示窗口、多条曲线选择窗口、修改横坐标窗口及工具栏中的相应按钮来实现。 “图形文件”菜单在主窗口菜单栏的最左边，如图3 6 所示。该菜单的下拉子 菜单包括“打开文件、“关闭文件”、“选择曲线、“上一曲线、“下一曲 线”和最近打开过的文件组( 最多4 个) 。如果没有图形文件被打开或者活动子窗 口( 窗口标题栏为蓝色的子窗口) 不是图形显示窗口时，“关闭文件 、“选择 曲线”、“上一曲线”、“下一曲线 子菜单不可见。自安装后没有打开过图形文 件时，最近打开过的文件组也不可见。 用鼠标单击“图形文件 主菜单，该下拉式子菜单随即出现。如果所要显示的 文件在子菜单的“最近打开过的文件组”中，则单击该项，文件随即被打开，同时 出现一个以文件名和“( g r f ) 为标题的图形显示窗口，显示文件中的第一条曲线， 曲线的序号和标注在图形显示窗口左上角的标注框内。如果所要显示的文件不在子 菜单的“最近打开过的文件组”中，则单击“打开文件子菜单，弹出“打丌文 件 窗口，从中选取所要显示的文件。具体操作见“打开文件 窗口一节。如果文 件已经打开，上述操作会击活该文件的图形显示窗口。新打开的文件的路径及名称 将放入“最近打开过的文件组 中。 1 7 华北电力大学_ 程硕士学位论文 黧“辱 t * 盎屠磊蒸磊f ! = 一 蓑兰 ：吕黧芸：嚣嚣；：麓篙懋：； e ：k 州k 、d o m e n 啪m 椰e l l n * l a 桕t 图3 6“图形文忭”的子菜单 要关闭一个图形显示窗n ，先用鼠标单击该窗口，或从“窗口”主菜单的下拉子 菜单中选择该窗口，使其成为活动子窗口，然后单击“图形文件”主菜单的下拉子 菜单中的“关闭文件”。 打开一个图形文件或击活一个图形显示窗口( 使其成为活动子窗口) 后，如果 想逐条观察文件中的曲线，可单击子菜单中的“上一曲线”或“下曲线”。首条 曲线的上一曲线是末条曲线，末条曲线的下一曲线是首条曲线。如果想同时显示多 条曲线，则单击子菜单中的“选择曲线”，弹出多条曲线选择窗口，详见“多条曲 线选择窗口一节。 当个圈形显示窗口击活后，土窗口的菜单栏中将出现“图形编辑”主菜单 位于“图形文件”主菜单右边，如图3 7 所示。该菜单的下拉子菜单包括“两维显 示”、“三维显示”、“切换图例”、“查看数据”、“图片复制”和“重新绘制” 等选项。用鼠标单击“图形编辑”主菜单即可出现该子菜单。 单击“两维显示”，该图形显示窗口中的各条曲线显示在同一平面上。单击 “三维显示”，该图形显示窗u 中的各条曲线以立体形式显示，第三坐标是曲线序 号。单击“切换图例”，该图形显示窗口中曲线的图例在有无之间切换。曲线显示 如图3 8 所示。 “查看数据”子菜单用束显而该图形显示窗口中曲线的数据，详见“从图形到 数据的切换”一节。 _ _ 华北电力大学1 程硕_ 。学位论文 甓静翟懑烹悫烹悫 囊囊至装鬻 二 mi * m l 图，- 74 图形犏辑”主菜单 口翟臣互誓蜀圈墨礤熏l 鬻意篓 g z # 口脚* o # # z f 。* 懈_ d 自口 r 瞎m _ 日r 罱o 岳删 日；m o j 、 + r 周 口j 毯 “雠j 、1 日霜母墨 图3 8 曲线的两维显示( 左) 与三维显示( 右) “图形复制”用束复制该图形显不窗口中的闺形。复制后的图形可以粘贴到 w i n d o w s 附件“面倒”，进而可以从“面图”复制到w o r d 文档。 “重新绘制”用柬刷新曲线。当与曲线相应的数据在“数据编辑”功能中被修 改时，该功能可使f i 线跟随数捌做帽应变动。 图形处理功能中的一些常用选项，如“打开图形文件”、“选择曲线”、“t 一曲 线”、一f 一曲线”、“图形复制”和“查看数据”，在1 具栏中确相应按钮，如图3 9 所示。单击按钮的效果与单击予菜单相h 。除“打开图形文件”按钮外，其它按钮 只在图形显示窗【】被击活时显示出来。将鼠标指针放在按钮上停留片刻，