CN105912771B - 基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法 - Google Patents

基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法，包括以下步骤：S1：在SolidWorks系统中进行三维建模，获得简化的工作环境模型；S2：将工作环境模型导入ANSYS Workbench系统中，并进行自动网格划分；S3：对网格划分后的工作环境模型进行分析，设置有限空气域作为边界条件，设置模型材料参数及介电常数与电阻率，对绝缘子串施加高低电压；S4：根据绝缘子检测与清扫机器人的静电场微分方程和静电场微分方程边界条件对模型进行仿真，获得绝缘子串在不同材料、不同结构尺寸的电压分布曲线。本发明研究绝缘子串的分布电压目的是为了找出绝缘子串在不同机器人的运行情况下的分布规律的定性关系，从而为优化机器人设计、机器人选型提供指导依据。

Description

基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压 影响优化的分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法。
背景技术
目前，为解决电力系统绝缘子传统人工清扫和检测中存在的危险性较大、费时费力、清扫效率低等问题，绝缘子检测与清扫机器人应运而生。目前国内外不同材料，不同结构的机器人充斥着这个新兴市场。由于高压输电线绝缘子的独特性，机器人在进行作业时势必会对绝缘子分布电压产生影响，而一旦绝缘子分布电压因此影响造成绝缘子击穿，势必造成线路、变电站跳闸，大面积停电，严重时甚至造成人员伤亡，影响往往是非常巨大的。
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，而且费用比较高，因此对于线路绝缘子串，用数值方法研究其在先运行就显得比较有意义，不仅要了解电压分布总的趋势，更希望掌握特殊运行中承受的电压值，以便采取相应的措施，完善优化模型。线路绝缘子串电压分布研究积累的经验可以为绝缘子串的测试奠定基础。本发明分析绝缘子检测与清扫机器人的结构、材料以及研究绝缘子串的分布电压目的是为了找出绝缘子串在不同机器人的运行情况下的分布规律的定性关系，从而为优化机器人设计提供指导依据，对了解绝缘子击穿的原因，对机器人的选型及对机器人研发的优化设计都是具有十分重要的理论价值和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法，它包括以下步骤：
S1：在SolidWorks系统中对绝缘子检测与清扫机器人以及其工作环境进行三维建模，获得简化的工作环境模型；
S2：将所述的工作环境模型导入ANSYS Workbench系统中，采用ANSYS Workbench系统对模型进行自动网格划分；
S3：对自动网格划分后的工作环境模型进行分析，设置有限空气域作为边界条件，设置模型材料参数及介电常数与电阻率，对绝缘子串施加高低电压；
S4：根据绝缘子检测与清扫机器人的静电场微分方程和静电场微分方程边界条件对模型进行仿真，获得绝缘子串在不同材料、不同结构尺寸的电压分布曲线：如果符合要求则完成模型的优化，否则返回步骤S1。
步骤S1中的简化条件包括：
(1)绝缘子串在所加电压下无电晕产生，绝缘子清洁干燥，空气湿度低，沿面泄漏电流和空间电流可忽略，绝缘子金属帽上的电荷保持不变；
(2)忽略相间影响：仅考虑单相绝缘子电场和电压分布受导线、杆塔的影响；同时在求解精度不高的情况下，将三相加载简化为单相加载；
(3)对边界的处理：在建立三维模型时，将无穷远处的边界移至靠近绝缘子适当的距离处，即以有限边界代替无限边界；
(4)连接金具和导线的简化：绝缘子与铁塔的连接采用球头挂环，与导线的连接采用碗头挂板和线夹；考虑到金具结构形状对整个场域影响小，无须进行实际描述，因此将金属件全部简化为圆柱体；同时不考虑导线电场分布极不均匀；考虑导线对电场分布的影响时，导线越长得到的电场越均匀；
(5)对于模型的建立采用子模型法。
所述的工作环境包括杆塔、线路、金具、绝缘子串和空气区域。
所述的模型包括材料包括导体、非导体和半导体。
本发明的有益效果是：本发明研究绝缘子串的分布电压目的是为了找出绝缘子串在不同机器人的运行情况下的分布规律的定性关系，从而为优化机器人设计，机器人选型，提供指导依据。具体地，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，而且费用比较高，因此对于线路绝缘子串，用数值方法研究其在先运行就显得比较有意义，不仅要了解电压分布总的趋势，更希望掌握特殊运行中承受的电压值，以便采取相应的措施，完善优化模型。线路绝缘子串电压分布研究积累的经验可以为绝缘子串的测试奠定基础。
附图说明
图1为良好的绝缘子串等效电路图；
图2为绝缘子串的电压分布曲线图；
图3为本发明方法流程图；
图4为悬式瓷绝缘子的结构图；
图5为500kV酒杯塔示意图；
图6为机器未工作时SolidWorks建立模型示意图；
图7为机器未工作时导入ansys建模并添加空气域的示意图；
图8为机器未工作时划分网格示意图；
图9为机器未工作时隐藏空气域后的示意图；
图10为机器未工作时设置高低电压示意图；
图11为机器未工作时运行示意图；
图12为机器未工作时运行剖面示意图；
图13为机器未工作时量针加入后的第一示意图；
图14为机器未工作时量针加入后的第二示意图；
图15为机器未工作时量针加入后的剖面示意图；
图16为机器未工作时电压分布曲线；
图17为机器工作时SolidWorks建立模型示意图；
图18为机器工作时导入ansys建模的示意图；
图19为机器工作时划分网格示意图；
图20为机器工作时以钢材料属性为框架得到的结果示意图；
图21为机器工作时以钢材料属性为框架得到的电压分布曲线；
图22为机器工作时以尼龙1010材料属性框架得到的结果示意图；
图23为机器工作时以尼龙1010材料属性框架得到的电压分布曲线；
图24为机器工作时以硅材料属性设置框架得到的结果示意图；
图25为机器工作时以硅材料属性设置框架得到的电压分布曲线；
图26为机器未工作、机器工作加入导体、机器工作加入半导体、机器工作加入非导体的电压分布曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
首先，将机器人对电压分布曲线影响分析。具体原理如下：由于绝缘子的金属部分与接地铁塔或带电导体间有电容存在，使得沿绝缘子串的电压分布不均匀。良好的绝缘子串可按如图1所示的等效回路来分析，图中CLi表示绝缘子金属部分对导线电容，CEi表示绝缘子金属部分对地电容，Cn表示绝缘子本身电容。
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。
设绝缘子本身电容为C1＝C2＝…Cn…＝C0；对地电容为CE1、CE2…CEn…，对m只绝缘子串施加的电压为V，则任意只悬式绝缘子Cn使用基尔霍夫定律，如下式：
C0(en+1-en)-(CEn+CLn)Vn+CLnV＝0
式中Vn和en分别表示第n只绝缘子的电位和分担的电压。同时有：
由以上关系，上式可用下式表示：
现在，设CEn和CLn的和与n无关，是定值。如有上式的假定，则可以得到悬式绝缘子串的电位分布如下式：
一般C0为30～60pF，CEn为4～5pF，CLn为0.5～1pF。则分布曲线如图2所示。
绝缘子串电压分布的曲线呈不对称马鞍形。靠近导线侧的绝缘子电压降Δu最大，离导线远的绝缘子电压降逐渐减小，绝缘子串片数越多，电压分布越不均匀。
造成这一特征的主要原因是：由于绝缘子串每个元件对导线、接地体都存在杂散电容，对于不同塔型、不同结构的绝缘子串，这种杂散电容各不相同，这就影响到绝缘子串的电压分布曲线的形状，即有的曲线较为陡翘，有的曲线较为平缓。若考虑绝缘子串中存在不良绝缘子，则该不良绝缘子上承担的电压必将低于其正常工作电压，其它良好绝缘子承担的电压将高于正常工作电压，势必造成电压分布曲线更不均匀。
本实施例为对500kV线路绝缘子串在直线杆塔下的电位电场分布进行计算。
单杆下单联串的建模和计算结果：简化模型：
根据上述理论，由于绝缘子串的电场是一个无界域内的不对称三维场，且电极几何形状复杂，多种介质并存，如不采用适当的假设和简化则计算起来比较困难。假设绝缘子串在所加电压下无电晕产生，绝缘子清洁干燥，空气湿度低，沿面泄漏电流和空间电流可忽略，绝缘子金属帽上的电荷保持不变。并对其作以下简化：
1.忽略相间影响。仅考虑单相绝缘子电场和电压分布受导线、杆塔的影响。因为在计算绝缘子串电压分布时，单相加载和三相加载的电压分布区别较小，在求解精度不高的情况下，可以将三相加载简化为单相加载。
2.对边界的处理。在建立三维模型时，将无穷远处的边界移至靠近绝缘子适当的距离处，即以有限边界代替无限边界。由于绝缘子尺寸相对于包括杆塔的整个模型来说很小，距离不远处电力线稀疏，所以对计算结果带来的误差也较小。
3.连接金具和导线的简化。绝缘子与铁塔的连接采用球头挂环，与导线的连接采用碗头挂板和线夹。考虑到金具结构形状对整个场域影响小，无须进行实际描述，因此将这些金属件全部简化为圆柱体。导线用光滑圆柱体模拟，直径为25mm：不考虑导线时电场分布极不均匀；考虑导线对电场分布的影响时，考虑的导线越长得到的电场越均匀。由于受到计算机硬件的限制，本文选择导线长度为绝缘子串长的四倍进行计算。
4.对于模型的建立采用子模型法，所谓子模型法是一种用于在模型区域内获得更为精确结果的有限元技术。在一般有限元分析中，剖分或许太粗糙，以至于在需要研究的重点区域内所得到的结果不令人满意。为了在所研究的区域中获得更精确的结果，对该区域建立一个独立的模型，并进行更加细致的剖分，这就是子模型技术。由于计中考虑了铁塔金属结构件、导线、金具对电场分布的影响，极大的减小了计算误差。
选择单元类型和设置材料属性：本发明所研究的问题是在外加的电势下绝缘子串上所产生的电场和电压分布，属于静电场分析。而静电场分析中常使用的实体单元类型有：
PLANE121单元：2-D，形状为8节点四边形，自由度为电压和温度。
SOLID122单元：3-D，形状为20节点的六面体，自由度为电势。
SOLID123单元：3-D，形状为10节点的四面体，自由度为电势。
本模型的单元类型选择如下：杆塔、导线、金具和空气区域部分：在本实施例中选用SOLID123单元。
模型中的绝缘介质有瓷和空气，导电介质为钢。用相对介电常数来代表几种介质的材料属性。
材料 瓷 空气 钢
相对介电常数ε 6 1 1e+7
电阻率 5e+14 1e+12 1.7e-7
模型建立：完整的模型包含杆塔，绝缘子串，上下端金具，导线以及空气。为便于看清内部结构，对各个子模型的空气区域做了透明化处理。
绝缘子模型建立：绝缘子模型为：
按照线路中500kV运行的FC300/195型悬式瓷绝缘子的实际情况进行本文绝缘子建模，模型的具体参数如下表所示。
型号 结构高度(mm) 公称直径(mm) 爬电距离(mm) 表面积(cm^2)
FC300/195 195 300 690 6876
图4为悬式瓷绝缘子的结构图。
本实施例研究500kV输电线路中FC300/195型悬式瓷质绝缘子。在模型在边界上的定义已知电压，电压载荷为绝缘子电场计算的载荷。悬垂串采用25片FC300/195型瓷质绝缘子，根据500kV输电线路绝缘子串标准电压分布为依据来确定钢脚高压端的额定相电压，可以得知第一片绝缘子在导线端所承受的电压最大，为21.0kV。因此，在钢脚侧(高压端)施加21.0kV的电压，在铁帽侧(接地端)施加0的电压。
空气模型建立：有限元方法计算电场需要在一个封闭的区域内进行，由于绝缘子表面的电场求解的问题属于开域问题，人工设置一个截断边界是常用的方法，在外围设置的截断边界处可以认为电磁场衰减为零。在二维电场求解中，截断区域一般选用半圆和整圆或者盒子。瓷件的半径190mm，绝缘子周围的空气层的厚度取4倍的绝缘子瓷件半径，绝缘子空气层半径为1m。
杆塔模型建立：实际线路的铁塔为典型500kV酒杯塔，如图5所示，杆塔塔窗厚度2m。
导线模型建立：500kV实际线路使用导线型号4xLGJ一400/35导线,分裂间距400,子导线直径为25mm,导线长度为4倍绝缘子串长度，20m。
金具模型建立：考虑到金具结构形状对整个场域影响小，无须进行实际描述，因此将这些金属件全部简化为圆柱体。其中高压端金具长度为360mm，低压端金具长度为280mm。
具体流程图如图3所示：
机器人未工作前：
1、如图6所示，在SolidWorks建立模型。
2、如图7所示，导入ansys建模，并添加空气域。
3、定义材料属性。
4、如图8所示，划分网格。隐藏空气域的效果如图9所示。
5、如图10所示，设置高低电压，高电压为A点，为21000V，低电压为B点，为0V。
6、设置求解项。
7、如图11所示，运行；图12为剖面示意图。(图中颜色未能示意)图中，Min即为低电压点，Max为高电压点。
8、如图13和图14所示，加入探针量点。图15为剖面的加入量针示意图。
9、根据结果进行制表：
同时根据表格数据绘制电压分布曲线，如图16所示。横坐标表示绝缘子位置(从导线到横担)，纵坐标表示分布电压差(每个绝缘子所承载电压)。
当机器人开始工作时：
1、在SolidWorks加入机器人框架简化模型，模型如图17所示。
2、如图18所示，导入ansys建模。
3、如图19所示，划分网格。
5、设置高低电压，高电压为A点，为21000V，低电压为B点，为0V。
6、设置求解项。
当机器人框架材料为导体时---在本实施例中以钢材料属性设置框架，得到如图20所示的结果，图中，Min即为低电压点，Max为高电压点。并根据结果制表如下：
同时根据表格数据绘制电压分布曲线，如图21所示。横坐标表示绝缘子位置(从导线到横担)，纵坐标表示分布电压差(每个绝缘子所承载电压)。
当机器人框架材料为非导体时---在本实施例中以尼龙1010材料属性设置框架，得到如图22所示的结果，图中，Min即为低电压点，Max为高电压点。并根据结果制表如下：
同时根据表格数据绘制电压分布曲线，如图23所示。横坐标表示绝缘子位置(从导线到横担)，纵坐标表示分布电压差(每个绝缘子所承载电压)。
当机器人框架材料为半导体时---在本实施例中以硅材料属性设置框架，得到如图24所示的结果，图中，Min即为低电压点，Max为高电压点。并根据结果制表如下：
同时根据表格数据绘制电压分布曲线，如图25所示。横坐标表示绝缘子位置(从导线到横担)，纵坐标表示分布电压差(每个绝缘子所承载电压)。
最后，比较未加机器人，加导体，半导体，非导体的数据图，如图26所示。
得到结论如下：
结论：
1.机器人作业时会对绝缘子串上分布电压产生影响。
2.机器人材料为导体时影响最大。

Claims (2)

1.基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1：在SolidWorks系统中对绝缘子检测与清扫机器人以及其工作环境进行三维建模，获得简化的工作环境模型，所述的工作环境包括杆塔、线路、金具、绝缘子串和空气区域；
S2：将所述的工作环境模型导入ANSYS Workbench系统中，采用ANSYS Workbench系统对模型进行自动网格划分；
S3：对自动网格划分后的工作环境模型进行分析，设置有限空气域作为边界条件，设置模型材料参数及介电常数与电阻率，对绝缘子串施加高低电压；
S4：根据绝缘子检测与清扫机器人的静电场微分方程和静电场微分方程边界条件对模型进行仿真，获得绝缘子串在不同材料、不同结构尺寸的电压分布曲线：如果符合要求则完成模型的优化，否则返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的基于ansys的绝缘子检测与清扫机器人对绝缘子串分布电压影响优化的分析方法，其特征在于：步骤S1中的简化条件包括：
（1）绝缘子串在所加电压下无电晕产生，绝缘子清洁干燥，空气湿度低，忽略沿面泄漏电流和空间电流，绝缘子金属帽上的电荷保持不变；
（2）忽略相间影响：仅考虑单相绝缘子电场和电压分布受导线、杆塔的影响；同时在求解精度不高的情况下，将三相加载简化为单相加载；
（3）对边界的处理：在建立三维模型时，将无穷远处的边界移至靠近绝缘子适当的距离处，即以有限边界代替无限边界；
（4）连接金具和导线的简化：绝缘子与铁塔的连接采用球头挂环，与导线的连接采用碗头挂板和线夹；考虑到金具结构形状对整个场域影响小，因此将金属件全部简化为圆柱体；同时不考虑导线电场分布极不均匀；
（5）对于模型的建立采用子模型法。
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