毕业论文-高介电常数材料改善套管电场分布研究

1、哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE IV -高介电常数材料改善套管电场分布研究摘要高压套管作为高压引出装置，是电站和电器的配套关键设备之一。其质量和性能对电站及电器的配套试验和用户可靠运行具有重要的意义。套管是一种电场具有强垂直介质表面分量的典型的绝缘结构，它表面的电压分布很不均匀，在法兰边缘处电场十分集中，很易从此处开始电晕及滑闪放电。因此降低法兰边缘处电场，进行电场合理分析，就成为套管设计的主要内容之一。本文分析了套管的绝缘结构及放电特性，在此基础上，采用ANSYS有限元分析软件对模型进行二维有限元分析计算，主要对套管法兰处电场进行了详细分析，得到了电场强度的最大值及其出现的位置，分析

2、了原因，并且采取了相应的措施减小了最大场强。计算表明，在套管法兰附近加入高介电常数材料可有效降低最高场强，且改变高介电常数材料的长短、厚度、介电常数对降低最高场强的效果均有影响。分析计算结果显示，较厚层和较高介电常数更好改善电场，但是这些值需要考虑到实际和经济的限制，而高介电常数材料的长度可以在一定程度上减少而不降低其改善电场分布的功能。关键词 套管；法兰；电场；ANSYS The Research of Using High Dielectric Constant Materials to Improve Electric Field Distribution of BushingAbstr

3、actHigh voltage bushing as high voltage leads to the device is matching one of the key equipment for power stations and electrical appliances. Its quality and performance of supporting power stations and electrical appliances testing and user reliable operation is of great significance. The bushing

4、have the typical insulation structure that its electric field with the surface component of the strong vertical dielectric, the voltage of its surface is very uneven distribution, the electric field of the edge of flange is very concentrated, it is easy for the edge of flange to start corona and dis

5、charge. Therefore reduce the electric field of the edge of flange and make a reasonable analysis of the electric field is one of the main bushing design.This paper analyzes the insulation structure and discharge characteristics of the bushing, and on this basis，use the ANSYS finite element analysis

6、software to finite element analysis model, mainly carried out a detailed analysis of the bushing flange at the electric field, the maximum electric field strength and its appear, analyzes the cause and take appropriate measures to reduce the maximum field strength. Calculations show that the bushing

7、 flange near the brushing of high dielectric constant materials can effectively reduce the maximum field strength, and change the length ，the thickness and the dielectric constant of the high dielectric constant material can also reduce the maximum field effect affects. The calculation results show

8、that the thicker layers and higher dielectric constant to better improve the electric field, but these values need to consider the practical and economic constraints, the length of the high dielectric constant layer can be reduced to a certain extent without compromising the improvement electric fie

9、ld distribution function.Keywords Bushing ;Flange ;Electric Field ;ANSYS 哈尔滨理工大学学士学位论文目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327768517 摘要 PAGEREF _Toc327768517 h I HYPERLINK l _Toc327768518 Abstract PAGEREF _Toc327768518 h II HYPERLINK l _Toc327768519 第1章 绪论 PAGEREF _Toc327768519 h 1 HYPERLINK l _Toc327

10、768520 1.1课题的背景和意义 PAGEREF _Toc327768520 h 1 HYPERLINK l _Toc327768521 1.2套管问题的研究现状 PAGEREF _Toc327768521 h 2 HYPERLINK l _Toc327768522 1.3套管法兰处电场问题的研究意义 PAGEREF _Toc327768522 h 3 HYPERLINK l _Toc327768523 1.4课题的主要研究内容 PAGEREF _Toc327768523 h 4 HYPERLINK l _Toc327768524 第2章 套管的滑闪放电 PAGEREF _Toc32776

11、8524 h 5 HYPERLINK l _Toc327768525 2.1 套管结构的电场及其表面放电 PAGEREF _Toc327768525 h 5 HYPERLINK l _Toc327768526 2.2 滑闪放电危害 PAGEREF _Toc327768526 h 6 HYPERLINK l _Toc327768527 2.3 改善电场集中方法 PAGEREF _Toc327768527 h 7 HYPERLINK l _Toc327768528 第3章 套管电场计算及优化 PAGEREF _Toc327768528 h 9 HYPERLINK l _Toc327768529 3

12、.1有限元法的基本原理及求解过程 PAGEREF _Toc327768529 h 9 HYPERLINK l _Toc327768530 3.1.1 有限元法的基本原理 PAGEREF _Toc327768530 h 9 HYPERLINK l _Toc327768531 3.1.2 有限元法求解过程 PAGEREF _Toc327768531 h 10 HYPERLINK l _Toc327768532 3.1.3 二维电场有限元解法 PAGEREF _Toc327768532 h 11 HYPERLINK l _Toc327768533 3.2ANSYS有限元分析软件 PAGEREF _T

13、oc327768533 h 11 HYPERLINK l _Toc327768534 3.3应用ANSYS分析套管电场步骤 PAGEREF _Toc327768534 h 12 HYPERLINK l _Toc327768535 3.3.1 建立有限元模型 PAGEREF _Toc327768535 h 12 HYPERLINK l _Toc327768536 3.3.2 加载和求解 PAGEREF _Toc327768536 h 14 HYPERLINK l _Toc327768537 3.3.3 结果后处理 PAGEREF _Toc327768537 h 15 HYPERLINK l _T

14、oc327768538 3.4 改善高压套管的电场分布 PAGEREF _Toc327768538 h 15 HYPERLINK l _Toc327768539 3.4.1 建立高压套管模型 PAGEREF _Toc327768539 h 15 HYPERLINK l _Toc327768540 3.4.2 计算结果分析 PAGEREF _Toc327768540 h 16 HYPERLINK l _Toc327768541 3.4.3 高压套管导杆附近电场分析 PAGEREF _Toc327768541 h 17 HYPERLINK l _Toc327768542 3.4.4 套管法兰处电场

15、分析 PAGEREF _Toc327768542 h 18 HYPERLINK l _Toc327768543 结论 PAGEREF _Toc327768543 h 25 HYPERLINK l _Toc327768544 致谢 PAGEREF _Toc327768544 h 26 HYPERLINK l _Toc327768545 参考文献 PAGEREF _Toc327768545 h 27 HYPERLINK l _Toc327768546 附录 PAGEREF _Toc327768546 h 28- PAGE 39 -第1章 绪论课题的背景和意义随着国家的经济发展与人民生活水平的提高，

16、人们对电气设备的可靠性提出了更高的要求。高压套管作为高压引出装置，是电站和电器的配套关键设备之一。一般高压套管按其结构型式可分为纯瓷套管和瓷与有机材料复合应用的套管两大类，套管按用途可分为变压器套管、多油断路器套管和穿墙套管以及其他较为次要的如电容器用套管等。电容式套管主要用于110kV以上电压等级。其中最重要的是电容套管。此外还有只用有机材料（如环氧树脂）制造的套管，充气套管（如充压缩的SF6气体）等。电容式套管是目前超高压系统中最常用的型式，电容式套管具有内绝缘和外绝缘，内绝缘为一圆柱形电容芯子，外绝缘为瓷套，瓷套中部有供安装用的法兰，套管头部有油枕。套管内部抽真空并充满矿物油。套管的整体

17、连接有用强力弹簧通过导杆压紧及用螺栓在连接处直接卡装两种基本形式。为保证套管的密封性良好，在连接处必须采用优质的耐油橡皮垫圈，且有一定的机械强度和弹性。油纸式电容套管内部有弹性板与弹簧共同对因温度变化所引起的长度变化起调节作用，以防止密封的破坏。这种全封闭的连接形式是套管内部完全与大气隔绝，可防止电容芯子和油的受潮或早期老化。老式充油套管采用油屏障结构，60kV以上者胶纸筒屏蔽上也有铝箔电容屏，因而用油量很大，只能采用非密封结构，套管内部绝缘油易受潮，运行中经常需要对套管进行维修，全封闭式电容套管与此相反，具有相当大的优势。电容式套管的瓷套是外绝缘，同时也还是内绝缘和油的容器。变压器套管上瓷套

18、的表面有伞裙，以提高外绝缘抵抗大气条件的能力，下瓷套在变压器油中工作，表面有棱。胶纸式变压器套管无下瓷套。电容式套管的内绝缘电容芯子对于套管性能很重要，电容式套管按其内绝缘材料可分为胶纸套管和油纸套管两大类。高压套管在运行中经受四种电压作用：大气过电压，操作过电压，短时工频过电压，长期工频工作电压。套管试验标准所规定的冲击试验和工频耐压试验及500kV级以上的操作波耐压试验用以保证前两项的绝缘水平；而实验（包括对电压、时间和温度的变化关系）工频耐压试验及近年来发展中的局部放电试验用以对后两项做出恰当的估计。为了保证性能，套管内绝缘与外绝缘必须满足下列条件：(1)长期工作电压下不发生有害的局部放

19、电；(2)一分钟工频耐压试验电压下不发生滑闪放电；(3)工频和冲击耐受试验电压下绝缘无破坏。电容套管的击穿或闪络包括以下形式：(1)穿过纸层中部的辐向击穿；(2)穿过极板边缘纸层击穿；(3)沿电容芯子表面的轴向闪络；(4)在油中的下部瓷套的外表面或内表面闪络；(5)在空气中的上部瓷套的表面闪络。高压套管是大型变压器高压引线绝缘的核心组件，其内在质量和性能对变压器配套试验及用户可靠运行具有重要的意义。它的作用是把变压器的高压绕组的引线引到油箱的外部，套管不但起着引线的对地绝缘作用，而且还起着固定引线的作用。套管问题的研究现状国外对套管的研究起步比较早，制造技术比较成熟，但由于专有技术保密的原因，

20、报道的资料很少。如ABB公司，先后发展了GOA-GOE系列高压套管，电压等级从35kV-1000kV，电流等级从 630A-3150A，冲击绝缘水平最高至2100kV(1)1998年，Joze Pihler和Igor Ticar采用有限元法分别计算了126kV SF6套管在有无接地内屏蔽时瓷套内部和外部的场强分布和电位分布。分析了接地内屏蔽的位置和尺寸与电场分布的影响，并对接地内屏蔽的结构进行了优化设计,为126kV SF6套管接地内屏蔽的设计提供了理论依据。(2)2000年，岳明镜对新型油纸电容式套管绝缘可靠性进行了研究，将20多年来对高压套管的研究进行小结，提出优化绝缘结构，提高性能，特别

21、是优化结构来保证产品高性能的稳定性和长期运行的可靠性。(3)2004年，西安交大的江汛等应用ANSYS软件对选用环氧树脂和高温硫化硅橡胶制造的复合套管进行了2D电场分析，得出选用1:3- 1:4场域的长径比例较为合适，计算表明，套管与法兰连接处涂刷半导体漆可使最高场强降低。(4)2007年，刘晓亮等在电瓷避雷器上发表文章，介绍了特高压交流试验基地1000kV主变压器高压引线端用油纸电容式变压器套管的技术参数、主要尺寸、结构特点、油中电场计算、研究的关键技术及型式试验项目。(5)2008年，河南平高电气公司的钟建英等对特高压复合套管进行设计计算和分析，结果表明套管内绝缘能承受峰值2400kV雷电

22、冲击电压，外绝缘满足2000m的海拔，套管和绝缘件内外表面场强小于其沿面临界放电场强，绝缘件内部的电场强度满足长期运行的要求，其余部位也有相当的设计裕度。(6)2008年，中国电力科学研究院的狄谦采用有限元分析法软件计算了 145kV套管伞套内部和外部的场强分布和电位分布。分析了接地内屏蔽筒的高度、外径、翻边即环的曲率半径等对电场强度分布的影响，并对接地屏蔽的结构进行了优化设计。(7)2008年，董淑建等也在电瓷避雷器上发表文章，文中介绍了最新的 1100kV交流特高压变压器套管的研制过程，并与国外同类产品对比结果表明，高压套管技术性能可靠，能够满足我国特高压输变电工程线路的使用。套管法兰处电

23、场问题的研究意义套管是一种电场具有强垂直介质表面分量的典型的绝缘结构，它表面的电压分布很不均匀，在中间法兰边缘处电场十分集中，很易从此处开始电晕及滑闪放电。同时，法兰和导杆间的电场也很强，绝缘介质易被击穿。为适应工作电压的提高，必须改善法兰及导杆附近的电场。套管具有以下的特点：(1)它是电气绝缘结构中唯一的既有外绝缘又有内绝缘问题的装置，在恶劣的外部环境下同时承受电、热和机械应力，运行条件比较苛刻。(2)电场分布比较复杂。套管的一个电极插入（或穿过）另一个电极的内部，是一种典型的插入式结构，其电场垂直于介质表面的分量较大，沿着表面电压分布极不均匀。在中间法兰处的电场十分集中，易导致表面滑闪放电

24、和闪络；同时因法兰和导杆之间的电场很强，绝缘介质容易击穿。(3)套管和其它电气设备配套，要求结构紧凑且尺寸小，其本身又是有机、无机、气体、液体和固体材料的组合结构，在强电场的作用下，各种介质特性复杂，局部放电等问题比较突出。(4)套管还有导体发热、介质损耗、热击穿和密封等问题。高压套管本身的价格并不贵，但其运行的可靠性对与其配套的其他昂贵的电气设备（如电力变压器）的正常运行十分重要。如果发生事故，变压器会因套管尾部的炸裂导致其主体损坏，并起火燃烧，周围其它油纸复合绝缘设备也会引起爆炸助燃，导致停电，因此造成的经济损失将是十分巨大的。据中国电力科学研究院对110kV及以上变压器10年（1990-

25、1999）的事故统计分析可知，与套管相关的事故约占变压器总事故台次的 6.3%，占总障碍台次约 11%。需要特别引起注意的是随着电压等级的提高，套管事故所占比例不断增加。据国家电力公司统计，自20世纪80年代国内 500kV变压器投运至2002年底的不完全统计，先后发生因套管（及相关部位）引起的事故23台次，存在障碍25台次，占同期总的变压器事故和障碍台次的36%和12.4%。可见，套管故障对电力系统安全运行的威胁，因此高压套管的研究意义是十分重要的。课题的主要研究内容(1)简述套管电场分布的特点、放电特性、原因及危害。简单介绍高压静电场数值计算有限元法的基本原理。同时，对基于有限元ANSYS

26、软件，从建模、网格剖分、加载、计算和后处理等几个方面进行简单叙述。(2)应用ANSYS软件对套管法兰附近电场进行分析，提出优化电场分布方法结构方式。(3)详细分析了采用在套管法兰附近涂刷高介电常数材料改善电场集中问题的方法，分别分析了涂刷不同长度、厚度及介电常数值的高介电常数材料对电场分布的影响。第2章 套管的滑闪放电电力设备的绝缘事故中，很多是沿面放电造成的。沿面放电与固体介质表面的电场分布有很大关系。固体介质处于电极间电场的形式，有以下三种典型情况：(1)固体介质处于均匀电场中，固体、气体介质平行于电力线；(2)固体介质处于极不均匀电场中，且电场强度垂直于介质表面的分量要比平行于表面的分量

27、大很多；(3)固体介质处于极不均匀电场中，但在介质表面大部分地方电场强度平行于介质表面的分量要比垂直分量大。套管属于第二类情况，沿面闪络电压较低，存在着严重的滑闪放电问题。放电对绝缘的危害也很大。套管结构的电场及其表面放电高压套管的接地法兰附近的电场强度较高，而且电力线斜入表面，这种结构发生沿面放电时，闪络电压较低，放电阶段明显，往往经过电晕、刷形放电、滑闪放电最终导致闪络。最简单的光滑圆柱形套管的电场图、等效电路如图2-1所示。由于沿表面有电位降，可以认为沿着此表面有单元电容的串联。同时这个单元电容层对套管导体还存在有相互并联的单元体积电容，因为这里同样存在有一个电位降。其他电容比较小，可以

28、忽略。在导杆和法兰之间施加交流电压，沿套管表面将有电流流过。由于的分流作用，套管表面各处电流不等，越靠近法兰电流越大，单位距离上的压降也大，这就使套管表面的电压分布更不均匀。沿着表面的电压分布方程为 (2-1)由(2-1)式可算得沿套管表面任一点x处的表面电场强度 (2-2)在中间法兰边缘的电场强度，由于x=l,则有 (2-3)由以上公式(2-1)可知，当比值增加，即值增大时，电压分布集中于中间法兰附近，如图2-1所示。当值相同，l较大时电压分布较差，即电压总是集中在法兰附近的一小段区域内。因此，不论如何增大l，并不会使法兰附近的电场有多少降低。图 2- SEQ 图 * ARABIC 1最简单

29、的光滑圆柱形套管的电场图、等效电路图滑闪放电危害处于气体中的固体绝缘，在高电压作用下，往往先发生沿着固体绝缘表面的气体放电。在套管这种插入式结构中，电力线斜入介质表面，放电起始阶段，细线通道内因碰撞电离存在大量带电质点，在较强的电场垂直分量作用下，带电质点不断撞击介质表面，使局部温度升高。电压增加，沿着放电通道通过的带电质点增多，介质表面局部温度也就升的更高，一定电压下，当温度高达足以引起气体热电离时，通道中带电质点剧增、电阻剧降，通道头部电场也剧增，导致通道迅速增长，放电转入滑闪放电阶段,此时，仅用增大表面距离的方法来提高闪络电压，效果不大，必须采用其他措施。滑闪放电特别对有机绝缘材料容易造

30、成损伤。因此，滑闪放电危害总结如下：(1)当滑闪发生时，放电距离增加并不能有效地提高放电电压。(2)局部发热以及滑动性的树枝状放电的尖端容易引起介质击穿。(3)对有机绝缘材料有比电晕更为严重的破坏性。改善电场集中方法高压套管主要起着绝缘的作用，绝缘结构是其主要部分。绝缘一般分为内绝缘与外绝缘，内绝缘主要用来改变导杆周围电场强度及导杆与法兰或金属护套之间的电场分布，可以通过改变绝缘材料的介电常数及绝缘厚度来调节；外绝缘可认为是辅助绝缘，主要是作内绝缘的容器，使不受外界潮气、尘土、风雪和雨露等影响，此外，它需有足够的高度和裙边或棱以保证表面放电电压值，这也对外绝缘材料的选择提出了很高要求。一般在3

31、5kV以下可采用单一绝缘的套管，110kV以上电压级的套管均采取内绝缘与外绝缘相配合的结构。除了依靠绝缘材料本身的绝缘性能外，高压套管往往还要加入一些调整电场分布的措施。常用的一些调整措施如下：(1)改变电极形状：增大电极曲率半径、改善电极边缘、使电极具有最佳外形。(2)改善电极间电容分布：加屏蔽环、增设中间电极。(3)其他措施：采用不同电介质、利用电阻压降、利用外施电压强制电压分布等。根据2.1节的叙述，法兰附近电场分布与和有关，而和又由绝缘材料和周围媒质的相对介电常数和来决定，即 式中 -绝缘的厚度，-比例系数。因此 而法兰附近的场强由此可知，法兰附近的场强随绝缘的相对介电常数的增大而增大

32、，随绝缘的厚度及周围媒质的相对介电常数的增大而减小，因此改善套管结构电场分布的方法是采用介电常数较小的材料；增加其厚度，以及增加周围媒质的相对介电常数等。一般的具体方法有：设置伞棱，增大绝缘厚度和采用半导体复层；应用电容式套管原理。设置伞棱可以有效的限制滑闪放电的发展。绝缘子的垂直表面上，滑闪放电前进的方向与电场强度切向分量方向重合，这里它们可以自由发展，但是，在伞棱的下表面，电场强度的切向分量方向与滑闪放电前进方向相反，因而阻止了滑闪放电的发展。增大绝缘厚度意即减小值，从而提高了滑闪电压。在伞棱内表面涂半导电釉并与法兰接通成等位面，相当于电极深埋入介质内部，边缘电力线只经过瓷体而不经过空气。

33、而在法兰附近上半导电釉可以减小沿着表面的阻抗值，减小了法兰附近的电位梯度，这样更可以改善电场，提高滑闪电压。本文中采用的方法是通过在法兰附近加入高介电常数材料来降低场强。在法兰附近加入高介电常数材料相当于增加周围媒质的相对介电常数，上述分析可知，从理论上讲用此方法降低法兰附近场强是可行的。第3章 套管电场计算及优化高压静电场分析是高电压绝缘技术的一个重要方面。电气设备的绝缘在高电压作用下可能会发生击穿破坏，更确切地说造成绝缘介质击穿的原因是高电压作用下在绝缘中形成的强电场。研究和改善高电压设备中的电场分布情况是高电压技术的重要任务之一。有限元法的基本原理及求解过程目前，高压电气设备主要在工频5

34、0Hz交流电压下工作，电极间电压随时间的变化是比较缓慢的，极间的绝缘距离远比相应电磁波的波长小得多（50Hz交流电压的波长为3000km）。即使在电压变化较快的1.2/50s雷电冲击电压作用下，在电压由零升到幅值的时间内，冲击波虽只行进了几百米距离（波速一般为 150300m/s），但仍比电气设备的尺寸大得多（除高压输电线和有长导线的线圈类设备外）。所以一般电气设备在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析。研究静电场分布的规律，常常希望能够定量计算绝缘各部位的电位和电场强度。但是由于电极形状、介质分布（场域的边界条件）比较复杂，计算常会遇到很多困难，除了极少数简单几何形状的

35、电极和介质分布外，一般很难用解析计算方法求解，甚至不可能求解。工程上常常用近似方法，简化电极形状，来估算场域中某部分的解（主要是最大场强值）。近些年来由于计算技术的发展，计算机的普遍使用，静电场数值计算方法得到了广泛应用，一些边界比较复杂的静电场问题也都获得比较满意的数值解。静电场数值计算中常用的方法是有限差分法、有限元法和模拟电荷法。从原理上讲，对同一静电场问题，这几种方法都可使用，从实用角度出发，由于各种数值计算方法都有其各自的优缺点，因此在求解静电场问题时要选择合适的计算方法。本文中采用有限元法为基本计算方法。有限元法的基本原理有限元法是以变分原理为基础，吸取差分思想而发展起来的求解数学

36、和物理问题的一种数值计算方法，多数问题的有限元方程都是利用变分原理来建立的。但由于有限元法采用了离散处理，所以它的计算更为简单，处理的问题也更为复杂，因而具有更广泛的实用价值有限元法的基本思想可归纳为两个方面：(1)离散离散就是将一个连续的求解域人为地划分为一定数量的单元，单元间的相互作用只能通过节点传递。它的目的，就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程，以利于计算机计算。有限元法的离散是对计算对象的物理模型本身进行离散，即使该物理模型的微分方程尚不能列出，离散过程依然能够进行。其次，有限元法的单元形状不限于规则网格，各个单元的形状和大小也不要

37、求一样，因此有限元能更好逼近原有的轮廓形状，而且还可以在适当的有需要的部位通过加密网格来提高精度，所以有限元具有较强的适应性和较高的离散精度。(2)分片插值变分法是将微分方程边值问题的解等价于相应泛函极值问题的解，把复杂的边值问题求解转换为相对简单的泛函极值求解。它一般用于求解函数较规则和边界条件较简单的问题。分片插值是有限元法中一个重要的思想，它是针对每一个单元选择试探函数（也称插值函数）。由于单元形状简单，所以容易满足边界条件，且用低阶多项式就可获得整个区域的适当精度。对于整个求解域而言，只要试探函数满足一定条件，当单元尺寸缩小时，有限元解就能收敛于实际的精确解。由于有限元处理问题的特点，

38、使其具有独特的优越性：能分析形状复杂的结构，能处理复杂的边界条件，能够保证规定的工程精度，能够处理不同类型的材料。有限元法求解过程以变分原理为基础的有限元法在求解电场问题时，其过程大致如下：(1)建立问题的变分表述：从待解的电场边值问题出发，利用变分原理把问题转化为等价的变分问题，即能量泛函的极值问题。(2)单元剖分：将求解区域剖分成一系列子区域，即单元。(3)选择分片插值函数：选择分片光滑的插值函数去逼近整个求解域内光滑的电势函数。(4)对变分问题离散化：把电势的插值函数代入能量泛函，对变分问题进行离散化，得到以n个节点电势为未知数的n阶联立代数方程组。(5)求解代数方程组：用强加边界条件修

39、改方程组，然后求解修改后的方程组，得到各个节点的电势近似解，并由此算出各个单元和节点的电场强度。(6)结果分析。二维电场有限元解法(1)单元剖分对于二维电场问题，最常用的单元是具有三个节点的三角形单元。这种单元的优点是，它的组合很容易逼近任何形状的二维区域；由于这种单元具有三个自由度，其插值函数为 x, y的线性函数，所以比较简单，并在多数情况下能够满足工程问题的精度要求。因此，本课题二维电场有限元分析使用三角形单元来进行单元剖分。(2)二维电场的表述高压套管的电场分布为轴对称结构，其电场的求解，可归结为二维轴对称静电场的边值问题，其电位的拉普拉斯方程可为边界条件为第一类和第二类条件ANSYS

40、有限元分析软件ANSYS是当前使用广泛，功能强大的有限元软件。ANSYS公司是由美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士于1970年创建并发展起来的，ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，并且具有强大的前后处理功能，其图形输出功能能够清晰、直观地反映出各种场分布的计算结果。在40多年的发展过程中，ANSYS软件不断改善和提高，功能也不断增强。ANSYS软件有较好的图形界面，其使用有两个模式，一是交互模式(Interactive Mode),另一是非交互模式(Batch Mode)。非交互模式是将分析问题的所有命令流用任何文本编辑软

41、件制成文本文件进行分析工作，所需时间比交互模式少。大部分使用者采用非交互式模式，逐一执行命令完成分析工作，内容包括建立模型、查看模型、修改模型、保存文件、打印图形及分析结果的获得等。 ANSYS软件可用来分析电磁领域多方面的问题，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线、力、运动效应、电路和能量损耗等。可用来有效地分析诸如电力发电机、变压器、螺线管起动器、电动机、磁成像系统、图像显示设备、传感器、回旋加速器、磁悬浮装置、波导、谐振腔、电解槽等各类设备的有关问题。软件提供了丰富的线性和非线性材料的表达式，包括各种同性或各向异性的磁导率、介电常数、材料的B-H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理

42、功能允许用户显示磁力线、磁通密度并进行力、力矩、端电压和其它参数的计算。电场方面可以进行电流传导、静电分析和电路分析。可以求解的典型物理量有电流密度、电场强度、电势分布、电通量密度、传导电流产生的焦耳热、储能、电容、电流及电势降等。图 3-1 SEQ 图 * ARABIC 2有限元分析一般过程本文中采用ANSYS10.0软件来对高压套管进行电场分析及优化设计。从应用角度上来看，有限元分析过程可划分为三个阶段前处理、计算和后处理，如图3-1所示。应用ANSYS分析套管电场步骤建立有限元模型1、定义单元类型(1)单击main menu（实用菜单），preprocessor（前处理器），elemen

43、t type (单元类型),add/edit/delet (增加/编辑/删除),弹出element type (单元定义)对话框。如图3-2。 图 SEQ 图 * ARABIC 3-2步骤及element type对话框(2)单击add（增加）按钮，弹出library of element types(单元类型库)。从左侧单元库中，单击选择electrostatic,然后从右侧框中选择2D Quad 121。并在element type reference number (单元类型参考编号)一栏中填入单元参考号1。如图3-3。图 SEQ 图 * ARABIC 43-3 library of e

44、lement types对话框(3)单击OK，回到element types 对话框，单击option，弹出plane121 element type options对话框将K3选择为axisymmetric轴对称形式，然后单击OK，退出，完成单元定义。如图3-4。图 SEQ 图 * ARABIC 53-4 plane121 element type options对话框2、定义材料属性单击main menu ,preprocessor ,material props(材料属性)，material models（材料模型）,弹出difine material model behavior(定义

45、材料模型)对话框。输入模型材料参数，退出后完成ansys材料属性的定义。如图3-5。 图 3-5 SEQ 图 * ARABIC 6步骤及define material model behavior对话框3、创建有限元模型(1)单击main menu ,preprocessor ,modeling(建模)，create（创建），areas(面)，rectangle(矩形)，by dimensions,弹出create rectangle by dimensions对话框，输入模型相应尺寸，建立套管模型。如图3-6。 图 3-6 SEQ 图 * ARABIC 7步骤及create rectangl

46、e by dimensions对话框(2)main menu ,preprocessor ,meshing ,mesh attributes ,picked areas为模型分配单元属性,meshing ,size cntrls ,smatsize ,basic,设置网格划分水平为1.然后对模型进行网格划分。如图3-7。图 3-7 SEQ 图 * ARABIC 8网格划分步骤加载和求解(1)定义分析类型和设置分析选项Main menu ,solution(求解器) ,analysis type(分析类型)，new analysis(新分析)(2)设置边界条件Main menu, solutio

47、n, difine load(定义载荷) ,apply ,electric ,boundary,voltage,on lines，导杆和法兰为第一类边界条件，设定套管导杆高压110kV，法兰电压0kV,其他为第二类边界条件，软件自动满足。如图3-8。图 3-8 SEQ 图 * ARABIC 9步骤及apply volt on lines(3)求解Main menu ,solution ,solve(求解)，current LS（当前载荷步）结果后处理完成求解后，单击main menu ,general postproc(通用后处理器)查看结果。如图3-9。图 3-9 SEQ 图 * ARABI

48、C 10结果处理步骤改善高压套管的电场分布建立高压套管模型由于本课题主要是对套管外部电场进行分析，在不影响分析的情况下，忽略套管精细的部分，应用ANSYS软件建立简化的高压套管2D模型，如图3-10所示。在本论文中出现的结构图均为轴剖面图的右半部分。空气介电常数为1，油介电常数2.2，瓷套介电常数6。空气剖分单元选plane121,单元属性为轴对称。导杆和法兰为第一类边界条件，设定套管导杆高压110kV，法兰电压0kV,其他为第二类边界条件，自动满足。图 SEQ 图 * ARABIC 113-10套管2D电场计算模型图计算结果分析应用ANSYS分析软件得到高压套管电位及场强分布，如图3-11、

49、3-12所示。由云图可验证场强主要集中于法兰附近及导杆与法兰之间。图 3-11 SEQ 图 * ARABIC 12电位分布图 3-12 SEQ 图 * ARABIC 13电场分布高压套管导杆附近电场分析对套管导杆进行简单的分析。以油纸电容式套管为例，这种套管的性能往往主要取决于电极，它是在导杆上包以多层绝缘构成的，在层间按设计所要求的位置上夹有铝箔，以组成一串同轴圆柱形电容器。因为相邻的两铝箔（均压极板）间的绝缘层（油纸）很薄，因此不但电气强度很高，而且电场分布也可以控制得比只有少量均压极板的充油套管均匀得多。油纸套管的芯子是以电缆纸浸以矿物油为绝缘由于套管具有轴对称结构，所以只计算二维的情况

50、就可以。图3-13给出了套管内部2D模型图，对模型进行计算时，电极面加载高电位，最外面的一层铝箔被称为零屏，电位为零，零屏的右侧和套管右侧边界线也都为零电位，为第一类边界条件。各个铝箔都被耦合成等电位，其余边界为第二类边界条件，自然满足。计算后从图3-14中可以看出，场强主要集中在电极与第一层铝箔之间以及各层铝箔的顶端，模型最大场强则出现在末屏的顶端。通过比较图3-12与图3-14可看出，在套管内加适当的极板可相应改善导杆附近的电场集中问题。图 3-13 SEQ 图 * ARABIC 14套管内部2D电场计算模型图图 3-14 SEQ 图 * ARABIC 15电场分布图套管法兰处电场分析在法

51、兰附近，空气侧场强大于绝缘侧场强，最大场强靠近法兰，如图3-15所示，因此随着电压的升高，法兰附近极易产生电晕和刷形放电16。比较法兰附近加入高介电常数材料和没有加入高介电常数材料的最高场强，如图3-16所示，材料为4mm厚，介电常数为10，加入后，降低了法兰附近最高场强近50%。随着厚度和介电常数的增加，法兰附近最高场强进一步降低。图 3-15 SEQ 图 * ARABIC 16法兰附近空气侧与绝缘侧电场分布图 3-16 SEQ 图 * ARABIC 17法兰附近有无涂层的电场分布为研究高介电常数材料的高度、厚度及介电常数的变化对电场的影响，分别对其不同情况进行模拟。图 3-17 SEQ 图

52、 * ARABIC 18加入高介电常数层后套管2D模型(1)改变材料厚度对场强的影响设置材料长度为10cm,介电常数为15，应用ANSYS软件分别模拟材料厚度为4mm、9mm、13mm时电场的分布情况，如图3-图3-19显示了增加材料厚度改善电场的效果。加入高介电常数材料后，在法兰附近最大场强降低到未加入高介电常数材料时最大场强55.2%（厚4mm）、45.5%（厚9mm）和41.8%（厚13mm），且最高场强均出现在涂层距离法兰最近处。如图3-20，结合图3-17加入高介电常数材料后套管模型分析，距离法兰最近处的场强随着厚度的增加而减小，而距离法兰最远处的场强则随着厚度的增加而增大，厚度由4

53、mm增加到9mm最大场强下降幅度高于厚度由9mm到13mm场强下降幅度，因此，综合经济考虑，在这3个方案中，9mm方案较为适宜。4mm9mm13mm图 3-18 SEQ 图 * ARABIC 19不同厚度电场分布云图图 3-19 SEQ 图 * ARABIC 20改变厚度法兰附近电场分布图 3-20 SEQ 图 * ARABIC 21改变厚度最大场强变化(2)改变材料的介电常数对电场的影响设置材料长度为10cm,厚度为9mm，应用ANSYS软件分别模拟材料介电常数为10、15、20时电场的分布情况。如图3-21所示。101520图 3-21 SEQ 图 * ARABIC 22不同介电常数电场分

54、布云图图 3-22 SEQ 图 * ARABIC 23改变介电常数法兰附近电场分布图 3-23 SEQ 图 * ARABIC 24改变介电常数最大场强变化图3-22显示了增加材料介电常数改善电场的效果。加入材料后法兰附近最高场强降低到未加高介电常数时最高场强49.7%（介电常数10）、45.5%（介电常数15）和42.9%（介电常数20）。结合图3-17加入高介电常数材料后套管模型分析，如图3-23所示，加入高介电常数材料后靠近法兰处场强随介电常数的增加而降低，而材料远离法兰处场强则随介电常数的增加而增加，当介电常数为10和15时，最高场强出现在距离法兰最近处，介电常数为15时最高场强是介电常

55、数为10时的91.6%；当介电常数为20时，最高场强出现在距离法兰最远处，且最高场强是介电常数为15时的94.5%。从图3-23中可看出，介电常数增加，最大场强下降幅度差别不大，但随介电常数的增加，远离法兰处的场强将会超过靠近法兰处的场强，且随介电常数的增加而逐渐增加。综上所述，在这3个方案中，介电常数为20的方案较优。从理论上说，较厚层和较高介电常数更好改善电场。不过，这些值也有实际和经济的限制。(3)改变材料长度对电场的影响如图3-24所示，设置材料厚度为9mm,介电常数为15，分别模拟长度为5cm、10cm、15cm时电场的分布情况。图3-25显示了增加材料长度改善电场的效果。在法兰附近

56、电场集中处场强降低到未加入高介电常数材料时最大场强57.2%（长度5cm），45.5%（长度10cm），47.4%（长度15cm）。结合图3-17加入材料后套管模型分析，如图3-26所示，靠近法兰处的最大场强随着材料长度的增加而增加，而远离法兰处的最大场强则随材料长度的增加而减小。加入10cm长材料的法兰附近最高场强是长20cm的96%，相差不多；而当材料长度为5cm时，最高场强由材料底部（贴近法兰处）上移到材料的顶部（距离法兰最远处），且其最大值高于材料10cm时的最高场强。因此，在此3方案中，长度为10cm的方案比较合适。5cm 10cm15cm图 3-24 SEQ 图 * ARABIC

57、25不同长度电场分布云图图 3-25 SEQ 图 * ARABIC 26法兰附近电场分布图 3-26 SEQ 图 * ARABIC 27改变长度最大场强变化综上所述可得出一结论，即高介电常数涂层的长度可以在一定程度上减少而不降低其改善电场分布的功能。结论本文应用ANSYS软件对高压套管进行了电场计算，主要对高压套管法兰附近电场进行分析，采用在法兰附近加入高介电常数材料来降低最大场强，本文主要得出如下结论：(1)通过软件模拟验证了套管的电场分布极不均匀，并且电场主要集中在导杆与法兰之间及法兰附近区域。随后对套管的模型进行了简单的电场计算分析，得出油纸电容式套管内部的场强主要集中在电极与第一层铝箔

58、之间以及各层铝箔的顶端，因此，加入适当的极板可以缓解导杆附近电场集中问题。(2)本文对套管法兰附近电场进行了二维有限元计算，给出了整体电位、电场分布云图，并且指出了场强最大值的位置。随后对套管绝缘设计进行了分析，提出降低套管法兰周围电场强度的方法，即在套管法兰附近加入高介电常数材料。用简化的套管模型进行模拟，收到了很好的效果，软件仿真计算分析证明，在法兰附近加入高介电常数材料可有效降低法兰附近的最高场强，而且此方案在工艺上较容易实现。(3)通过ANSYS软件分别分析改变涂层的长短、厚度及介电常数对法兰附近电场的影响。分析结果表明，较厚层和较高介电常数更好改善电场。不过，这些值也有实际和经济的限

59、制。高介电常数层的长度可以在一定程度上减少而不降低其改善电场分布的功能，因此考虑其改善电场能力大小，同时应结合考虑经济限制。通过分析，在改变材料长度时，5cm、10cm、15cm三种方案中10cm较为合适；在改变材料厚度时，4mm、9mm、13mm三种方案中9mm较为适宜；在改变材料介电常数时，10、15、20三种方案中介电常数为20的方案比较合适。致谢本论文在选题及研究过程中得到张沛红老师的悉心指导。张老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇论文的完成，都非常耐心的对我进行了指导。给我许多宝贵的建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误。多次询问研究过程，并为我指点迷津，帮我开拓思

60、路、精心点拨、热忱鼓励，使得我的论文如期完成。张老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节都给予了我悉心的指导。感谢培养教育我的哈尔滨理工大学各位老师，给予了我浓厚的学术气氛，使我的大学四年学习生活非常充实，不但教会了我很多专业的知识，更教会了我做人的道理。在此，我谨向以上人士表达我万分的感谢，并将在以后的生活中继续努力的学习，不辜负师长的期望。参考文献 朱德恒,严璋.高电压绝缘.北京:清华大学出版社,1992.2 Joze Pihler, Igor Ticar. Epoxy bushing used in med