光滑圆柱绝缘子覆冰闪络研究与电场计算

论文摘要

冰灾事故的频繁发生导致输电线路覆冰,严重威胁电力系统的安全稳定运行。世界各国学者对绝缘子覆冰闪络过程和闪络特性开展了大量的研究工作,但是对绝缘子覆冰闪络机理的认识还没有达成一致,只是大都认为:覆冰是一种特殊形式的污秽。由于电弧在覆冰绝缘子表面起始、发展和完全闪络与沿面电位、电场分布有着密切的联系,因此本文忽略真型绝缘子外形的复杂多样化,以及绝缘子伞裙因覆冰或积雪形成的冰棱现象,以光滑圆柱绝缘子为研究对象开展相关的覆冰闪络特性及机理研究。本文在低温低气压气候室内对圆柱形绝缘子物理模型进行交流覆冰闪络试验,研究影响绝缘子覆冰闪络电压的因素。通过摄像仪记录覆冰绝缘子的整个闪络过程,阐述局部电弧的起始位置和可能发展的形式,此外还计算了电弧在不同发展阶段的延伸速度。基于有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,本文建立了光滑圆柱绝缘子的电场计算模型,研究局部电弧出现前后覆冰绝缘子沿面电场的分布特性,并分析了电弧在绝缘子表面起始、发展与沿面电位、电场的关系。同时还将各种仿真计算值与交流覆冰闪络特性试验结果及沿面电位分布实测值进行了比较,验证电场仿真计算方法的可靠性与精确度。通过试验研究和仿真计算,论文得到以下结论:覆冰交流闪络特性试验表明:无冰带长度与绝缘子闪络电压成线性关系,无冰带的位置对闪络电压有较大的影响,但随着冰层染污程度的增加,覆冰水电导率对冰闪电压的影响起主导作用。覆冰水电导率越高,沿面电位分布畸变越明显。融冰水膜和无冰带的分布可能导致电弧起弧和发展延伸形式有所不同。此外在电弧的不同发展阶段,外部和内部电弧的速度与燃烧状态也有所差别。根据局部电弧出现前电场仿真计算可知,覆冰冰体和融冰水膜使绝缘子沿面电位分布逐渐线性化。与清洁绝缘子电场相比,虽然覆冰改变了沿面电场的弱垂直分量特征,但是当覆冰绝缘子表面出现无冰带后,绝缘子表面电场的轴向分量在局部电弧的起始阶段占据主要地位。根据局部电弧出现后电场仿真计算可知,局部电弧沿绝缘表面发展过程中弧足附近电场强度最大。在电弧发展第一阶段,弧足处的场强由大略微变小再由小变大。在电弧发展第二阶段,当电弧长度达到泄漏距离的60 %时,弧足前方场强和剩余冰层上的电场强度都急剧增大。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 绝缘子覆冰闪络影响因素
• 1.2.2 绝缘子覆冰闪络电路数学模型
• 1.2.3 绝缘子覆冰闪络电场计算模型
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 2 试验设备与方法
• 2.1 试品
• 2.2 试验装置与试验原理接线
• 2.2.1 覆冰试验装置
• 2.2.2 试验电源
• 2.3 绝缘子覆冰试验方法及沿面电位分布测量
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 局部电弧出现前沿绝缘表面电位分布测量
• 2.4 本章小结
• 3 圆柱物理模型交流闪络特性试验研究
• 3.1 光滑圆柱模型的闪络电压
• 3.1.1 无冰带分布对闪络电压的影响
• 3.1.2 覆冰水电导率对闪络电压的影响
• 3.2 局部电弧出现前沿面电位分布
• 3.3 覆冰绝缘子闪络过程分析
• 3.3.1 无冰带分布对覆冰闪络过程的影响
• 3.3.2 覆冰闪络过程中的电弧发展路径与发展速度
• 3.4 本章小结
• 4 覆冰绝缘子电场仿真计算
• 4.1 覆冰绝缘子沿面电场性质及其计算原理
• 4.1.1 有限元分析法
• 4.1.2 沿面电场的有限元仿真计算原理
• 4.2 局部电弧出现前覆冰绝缘子沿面电场的仿真计算
• 4.2.1 开域问题的仿真模拟
• 4.2.2 融冰水膜的仿真模拟
• 4.2.3 悬浮导体的处理
• 4.2.4 数值仿真模型及其参数
• 4.3 局部电弧出现前数值仿真结果及验证分析
• 4.3.1 清洁、干冰、湿冰时沿面电位、电场分布的比较
• 4.3.2 无冰带对沿面电位、电场分布的影响
• 4.4 局部电弧出现后覆冰绝缘子沿面电场的仿真计算
• 4.4.1 绝缘子展开模型
• 4.4.2 展开模型的电场计算
• 4.5 局部电弧出现后数值仿真结果及验证分析
• 4.5.1 绝缘子表面电位及电流密度分布
• 4.5.2 电场分布随电弧长度的变化规律
• 4.6 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目目录及获得的奖励