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篇二：
开题报告
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基于有限元法的500kV输电线路绝缘子串的电压分布计算
学生：
夏余舜
指导老师：
张宇娇
（三峡大学科技学院）
1课题来源
本课题为基于有限元法的500kV输电线路绝缘子串的电压分布计算，课题来源于生产实际。
2课题研究的目的和意义
2.1绝缘子的概述
绝缘子是一种特殊的绝缘控件，是输配电系统中使用最广泛的元件，在架空输电线路中起到重要的作用。
早年间绝缘子多用于电线杆，后来慢慢发展于高型高压电线连接的一端挂了很多盘状的绝缘体，它是为了增加爬电距离，通常由玻璃或陶瓷制成，就叫绝缘子。
绝缘子在架空输电线路中起着两个基本作用，即支撑导线和防止电流回地，这两个作用必须得到保证，绝缘子不应该由于环境和电负荷条件发生变化导致的各种机电应力而失效，否则绝缘子就不会产生重大的作用，就会损害整条线路的使用和运行寿命。
目前输电线路上，主要使用盘形悬式绝缘子、棒形绝缘子、针式绝缘子等。
盘形悬式绝缘子主要有瓷绝缘子和玻璃绝缘子；
棒形绝缘子分瓷质和复合绝缘子；
针式绝缘子主要用于配电线路中。
在输电线路中对绝缘子要求满足机械性能、电气性能、热机性能、抗劣化性能及其他性能。
2.2研究绝缘子串电压分布的意义及方法
绝缘子在输电线路中起着支撑导线和绝缘的作用，其稳定运行对电力系统的安全稳定十分重要。
在交流电压作用下，由于绝缘子对杆塔和导线等的作用，绝缘子串电压分布不均匀，高压端承受较高电压。
玻璃和瓷绝缘子串的第1片承受电压过高易导致绝缘闪络、起晕、劣化等，而合成绝缘子芯棒高压端附近承受高电压，易导致芯棒脆断、掉线等严重事故。
加装屏蔽环可改善绝缘子串的电压分布。
其效果和屏蔽环的型号、位置关系很大。
线路绝缘子串电压分布关系到绝缘子的型号、片数、屏蔽环的布置及金具结构的选择，要保证输电线路中可击穿型绝缘子在运行中能承受各种过电压作用，而不致使绝缘子被击穿，产生永久性故障，就必须用绝缘子的泄露距离、1min工频耐受电压、干（湿）耐受电压或干（湿）闪络电压以及相应的电气性能来评价。
因而研究绝缘子串电压分布意义重大。
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2.3基于有限元法对绝缘子串电压分布计算的优势
当前绝缘子结构优化设计越来越受到人们的重视，利用各种数值计算方法计算绝缘子、套管等高压器件的电场、磁场分布已成为高电压领域优化设计和分析的一个新趋势，计算某一种绝缘子的电压分布，或分析绝缘子的某一部分，应用不同方法计算以比较其优劣。
通过有限元法运用软件ANSYS分析计算绝缘子的电压分布，有利于其合理的利用和设计。
3国内外的研究现状和发展趋势
在交流高电压作用下沿绝缘子串的电位分布是不均匀的，同时在直流高电压的作用下也是极不均匀的。
近年来，很多研究机构研究绝缘子串电压分布方面取得了重大成就，形成了许多理论和方法，在数值计算法和工程应用领域都取得了不少成果。
3.1国外研究现状
根据国外资料报道，相似的地理环境，在直流高压作用下沿绝缘子串的污秽不均匀程度比交流高电压作用时更为严重，绝缘子的损坏率也更高[2]。
了解和改善绝缘子串的电位分布对于了解输电线的电晕水平、无线电干扰水平、可听噪音水平和线路的能量损失是极为重要的。
几十年来，人们提出不同的方法来测量绝缘子串的电位分布，其中最有名的是70年代初I.A.Black提出的指零法（NullMethod）以及80年代初加拿大魁北克水电研究所D.Train等人发展的激光式静电电压表法。
1986年，加拿大多伦多大学W.Janischewskyj教授等用此法在实验室内测量了5个绝缘子组成的绝缘子串的电位分布及各部位的电流和空间电流，而这正是本文计算结果赖以比较的依据。
长期以来，人们一直应用简便的计算方法来求解电磁场，如镜象法、保角变换法、网格法等。
近些年来，由于计算机的发展，科学工作者开拓了多种数值计算法来求解电场的问题，如有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、模拟电荷法（CSM）、矩量法（MM）以及任意两种方法结合而成的混合法。
每种方法各有优势，目前都得到了广泛的应用[3-4]。
本文试图应用模拟电荷法[5]计算绝缘子串在直流电压下的电位分布及空间电场强度。
在计算中，应用介质的基本物理概念列出一组辅助方程，以克服绝缘子金属帽的电位悬浮、边界条件未知的困难，使模拟电荷方程组得解。
3.2国内研究现状
有限元法（FEM）的二维、三维已经有了很大发展，包括对用有限元法解决工程实际问题的论文所占的比例最大。
在绝缘子电压分布方面，国内很多学者做了研究工作。
何立善等用有限元法对绝缘子电压分布性能进行了综合分析[1]。
江秀臣、徐霖、韩振东等对直流绝缘子串电压分布测量方法及其分布特性进行了研究[6]，樊亚东、文习山、李
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晓萍、邓维等人分析研究了复合绝缘子和玻璃绝缘子电位分布的数值仿真应用[10]。
吴光亚、谭捷华、张子龙、蔡炜、张锐等人对高压输电线路用复合绝缘子电位和电场分布的计算与改善进行了深入的研究[7][9]。
沈鼎申、张孝军、万启发、阮江军等人运用有限元法对750kV线路绝缘子串电压分布进行了计算[8]。
这些研究对于输电线路绝缘子串的运用起到很大的作用，能使线路保证正常运行。
4研究的主要内容及设计成果的应用价值
4.1本文所研究的内容
输电线路绝缘子串电压分布计算，对于绝缘子的造型、绝缘子串的高度选择、屏蔽均压环的布置、金属结构的选择等十分重要。
采用有限元法运用ANSYS软件对线路绝缘子串进行建模计算绝缘子各个部分承受电压百分比的分布，并进行分析。
4.2应用价值
通过课题的研究与实践，具有以下应用价值：
1）了解绝缘子串配电系统中所起的作用、运行状态及其结构参数；
2）学习有限元计算理论、数值计算的知识，熟悉ANSYS软件的使用；
3）对于绝缘子的产品设计和工程分析具有一定的指导意义，在实际工作中给设计者带
来很大方便。
5工作的主要阶段、进度
1）201X年秋季学期第11周前
接受毕业设计任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。
2）201X年秋季学期第12~18周
阅读指定的参考资料及文献（包括10万个印刷符号与课题或本专业相关的外文资料），熟悉有限元计算理论、数值计算的知识，熟悉ANSYS软件的使用。
基本完成开题报告、外文翻译等任务。
3）201X年秋季学期第19周
进一步修订完善开题报告、外文翻译，使其在内容及格式上符合毕业设计（论文）规范要求。
4）201X年春季学期第1~9周
依据绝缘子的结构运用ANSYS软件对其进行多物理场计算建模，要求对模型单元材料选择、加载计算边界条件定义与属性设置准确，能够进行初步的计算。
5）201X年春季学期第10周
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后处理提取结果进行分析继续完善设计及论文的述写。
6）201X年春季学期第13周
完成毕业设计，全部成果交指导教师批阅。
7）201X年春季学期第14周
毕业答辩。
6最终目标及完成时间
了解绝缘子串的结构特点，实现二维模型的建立，并最终实现基于有限元法的500kV输电线路绝缘子串的电压分布计算。
完成时间：
第14周
7现有条件及必须采取的措施
7.1现有条件
现有有限元分析软件，电脑设备，可以完成绝缘子串电压分布计算与设计。
7.2采取的措施
本文针对绝缘子的造型、绝缘子串的高度，屏蔽均压环的布置，金具结构的选择进行了分析与计算。
求解出各部分的电压分布。
1）利用有限元软件建立绝缘子串电压分布分析模型，并对模型的单元材料选择、加载
计算的边界条件定义与属性进行准确地设置，进行初步的计算[10-13]。
2）测量探头的布置改变了绝缘子串的电场分布；
仪器精度及外界的干扰因素等带来的
误差。
导致计算误差的因素有：
计算模型基于一定的简化假设条件，难以保证与实际布置情况完全一致；
三维计算过程中，由于计算机内存的限制，剖分密度和单元正定性无法进一步提高，因此无法进行更加有效的真解逼近（有限元计算过程实际上就是对真解的逼近过程）。
所以在建模计算过程中要尽力控制这些不利因素[14-17]。
8协助单位及要解决的主要问题
本课题的完成应解决绝缘子串电压分布对线路运行影响的技术问题，需要得到各绝缘子生产研究单位的大力支持和帮助。
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参考文献
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[2]袁致川，沿绝缘子串电位分布的数值计算法[J].高电压技术，1997，23
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避雷器，1997，（4）：
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[6]江秀臣，徐霖，韩振东，直流绝缘子串电压分布测量方法及其分布特性[N].上海交通大学学报，
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[7]吴光亚，谭捷华，张子龙.高压输电线路用复合绝缘子电位和电场分布的计算与改善[J].电力设备，
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[8]沈鼎申，张孝军，万启发，阮江军.750kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算[J].电网技术，201X，27（12）：
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[9]吴亚光，谭振华，张子龙，蔡炜，张锐，高压输电线路用复合绝缘子电位和电场分布的计算与改
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（1）：
30-32.
[10]樊亚东，文习山，李晓萍，邓维.复合绝缘子和玻璃绝缘子电位分布的数值仿真[J].高电压技术，
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[11]李鹏，范建斌，李光范，宿志一.1000kV特高压交流线路绝缘子串电位分布计算和均压环设计[J].
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