电气工程及其自动化本科毕业论文答辩文本

Ur

（鞠躬）各位老师好！我叫……，来自电气工程…….班，我的论文题目是

“110KV线路绝缘子串电压分布的仿真分析”。下面我将按照论文的结构框架向

各位老师作一大概介绍，恳请各位老师批评指正。

第一页

首先，我想谈谈这个毕业论文设计的目的及意义。

1,

绝缘子作用

绝缘子一方面为传输电流的高压导线提供机械支撑，另一方面防止线路中的

电流对地形成通道流入大地。

2，意义

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，研究绝缘子串电压分布意义重大。

由于线路上绝缘子串的电位和电场分布情况在测量上比较困难，而且费用较高，

因此对于线路绝缘子串，用仿真分析研究其在线运行情况就显得比较有意义。

3，目的

本文研究绝缘子串的分布电压，目的是找出110KV绝缘子串电压分布的规律，

在掌握其电场场强的分布特点的同时，得到这类绝缘子易出现击穿放电的位置，

为对其绝缘结构进行优化设计、提高它的使用寿命提供参考。

4，关于本文的主要工作

本课程设计是分析户外高压绝缘子在干燥清洁情况下电场和电位分布，利用

ANSYS 有限元分析软件，计算模型建立好之后，对模型进行网格划分，然后对绝

缘子模型的电场及电位分布进行仿真分析。找出110KV绝缘子串电压和电场的分

布的规律，而且可以得到这类绝缘子易出现击穿放电的位置。

5，研究现状

前几年比较集中于数值分析方法，可以分为微分方程法和积分方程法两大类。

近几年用有限元分析的有华中科技大学的袁晓娴和重庆大学田金虎的硕士论文。

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6，对绝缘子的要求（电气特性）

绝缘子是将处于不同电位的导体在机械上固定，在电气上隔绝的一种使用数

量极大的高压绝缘部件。由于绝缘子是起电气绝缘和机械固定作用的外绝缘部件，

在户外工作的绝缘子会受到雨、雾、雪、露、日照、污染、空气中的酸碱等腐蚀

性导电尘埃和盐分的作用，因此对绝缘子的基本要求是: 有足够的电绝缘强度;

能承受一定的机械负荷; 能经受不利的环境和大气作用。

当这些过电压的幅值增大到足以引起闪络，或在正常工作电压情况下，绝缘

子绝缘强度大大降低时，放电不仅会沿绝缘子表面发生，也会沿空气发生。

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7， 等效电路

每个绝缘子的极间电容为Ci，绝缘子对地电容为CEi，对高压导线部分的电

容为CLi。同型绝缘子组成的绝缘子串电压分布不均匀主要是由CEi和CLi造成

的，CEi起分流作用，该电容值越大，主链中的电流被分流越多，使靠近导线侧

的绝缘子电流大，电压降也大。CLi从导线获得电流向主链汇流，则该侧电容值

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越大靠近接地侧的绝缘子流过电流越大，分布电压抬高。由于绝缘子金属部分对

导线电容CLi比起对地电容CEi要小，所以CEi对电压分布影响大，即靠近导线

的绝缘子电压降最大，离导线远的绝缘子两端电压降小，但靠近横担时电压降有

所升高。

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8，工程电磁场数值计算的基础就是针对所给的边界条件来求解Maxwell方程组

有限单元法，简称有限元法。是一种对问题控制方程进行近似

求解的数值分析求解方法。其基本求解思想是把计算域划分为

有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点

作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量

或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大

型通用有限元分析软件。软件主要包括三个部分：前处理模块，

分析计算模块和后处理模块。

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9，建模方法

几何模型

由于本文的模型涉及杆塔、导线、金具、绝缘子和空气区域部分，比较复杂，特

别是绝缘子内表面曲线形状不规则，建模难度较大。所以在workbench中建立几

何模型。

十四页 剖分

计算模型建立好之后，对模型进行网格划分。剖分方式有多种，主要分为

自由网格划分和映射网格划分。由于映射网格划分要求面或者体有规则的形状，

因此本文只能采用自由网格划分，适应绝缘子串模型的不规则性。

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在对图3-7所示计算区域进行网格划分时，由于有限元在计算时，节点电场

强度取的是平均值，这与单元网格好坏有直接关系。绝缘子串头部以及钢脚等曲

线部分的电场强度变化较大，在这些部分的单元网格要尽量小，使单元上各点相

距很近，以保证相邻单元各节点上的场强不至于变化很大，因此需较密划分，选

取Smart Size（智能单元尺寸控制）为2。

101 整串电压分析

十七页为沿串轴线路径的电位分布图，横坐标是以导线侧第1片绝缘子钢脚

端为零坐标，沿横担侧方向增长的距离为横坐标正方向，纵坐标表示电位（V）。

绝缘子串的电位等值线图，图中每种颜色代表一个数值段，颜色分界线为等位线。

17页①从17页中绝缘子串各部分的颜色显示以及各颜色对应的电位值可以看出，

导线侧第一片和导线侧第八片绝缘子电位变化较大，特别是第一片从导线侧第二

片到第七片绝缘子颜色较为均匀变化小。

18页②在18页图2中，平直的八条线段表示绝缘子的金属连接部位（钢脚或铁

帽部分），各个金属连接间的表面具有相同电位，这与金属表面是等位面的物理

学原理一致。

18页③相邻两条平坦的线段之间的电位差表示这个绝缘子所承担的电压，从18

页图2中可以看出，高压端的绝缘子比中间几个绝缘子所承担的电压要高。

④从19表的电位分布可以看出，导线侧第一片绝缘子承受了15.01％的电压，

中间几片绝缘子承担较为均匀的电压，主要起增加爬距的作用，另外当某一片绝

缘子击穿而绝缘损坏成为零值绝缘子的时候，能够保证有足够的绝缘，不致造成

短路事故。

27页照ppt念

接27

本文的重点是如何将有限元法应用于绝缘子串上电压分布的计算，总结规律，

得到一个定性的结果，而并非侧重于获取绝缘子串上电位分布的确切数值。

由于本标准电压分布的数值是测量X-4.5型绝缘子所得，与计算中采用的绝缘子

型号不相同，且标准分布中绝缘子所处的实际安装方式以及污秽状况等均未知，

这与本文计算中绝缘子串在洁净条件下的假设条件也有所差异，且计算模型基于

一定条件的简化，其导线为能取实际情况的无限长而仅取为绝缘子串长度的4

倍。

测量结果有误差。

实测时采用的测量仪表及测量工具对塔窗内外的电场分布会产生一定的影响。仪

表的入口电容越大，造成的测量误差也越大。

①计算模型基于一定的简化假设条件，例如杆塔形状金具的简化，导线长度的简

化等，难以保证与实际布置情况完全一致。

②三维计算过程中，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，因此无法进行更为有效的逼近过程。

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③由于剖分的三角形单元形状不规则引起的误差。尤其是在曲率半径较小的边界

上。

④计算场域形成的误差。开场域中，零电位理论上是在无穷远处，而实际计算中

的计算场域不可能无限大，这就带来了由于计算场域有限而形成的误差。

28,29页105 全文总结

（1）长串绝缘子因受到杆塔、导线杂散电容的影响，电压分布曲线呈两端

高、中间低的马鞍形，且靠近导线侧一端为最高，沿线路绝缘子的分布电压和电

场畸变严重，靠近导线侧的绝缘子承担着整串电压的15％以上。

（2）中间的绝缘子具有相似的电位和场强分布，并承担很小的电压，主要起增

加爬距以及当绝缘子串中出现零值绝缘子时能保证足够的绝缘。

（3）绝缘子串内部场强分布很不均匀，靠近导线侧的绝缘子头部场强较为集中，

整串中最大场强出现在导线侧第一片绝缘子的钢脚与瓷件连接处。

（4）绝缘子串中电场分布不均匀，各片绝缘子中场强变化规律相似，每片绝缘

子沿中轴线场强均有一个最大值，但整串中最大场强仍然出现在高压侧第一片绝

缘子内。

（5）绝缘子表面场强在瓷件与钢脚交界处最强，其后沿着轮廓向上有减小的趋

势，在下轮廓凸起处有尖峰。总体而言，无明显规律性。

（6）用ANSYS软件三维计算所得分布规律与标准电压分布一致，说明采用计算

的方法可以替代部分实际测量的工作，这为产品优化设计提供了快捷和方便的方

法。

29页 12，展望

下面，我想谈谈这篇论文存在的不足。

本人认为在以下几个方面还有很多需要改进和继续研究的问题。

（1）有限元在三维场的计算过程中所遇到的瓶颈问题，如开场域问题，场

域剖分问题需要做进一步的研究，以望得到更好的结果，减小计算误差。

（3）对模型的网格剖分，怎样做到效果最好又能兼顾在计算机硬件限制范

围内也是一个需要继续研究的问题。

（4）三维有限元法是计算绝缘子串电压分布的理想方法，可以进行进一步

的分析讨论，如系统部分电容矩阵的计算、绝缘子串周围空气区域的电场分布计

算、含有缺陷绝缘子以及污秽绝缘子的绝缘子串电压分布计算等。

这篇论文的写作的过程，也是我越来越认识到自己知识缺乏的过程。虽然，

我尽可能地收集材料，竭尽所能运用自己所学的知识进行论文写作，但论文还

是存在许多不足之处，有待改进.请各位评委老师多批评指正。

致谢

最后，

感谢母校对我的培养， 师恩难忘， 母校永在心间；

感谢我的导师……教授百忙之中对我的指导；

感谢各位评审老师听取我的汇报

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