电器设备的静态与瞬态电场数值分析

论文摘要

针对高压及特高压开关设备小型化及绝缘性能的要求,本文对40.5kV/SF6充气式开关柜（C-GIS）中断路器气室三维电场进行了分析计算;对1100kV GIS中隔离开关气室的大型三维电场问题进行了分析计算;对1100kV GIS中盆式绝缘子的瞬态电场进行了分析计算。以便较精确的预测设备的电场分布,从而提高开关设备的绝缘水平。首先,本文对40.5kV/SF6 C-GIS断路器气室三维电场进行了分析计算。针对产品实际结构的复杂性,应用网格划分控制工具的参数设置和疏密网格等分网方式对模型进行网格划分,同时对电场分析中结构比较复杂的区域进行子建模以放大危险区域,以提高电场计算精度。通过电场的结果分析,得出断路器气室内各区域电场强度最大的位置及电场强度的比值,进而为断路器气室的绝缘结构设计提供理论参考。其次,对1100kV GIS中隔离开关室三维电场进行了分析计算。1100kV GIS中隔离开关室尺寸较大,约是40.5kV C-GIS中断路器室实际尺寸的7倍,且电极形状复杂。对于GIS中隔离开关室的大型三维电场问题,本文利用自编程序,尝试将区域分解法与现有软件相结合对其进行三维电场分析计算。分析接地开关静触头直径与边倒角尺寸对触头表面附近的电场分布影响。运用电场能量法对电容参数进行计算,得出不同位置电容计算结果,并与测试结果进行了比较。最后,GIS中隔离开关分合母线电容电流时产生的快速暂态过电压（VFTO）,具有上升时间短及幅值高的特点,并且工作气压下绝缘子沿面在VFTO作用下比雷电波作用下要危险得多。因而,本文研究VFTO作用下的盆式绝缘子的沿面电场分布。首先对VFTO数值模拟结果进行离散的傅立叶变换,利用最小二乘法对数值模拟的结果进行拟合,获得不同频率分量占整体的比例系数。再将介电常数的非线性和不同频率分量结合在一起考虑,推导出暂态电场计算的频域数学模型。利用频域数学模型,计算VFTO作用下绝缘子的电位与电场强度分布,从而进一步分析绝缘子的绝缘性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 电器设备电场数值计算的国内外主要研究状况
• 1.2.1 静态电场计算的国内外发展状况
• 1.2.2 暂态电场计算的国内外发展状况
• 1.3 本课题的来源及主要研究内容
• 第二章 三维静态电场计算的有限元原理
• 2.1 运用有限法求解大型静电场的主要问题
• 2.1.1 有限元法概述
• 2.1.2 有限元法求解大型电场的主要问题
• 2.2 运用有限元法求解三维静电场的原理
• 6气体击穿场强和沿面放电场强'>2.3 SF₆气体击穿场强和沿面放电场强
• 6充气式开关柜中断路器室电场数值计算'>第三章 40.5kV SF₆充气式开关柜中断路器室电场数值计算
• 3.1 40.5kV/C-GIS断路器室的分析模型
• 3.1.1 40.5kV/C-GIS断路器室分析模型的建立
• 3.1.2 40.5kV/C-GIS断路器室的网格划分
• 3.2 40.5kV/C-GIS断路器气室的电场求解
• 3.3 小结
• 第四章 特高压GIS中隔离开关室电场数值计算
• 4.1 特高压GIS中隔离开关电场模型建立
• 4.2 区域分解法在电场求解中的应用
• 4.3 电场计算中悬浮导体问题的处理与验证
• 4.4 特高压GIS中隔离开关气室的电场分析
• 4.5 分布电容参数计算
• 第五章 瞬态电场的分析
• 5.1 暂态电场计算的数学模型
• 5.1.1 绝缘介质高频参数的确定
• 5.1.2 暂态数学模型的建立
• 5.1.3 VFTO波形的处理
• 5.1.4 多次谐波分量的叠加
• 5.2 VFTO作用下盆式绝缘子的暂态电场分析
• 5.2.1 盆式绝缘子瞬态场模型建立
• 5.2.2 不同频率分量下的暂态电场分布
• 5.2.3 电场强度沿绝缘子表面的分布
• 5.2.4 不同时刻暂态电场的分析
• 5.3 暂态与静态电场分布的比较
• 5.3.1 静态电场的计算与分析
• 5.3.2 瞬态电场与静态电场的比较
• 5.4 松弛时间对电场分布的影响
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢