基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓影響優化的分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓影響優化的分析方法，包括以下步驟：S1：在SolidWorks系統中進行三維建模，獲得簡化的工作環境模型；S2：將工作環境模型導入ANSYS Workbench系統中，并進行自動網格劃分；S3：對網格劃分后的工作環境模型進行分析，設置有限空氣域作為邊界條件，設置模型材料參數及介電常數與電阻率，對絕緣子串施加高低電壓；S4：根據絕緣子檢測與清掃機器人的靜電場微分方程和靜電場微分方程邊界條件對模型進行仿真，獲得絕緣子串在不同材料、不同結構尺寸的電壓分布曲線。本發明研究絕緣子串的分布電壓目的是為了找出絕緣子串在不同機器人的運行情況下的分布規律的定性關系，從而為優化機器人設計、機器人選型提供指導依據。
【專利說明】
基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓 影響優化的分析方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓影響 優化的分析方法。
【背景技術】
[0002] 目前，為解決電力系統絕緣子傳統人工清掃和檢測中存在的危險性較大、費時費 力、清掃效率低等問題，絕緣子檢測與清掃機器人應運而生。目前國內外不同材料，不同結 構的機器人充斥著這個新興市場。由于高壓輸電線絕緣子的獨特性，機器人在進行作業時 勢必會對絕緣子分布電壓產生影響，而一旦絕緣子分布電壓因此影響造成絕緣子擊穿，勢 必造成線路、變電站跳閘，大面積停電，嚴重時甚至造成人員傷亡，影響往往是非常巨大的。 [0003]線路上絕緣子串的電位和電場分布情況在測量上比較困難，而且費用比較高，因 此對于線路絕緣子串，用數值方法研究其在先運行就顯得比較有意義，不僅要了解電壓分 布總的趨勢，更希望掌握特殊運行中承受的電壓值，以便采取相應的措施，完善優化模型。 線路絕緣子串電壓分布研究積累的經驗可以為絕緣子串的測試奠定基礎。本發明分析絕緣 子檢測與清掃機器人的結構、材料以及研究絕緣子串的分布電壓目的是為了找出絕緣子串 在不同機器人的運行情況下的分布規律的定性關系，從而為優化機器人設計提供指導依 據，對了解絕緣子擊穿的原因，對機器人的選型及對機器人研發的優化設計都是具有十分 重要的理論價值和現實意義。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于ansys的絕緣子檢測與清 掃機器人對絕緣子串分布電壓影響優化的分析方法。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：基于ansys的絕緣子檢測與清掃機 器人對絕緣子串分布電壓影響優化的分析方法，它包括以下步驟：
[0006] S1:在SolidWorks系統中對絕緣子檢測與清掃機器人以及其工作環境進行三維建 模，獲得簡化的工作環境模型；
[0007] S2:將所述的工作環境模型導入ANSYS Workbench系統中，采用ANSYS Workbench 系統對模型進行自動網格劃分；
[0008] S3:對自動網格劃分后的工作環境模型進行分析，設置有限空氣域作為邊界條件， 設置模型材料參數及介電常數與電阻率，對絕緣子串施加高低電壓；
[0009] S4:根據絕緣子檢測與清掃機器人的靜電場微分方程和靜電場微分方程邊界條件 對模型進行仿真，獲得絕緣子串在不同材料、不同結構尺寸的電壓分布曲線:如果符合要求 則完成模型的優化，否則返回步驟S1。
[0010] 步驟S1中的簡化條件包括：
[0011] (1)絕緣子串在所加電壓下無電暈產生，絕緣子清潔干燥，空氣濕度低，沿面泄漏 電流和空間電流可忽略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變；
[0012] ⑵忽略相間影響：僅考慮單相絕緣子電場和電壓分布受導線、桿塔的影響；同時 在求解精度不高的情況下，將三相加載簡化為單相加載；
[0013] (3)對邊界的處理:在建立三維模型時，將無窮遠處的邊界移至靠近絕緣子適當的 距離處，即以有限邊界代替無限邊界；
[0014] (4)連接金具和導線的簡化:絕緣子與鐵塔的連接采用球頭掛環，與導線的連接采 用碗頭掛板和線夾;考慮到金具結構形狀對整個場域影響小，無須進行實際描述，因此將金 屬件全部簡化為圓柱體;同時不考慮導線時電場分布極不均勻(這句話不通順，請發明人修 改一下）；考慮導線對電場分布的影響時，考慮的導線越長得到的電場越均勻；
[0015] (5)對于模型的建立采用子模型法。
[0016] 所述的工作環境包括桿塔、線路、金具、絕緣子串和空氣區域。
[0017] 所述的模型包括材料包括導體、非導體和半導體。
[0018] 本發明的有益效果是:本發明研究絕緣子串的分布電壓目的是為了找出絕緣子串 在不同機器人的運行情況下的分布規律的定性關系，從而為優化機器人設計，機器人選型， 提供指導依據。具體地，線路上絕緣子串的電位和電場分布情況在測量上比較困難，而且費 用比較高，因此對于線路絕緣子串，用數值方法研究其在先運行就顯得比較有意義，不僅要 了解電壓分布總的趨勢，更希望掌握特殊運行中承受的電壓值，以便采取相應的措施，完善 優化模型。線路絕緣子串電壓分布研究積累的經驗可以為絕緣子串的測試奠定基礎。
【附圖說明】
[0019] 圖1為良好的絕緣子串等效電路圖；
[0020] 圖2為絕緣子串的電壓分布曲線圖；
[0021 ]圖3為本發明方法流程圖；
[0022]圖4為懸式瓷絕緣子的結構圖；
[0023] 圖5為500kV酒杯塔示意圖；
[0024] 圖6為機器未工作時SolidWorks建立模型示意圖；
[0025] 圖7為機器未工作時導入ansys建模并添加空氣域的示意圖；
[0026] 圖8為機器未工作時劃分網格示意圖；
[0027] 圖9為機器未工作時隱藏空氣域后的示意圖；
[0028] 圖10為機器未工作時設置高低電壓示意圖；
[0029]圖11為機器未工作時運行示意圖；
[0030]圖12為機器未工作時運行剖面示意圖；
[0031 ]圖13為機器未工作時量針加入后的第一不意圖；
[0032] 圖14為機器未工作時量針加入后的第二示意圖；
[0033] 圖15為機器未工作時量針加入后的剖面示意圖；
[0034]圖16為機器未工作時電壓分布曲線；
[0035] 圖17為機器工作時SolidWorks建立模型示意圖；
[0036]圖18為機器工作時導入ansys建模的示意圖；
[0037]圖19為機器工作時劃分網格示意圖；
[0038] 圖20為機器工作時以鋼材料屬性為框架得到的結果示意圖；
[0039] 圖21為機器工作時以鋼材料屬性為框架得到的電壓分布曲線；
[0040] 圖22為機器工作時以尼龍1010材料屬性框架得到的結果示意圖；
[0041] 圖23為機器工作時以尼龍1010材料屬性框架得到的電壓分布曲線；
[0042]圖24為機器工作時以硅材料屬性設置框架得到的結果示意圖；
[0043] 圖25為機器工作時以硅材料屬性設置框架得到的電壓分布曲線；
[0044] 圖26為機器未工作、機器工作加入導體、機器工作加入半導體、機器工作加入非導 體的電壓分布曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案：
[0046] 首先，將機器人對電壓分布曲線影響分析。具體原理如下：由于絕緣子的金屬部分 與接地鐵塔或帶電導體間有電容存在，使得沿絕緣子串的電壓分布不均勻。良好的絕緣子 串可按如圖1所示的等效回路來分析，圖中Cu表示絕緣子金屬部分對導線電容，C El表示絕 緣子金屬部分對地電容，Cn表不絕緣子本身電容。
[0047] 絕緣子流過電流越大，分布電壓抬高。由于絕緣子金屬部分對導線電容Cu比起對 地電容CEl要小，所以CEl對電壓分布影響大，即靠近導線的絕緣子電壓降最大，離導線遠的 絕緣子兩端電壓降小，但靠近橫擔時電壓降有所升高。
[0048] 設絕緣子本身電容為CfCp…Cn…=CQ;對地電容為CE1、C Er"CEn…，對m只絕緣 子串施加的電壓為V，則任意只懸式絕緣子Cn使用基爾霍夫定律，如下式：
[0049] C〇 ( en+l-en ) - ( CEn+CLn ) Vn+CLnV = 0
[0050] 式中Vn和en分別表示第n只絕緣子的電位和分擔的電壓。同時有：
[0053]由以上關系，上式可用下式表示：
[0055] 現在，設CE4Pan的和與n無關，是定值。如有上式的假定，則可以得到懸式絕緣子 串的電位分布如下式：

[0058] 一般Co為30~60pF，CEn為4~5pF，CLn為0 ? 5~lpF。則分布曲線如圖2所示。
[0059] 絕緣子串電壓分布的曲線呈不對稱馬鞍形。靠近導線側的絕緣子電壓降A u最大， 離導線遠的絕緣子電壓降逐漸減小，絕緣子串片數越多，電壓分布越不均勻。
[0060]造成這一特征的主要原因是：由于絕緣子串每個元件對導線、接地體都存在雜散 電容，對于不同塔型、不同結構的絕緣子串，這種雜散電容各不相同，這就影響到絕緣子串 的電壓分布曲線的形狀，即有的曲線較為陡翹，有的曲線較為平緩。若考慮絕緣子串中存在 不良絕緣子，則該不良絕緣子上承擔的電壓必將低于其正常工作電壓，其它良好絕緣子承 擔的電壓將高于正常工作電壓，勢必造成電壓分布曲線更不均勻。
[0061 ]本實施例為對500kV線路絕緣子串在直線桿塔下的電位電場分布進行計算。
[0062]單桿下單聯串的建模和計算結果:簡化模型：
[0063] 根據上述理論，由于絕緣子串的電場是一個無界域內的不對稱三維場，且電極幾 何形狀復雜，多種介質并存，如不采用適當的假設和簡化則計算起來比較困難。假設絕緣子 串在所加電壓下無電暈產生，絕緣子清潔干燥，空氣濕度低，沿面泄漏電流和空間電流可忽 略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變。并對其作以下簡化：
[0064] 1.忽略相間影響。僅考慮單相絕緣子電場和電壓分布受導線、桿塔的影響。因為在 計算絕緣子串電壓分布時，單相加載和三相加載的電壓分布區別較小，在求解精度不高的 情況下，可以將三相加載簡化為單相加載。
[0065] 2.對邊界的處理。在建立三維模型時，將無窮遠處的邊界移至靠近絕緣子適當的 距離處，即以有限邊界代替無限邊界。由于絕緣子尺寸相對于包括桿塔的整個模型來說很 小，距離不遠處電力線稀疏，所以對計算結果帶來的誤差也較小。
[0066] 3.連接金具和導線的簡化。絕緣子與鐵塔的連接采用球頭掛環，與導線的連接采 用碗頭掛板和線夾。考慮到金具結構形狀對整個場域影響小，無須進行實際描述，因此將這 些金屬件全部簡化為圓柱體。導線用光滑圓柱體模擬，直徑為25_:不考慮導線時電場分布 極不均勻;考慮導線對電場分布的影響時，考慮的導線越長得到的電場越均勻。由于受到計 算機硬件的限制，本文選擇導線長度為絕緣子串長的四倍進行計算。
[0067] 4.對于模型的建立采用子模型法，所謂子模型法是一種用于在模型區域內獲得更 為精確結果的有限元技術。在一般有限元分析中，剖分或許太粗糙，以至于在需要研究的重 點區域內所得到的結果不令人滿意。為了在所研究的區域中獲得更精確的結果，對該區域 建立一個獨立的模型，并進行更加細致的剖分，這就是子模型技術。由于計中考慮了鐵塔金 屬結構件、導線、金具對電場分布的影響，極大的減小了計算誤差。
[0068] 選擇單元類型和設置材料屬性:本發明所研究的問題是在外加的電勢下絕緣子串 上所產生的電場和電壓分布，屬于靜電場分析。而靜電場分析中常使用的實體單元類型有：
[0069] PLANE121單元:2_D，形狀為8節點四邊形，自由度為電壓和溫度。
[0070] S0LID122單元:3-D，形狀為20節點的六面體，自由度為電勢。
[0071] S0LID123單元:3-D，形狀為10節點的四面體，自由度為電勢。
[0072] 本模型的單元類型選擇如下:桿塔、導線、金具和空氣區域部分:在本實施例中選 用S0LID123單元。
[0073]模型中的絕緣介質有瓷和空氣，導電介質為鋼。用相對介電常數來代表幾種介質 的材料屬性。
[0075]模型建立:完整的模型包含桿塔，絕緣子串，上下端金具，導線以及空氣。為便于看 清內部結構，對各個子模型的空氣區域做了透明化處理。
[0076] 絕緣子模型建立:絕緣子模型為：
[0077] 按照線路中500kV運行的FC300/195型懸式瓷絕緣子的實際情況進行本文絕緣子 建模，模型的具體參數如下表所示。
[0079]圖4為懸式瓷絕緣子的結構圖。
[0080] 本實施例研究500kV輸電線路中FC300/195型懸式瓷質絕緣子。在模型在邊界上的 定義已知電壓，電壓載荷為絕緣子電場計算的載荷。懸垂串采用25片FC300/195型瓷質絕緣 子，根據500kV輸電線路絕緣子串標準電壓分布為依據來確定鋼腳高壓端的額定相電壓，可 以得知第一片絕緣子在導線端所承受的電壓最大，為21.OkV。因此，在鋼腳側(高壓端)施加 21. OkV的電壓，在鐵帽側(接地端)施加0的電壓。
[0081]空氣模型建立:有限元方法計算電場需要在一個封閉的區域內進行，由于絕緣子 表面的電場求解的問題屬于開域問題，人工設置一個截斷邊界是常用的方法，在外圍設置 的截斷邊界處可以認為電磁場衰減為零。在二維電場求解中，截斷區域一般選用半圓和整 圓或者盒子。瓷件的半徑190mm，絕緣子周圍的空氣層的厚度取4倍的絕緣子瓷件半徑，絕緣 子空氣層半徑為lm。
[0082]桿塔模型建立：實際線路的鐵塔為典型500kV酒杯塔，如圖5所示，桿塔塔窗厚度 2m 〇
[0083] 導線模型建立：500kV實際線路使用導線型號4xLGJ-400/35導線，分裂間距400， 子導線直徑為25mm，導線長度為4倍絕緣子串長度，20m。
[0084]金具模型建立:考慮到金具結構形狀對整個場域影響小，無須進行實際描述，因此 將這些金屬件全部簡化為圓柱體。其中高壓端金具長度為360mm，低壓端金具長度為280_。 [0085] 具體流程圖如圖3所示：
[0086]機器人未工作前：
[0087] 1、如圖6所示，在Sol idWorks建立模型。
[0088] 2、如圖7所示，導入ansys建模，并添加空氣域。
[0089] 3、定義材料屬性。
[0090] 4、如圖8所示，劃分網格。隱藏空氣域的效果如圖9所示。
[0091] 5、如圖10所示，設置高低電壓，高電壓為A點，為21000V，低電壓為B點，為0V。
[0092] 6、設置求解項。
[0093] 7、如圖11所示，運行；圖12為剖面示意圖。（圖中顏色未能示意）圖中，Min即為低電 壓點，Max為高電壓點。
[0094] 8、如圖13和圖14所示，加入探針量點。圖15為剖面的加入量針示意圖。
[0095] 9、根據結果進行制表：
[0097]同時根據表格數據繪制電壓分布曲線，如圖16所示。橫坐標表示絕緣子位置(從導 線到橫擔），縱坐標表示分布電壓差(每個絕緣子所承載電壓）。
[0098]當機器人開始工作時：
[0099] 1、在SolidWorks加入機器人框架簡化模型，模型如圖17所示。
[0100] 2、如圖18所示，導入ansys建模。
[0101] 3、如圖19所示，劃分網格。
[0102] 5、設置高低電壓，高電壓為A點，為21000V，低電壓為B點，為0V。
[0103] 6、設置求解項。
[0104]當機器人框架材料為導體時一在本實施例中以鋼材料屬性設置框架，得到如圖 20所示的結果，圖中，Min即為低電壓點，Max為高電壓點。并根據結果制表如下：
[0107] 同時根據表格數據繪制電壓分布曲線，如圖21所示。橫坐標表示絕緣子位置(從導 線到橫擔），縱坐標表示分布電壓差(每個絕緣子所承載電壓）。
[0108] 當機器人框架材料為非導體時在本實施例中以尼龍1010材料屬性設置框架， 得到如圖22所示的結果，圖中，Min即為低電壓點，Max為高電壓點。并根據結果制表如下：
[0111] 同時根據表格數據繪制電壓分布曲線，如圖23所示。橫坐標表示絕緣子位置(從導 線到橫擔），縱坐標表示分布電壓差(每個絕緣子所承載電壓）。
[0112] 當機器人框架材料為半導體時在本實施例中以硅材料屬性設置框架，得到如 圖24所示的結果，圖中，Min即為低電壓點，Max為高電壓點。并根據結果制表如下：
[0114] 同時根據表格數據繪制電壓分布曲線，如圖25所示。橫坐標表示絕緣子位置(從導 線到橫擔），縱坐標表示分布電壓差(每個絕緣子所承載電壓）。
[0115] 最后，比較未加機器人，加導體，半導體，非導體的數據圖，如圖26所示。
[0116] 得到結論如下：
[0117] 結論：
[0118] 1.機器人作業時會對絕緣子串上分布電壓產生影響。
[0119] 2.機器人材料為導體時影響最大。
【主權項】
1. 基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓影響優化的分析方法， 其特征在于:它包括以下步驟： SI:在SolidWorks系統中對絕緣子檢測與清掃機器人以及其工作環境進行三維建模， 獲得簡化的工作環境模型； S2:將所述的工作環境模型導入ANSYS Workbench系統中，采用ANSYS Workbench系統 對模型進行自動網格劃分； S3:對自動網格劃分后的工作環境模型進行分析，設置有限空氣域作為邊界條件，設置 模型材料參數及介電常數與電阻率，對絕緣子串施加高低電壓； S4:根據絕緣子檢測與清掃機器人的靜電場微分方程和靜電場微分方程邊界條件對模 型進行仿真，獲得絕緣子串在不同材料、不同結構尺寸的電壓分布曲線:如果符合要求則完 成模型的優化，否則返回步驟S1。2. 根據權利要求1所述的基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓 影響優化的分析方法，其特征在于:步驟Sl中的簡化條件包括： (1) 絕緣子串在所加電壓下無電暈產生，絕緣子清潔干燥，空氣濕度低，沿面泄漏電流 和空間電流可忽略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變； (2) 忽略相間影響：僅考慮單相絕緣子電場和電壓分布受導線、桿塔的影響；同時在求 解精度不高的情況下，將三相加載簡化為單相加載； (3) 對邊界的處理:在建立三維模型時，將無窮遠處的邊界移至靠近絕緣子適當的距離 處，即以有限邊界代替無限邊界； (4) 連接金具和導線的簡化:絕緣子與鐵塔的連接采用球頭掛環，與導線的連接采用碗 頭掛板和線夾;考慮到金具結構形狀對整個場域影響小，無須進行實際描述，因此將金屬件 全部簡化為圓柱體;同時不考慮導線時電場分布極不均勻;考慮導線對電場分布的影響時， 考慮的導線越長得到的電場越均勻； (5) 對于模型的建立采用子模型法。3. 根據權利要求1所述的基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓 影響優化的分析方法，其特征在于:所述的工作環境包括桿塔、線路、金具、絕緣子串和空氣 區域。4. 根據權利要求1所述的基于ansys的絕緣子檢測與清掃機器人對絕緣子串分布電壓 影響優化的分析方法，其特征在于:所述的模型包括材料包括導體、非導體和半導體。
【文檔編號】G06T17/00GK105912771SQ201610218556
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】余旭東, 胡靜
【申請人】四川桑萊特智能電氣設備股份有限公司