一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法，為研究空氣中懸浮沙粒對絕緣子沿面電位和電場分布的影響，繪制了懸浮沙粒環(huán)境下棒形絕緣子的幾何簡化模型，采取靜電場有限元法計算分析了絕緣子在不同懸浮沙粒狀態(tài)下的電位和電場分布。仿真結(jié)果表明：空氣中懸浮的電中性沙?？尚》兘^緣子沿面電位和電場；懸浮沙粒帶上相同的電量后，絕緣子沿面電位和電場的畸變幅度加大；絕緣子沿面電位和電場的畸變幅度受懸浮沙粒的粒徑、數(shù)量、帶電量的大小和極性影響明顯。仿真方法可較好的分析懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布的影響。
【專利說明】一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法，屬于計算機仿真領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國西北地區(qū)植被稀疏，嚴(yán)重的土地沙漠化所導(dǎo)致的沙塵暴已造成我國多起高壓輸電線路閃絡(luò)事故。曾有學(xué)者在新疆調(diào)研發(fā)現(xiàn):沙塵環(huán)境下的閃絡(luò)事故約占全部高壓線路外絕緣閃絡(luò)事故的一半?！吧抽W”已經(jīng)受到了世界的關(guān)注。
[0003]沙塵天氣不僅加速了沙塵在絕緣子表面的沉積,更使絕緣子周圍的清潔空氣變成了空氣和懸浮沙粒的混合介質(zhì)。絕緣子的電位和電場會因周圍介質(zhì)環(huán)境而改變，同時又與閃絡(luò)密切相關(guān)，因此研究懸浮沙粒對絕緣子沿面電位和電場分布的影響是十分必要的。
[0004]絕緣子的沿面電位和電場強度雖然可通過現(xiàn)場測量，但測量周期長、成本高、工作量大，且不可避免外界因素帶來的誤差。而電磁場數(shù)值計算方法既可以克服現(xiàn)場測量的諸多困難，又可以滿足工程需求精度，且利用數(shù)值計算方法研究絕緣器件的電位和電場分布已成為高電壓領(lǐng)域優(yōu)化設(shè)計和分析的新趨勢。
[0005]目前，沙塵環(huán)境下絕緣子電位和電場分布的研究相對較少，且未給出詳細(xì)的仿真方法。針對已有研究均未考慮絕緣子周圍空氣中懸浮沙粒的粒徑、沙粒所帶電荷極性、帶電沙粒與電中性沙粒的混合粒子群、正負(fù)極性沙?；旌狭Ｗ尤旱戎匾蛩貙^緣子沿面電位和電場的影響。本文利用CAD軟件繪制了懸浮沙粒環(huán)境下棒形絕緣子的簡化幾何模型，采取靜電場有限元法在有限元軟件中計算分析了絕緣子沿面電位和電場在不同懸浮沙粒環(huán)境下的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為沙塵環(huán)境下絕緣子閃絡(luò)研究提供重要的參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明涉及一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法，所述方法包括如下步驟:
[0007]根據(jù)棒形絕緣子的工作環(huán)境，選用靜電場有限元法對絕緣子電位和電場分布進(jìn)行研究。在CAD軟件Solid Works中繪制懸浮沙粒環(huán)境下絕緣子的幾何模型，并進(jìn)行相應(yīng)的簡化。將幾何模型導(dǎo)入有限元軟件COMSOL Multiphysics中，選擇低頻電磁場AC / DC模塊中的靜電場模式，設(shè)置模型中各材質(zhì)的介電常數(shù)，根據(jù)不同的懸浮沙粒環(huán)境設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計算絕緣子在不同懸浮沙粒狀態(tài)下的電位和電場分布。
[0008]仿真結(jié)果表明:空氣中懸浮的電中性沙?？尚》兘^緣子沿面電位和電場；懸浮沙粒帶上相同的電量后，絕緣子沿面電位和電場的畸變幅度加大；絕緣子沿面電位和電場的畸變幅度受懸浮沙粒的粒徑、數(shù)量、帶電量的大小和極性影響明顯?？諝庵械膸щ娚沉Ｅc電中性沙粒的混合粒子群或正負(fù)極性沙?；旌狭Ｗ尤簩^緣子沿面電位和電場的畸變幅度均小于粒子群中全部沙粒均帶上相同電量時對絕緣子沿面電位和電場的畸變幅度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0009]通過參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的以上和其它方面及優(yōu)點將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0010]圖1為本發(fā)明一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法的QBN-25型棒形絕緣子結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2為本發(fā)明一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法的幾何仿真模型示意圖；
[0012]圖3為清潔環(huán)境下絕緣子等位線圖和電場分布云圖；
[0013]圖4為清潔環(huán)境下絕緣子沿面電位分布圖；
[0014]圖5為清潔環(huán)境下絕緣子沿面電場分布圖；
[0015]圖6為絕緣子傘裙關(guān)鍵點示意圖；
[0016]圖7為5號傘裙沿面電位和電場分布圖；
[0017]圖8為空氣中懸浮帶電沙粒時絕緣子沿面的電位分布圖； [0018]圖9為空氣中懸浮帶電沙粒時絕緣子沿面的電場分布圖；
[0019]圖10為懸浮電中性沙粒時絕緣子等位線圖和電場分布云圖；
[0020]圖11為懸浮帶電沙粒時絕緣子等位線圖和電場分布云圖。
【具體實施方式】
[0021]在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0022]在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實施例。
[0023]仿真中選用我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)QBN-25型棒形瓷絕緣子，其爬電距離為1200_，結(jié)構(gòu)如圖1所示。絕緣子工作電壓為工頻單相交流電，波動范圍為20-29kV。為便于表述，文中定義從絕緣子低壓端起的第1、2.....9個傘分別為1、2.....9號傘。
[0024]工頻交流電的波長遠(yuǎn)大于絕緣子的絕緣長度，電場在任一瞬間都可以近似地認(rèn)為
是穩(wěn)定的，故本文采用靜電場有限元法進(jìn)行仿真分析。絕緣子的三維靜電場邊值問題為:
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法，其特征在于: 利用CAD軟件繪制了懸浮沙粒環(huán)境下棒形絕緣子的幾何簡化模型，采取靜電場有限元法在有限元軟件中計算分析了絕緣子在不同懸浮沙粒狀態(tài)下的電位和電場分布。
2.如權(quán)利要求1所述的一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法，其特征在于: 為大幅降低了計算規(guī)模，提高仿真效率，根據(jù)懸浮沙粒狀態(tài)下絕緣子幾何模型的軸對稱特性和網(wǎng)格剖分的可操作性，過圓柱體幾何模型的中心軸以2。圓心角的扇形柱體代替完整t旲型。
3.如權(quán)利要求2所述的一種研究懸浮沙粒對棒形絕緣子電位和電場分布影響的仿真方法，其特征在于:仿真中分別設(shè)置三種不同帶電特性的懸浮沙粒環(huán)境:①電中性沙粒環(huán)境(設(shè)置每個沙粒均為電中性)，②相同帶電量沙粒環(huán)境(對每個沙粒均設(shè)置相同的帶電量)，③混合粒子群環(huán)境(a.帶電沙粒與電中性沙粒的混合粒子群:在全部沙粒中對一半沙粒均設(shè)置相同的帶電量,其余沙粒為電中性,且兩種沙粒分布均勻,b.正負(fù)極性沙粒混合粒子群:在全部沙粒中對一半沙粒均設(shè)置相同的正電量，其余沙粒均設(shè)置極性相反的負(fù)電量，且兩種沙粒分布均勻)。
【文檔編號】G06F17/50GK103984792SQ201410053113
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】張友鵬, 趙珊鵬, 董海燕, 王思華, 陳志東, 伍亞萍, 趙斌 申請人:蘭州交通大學(xué)