1、本科毕业论文（20 届）高介电常数材料改善套管电场分布研究所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -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，
2、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 哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The Research of Using
3、High Dielectric Constant Materials to Improve Electric Field Distribution of BushingAbstractHigh 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 electri
4、cal appliances testing and user reliable operation is of great significance. The bushing 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
5、of flange is very concentrated, it is easy for the edge of flange to start corona and discharge. 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
6、 characteristics of the bushing, and on this basis，use the ANSYS finite element analysis 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 appr
7、opriate measures to reduce the maximum field strength. Calculations show that the bushing flange near the brushing of high 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -dielectric constant materials can effectively reduce the maximum field strength, and change the length ，the thickness and the dielectric constant of the high
8、 dielectric constant material can also reduce the maximum field effect affects. The calculation results show 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 d
9、ielectric constant layer can be reduced to a certain extent without compromising the improvement electric field distribution function.Keywords Bushing ;Flange ;Electric Field ;ANSYS 哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -哈尔滨理工大学学士学位论文- V -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 套管问题的研究现状 .21.3 套管法兰处电场问题的研究意义 .3
10、1.4 课题 的主要研究内容 .4第 2 章 套管的滑闪放电 .52.1 套管结构的电场及其表面放电 .52.2 滑闪放电危害 .62.3 改善电场集中方法 .7第 3 章 套管电场计算及优化 .93.1 有限元法的基本原理及求解过程 .93.1.1 有限元法的基本原理 .93.1.2 有限元法求解过程 .103.1.3 二维电场有限元解法 .113.2 ANSYS 有限元分析软件 .113.3 应用 ANSYS 分析套管电场步骤 .123.3.1 建立有限元模型 .123.3.2 加载和求解 .143.3.3 结果后处理 .153.4 改善高压套管的电场分布 .153.4.1 建立高压套管模
11、型 .153.4.2 计算结果分析 .163.4.3 高压套管导杆附近电场分析 .173.4.4 套管法兰处电场分析 .18结论 .25致谢 .26参考文献 .27附录 .28哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 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，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
12、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
13、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
14、。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tg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电；哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -(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
15、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 1。1.2 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，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。目前我国对于交流高压套管从设计、生产、试验到运行维护等方面都
16、比较成熟，可靠性也比较高。下面介绍高压套管的主要研究现状。(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。(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。(3)2004 年，西
17、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。(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。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -(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 雷电冲击电
18、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。(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。(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
19、 8。1.3 套管法兰处电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 9。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
20、场十分集中，易导致表面滑闪放电和闪络；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 110k
21、V 及以上变压器 10 年（1990-1999）的哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -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 10。1.4 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 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。
