摘 要

随着电能的快速兴起，人类社会对电能的需要越来越多，为了保持电能的安全正常输送，必须继续发展超、特高压输电线路。而绝缘子作为输电线路的重要元件之一，绝缘子的性能很大程度上影响这输电线路的安全可靠运行。而绝缘子串周围的电场和电压分布能从侧面反映出绝缘子的性能，可以依据这一点对劣化绝缘子进行非接触性检测，更进一步可以为输电线路的检测提供一定帮助。

本文首先介绍了绝缘子相关的基本知识，包括绝缘子的类型、绝缘子的应用场合、绝缘子的工作原理、绝缘子故障的种类、绝缘子故障的原因、绝缘子故障的判别方法和绝缘子故障的危害等。同时还介绍了盘形悬式瓷质绝缘子的结构和电气特性。另外本文还粗略介绍了几种数值计算方法，包括有限差分法、有限元法、矩量法、模拟电荷法、表面电荷法和边界元法，并说明了这几种数值计算方法的优缺点。本文还对ANSYS这一有限元软件进行了大致的介绍，说明了ANSYS软件的几个重要模块。最后本文应用有限元分析软件ANSYS13.0分析了在500kV输电线路中，存在零值绝缘子的绝缘子串周围的电场分布与电压分布与正常绝缘子串的区别，并总结分析了最后的结果。

关键词：电能；绝缘子；零值绝缘子；ANSYS；有限元法；电场分布

Abstract

With the rapid rise of electricity, human society needs more and more energy, in order to maintain the safe transportation of electricity, we must continue to develop ultra-high voltage transmission lines.The insulator as one of the important components of the transmission line, the performance of the insulator to a large extent affect the safe and reliable operation of the transmission line.And the electric field and the voltage distribution around the insulator string can reflect the performance of the insulator from the side, and the non-contact detection of the defective insulator can be detected according to this point, and further can provide some help for the transmission line detection.

This paper first introduces the basic knowledge of insulator, including the type of insulator, the application of insulator, the working principle of insulator, the type of insulator fault, the cause of insulator failure, the method of fault identification of insulator and the harm of insulator fault.The structure and electrical characteristics of disc-shaped suspension porcelain insulators are also introduced. In addition, this paper also introduces several numerical methods, including finite difference method, finite element method, moment method, simulated charge method, surface charge method and boundary element method, and illustrates the advantages and disadvantages of these numerical methods.This article also introduces the finite element software of ANSYS, and explains several important modules of ANSYS software.Finally, the finite element analysis software ANSYS13.0 is used to analyze the difference between the electric field distribution and the voltage distribution and the insulator string around the insulator string with zero insulator in 500kV transmission line, and summarize the final result.

Key Words：Electric energy；Insulator; Zero insulator; ANSYS; Finite element method; Electric field distribution

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 绝缘子的发展现状 2

1.2.2 绝缘子串周围电场分布研究现状 2

1.2.3 数值计算方法介绍 3

1.3 本文的主要工作 4

第2章 绝缘子的基本知识 6

2.1 绝缘子的类型 6

2.2 绝缘子的应用场合 6

2.2.1 瓷质绝缘子 6

2.2.2 玻璃绝缘子 7

2.2.3 复合绝缘子 7

2.2.4 混合绝缘子 8

2.3 绝缘子故障的种类、原因、判别方法和危害 8

2.4 本章小结 10

第3章 线路绝缘子串的特性及计算方法分析 11

3.1 绝缘子的结构 11

3.2 绝缘子的电气特性 11

3.3 绝缘子串的理论电压分布 12

3.4 有限元原理及计算步骤 14

3.4.1 有限元分析计算的思路和做法 14

3.4.2 有限元法的基本步骤 15

3.4.3 有限元法在静电场中的应用 15

3.5 ANSYS软件介绍 16

3.6 本章小结 17

第4章 500kV劣质绝缘子的电场计算和分析 18

4.1 模型的分析及简化 18

4.2 选择单元类型和设置材料属性 20

4.3 建立模型及划分网格 20

4.4 施加负载求解并分析结果 21

4.4.1 正常绝缘子串周围电压和电场分布情况 21

4.4.2 含劣化绝缘子的绝缘子串周围电场和电压分布 23

4.5 本章小结 24

第5章 全文总结和展望 25

5.1 全文总结 25

5.2 全文展望 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 研究的背景、目的和意义

为了维持人类的可持续发展，对于低碳技术的需求及关注日益见长，电能的开发和应用技术更是重中之重，智能电网、高压输电技术等新兴电力技术正在飞速发展中。

2005年9月26日，我国第一条世界上海拔最高的青海官亭至甘肃兰州东750kV输变电工程正式投入运行[^[1]]。2006年8月19日，我国第一条“1000kV交流特高压试验示范工程”——晋东南-南阳-荆门1000kV输电线路工程开工建设，并于2009年1月6日正式投入运行。目前我国电网公司正在投资建设高压输电线路，以求形成“西电东送”、“北电南送”的电能配置格局。“十三五”规划纲要提出“优化电网结构，提高系统安全水平；尽量降低电网建设成本，提高输电线路运行效率；升级改造配电网，着力于智能电网建设”[^[2]]。可以看出，超、特高压输电已成为我国电网的基础。