不同污穢質量下GIS絕緣子模態特性仿真

張勇，周彥，肖廣輝，朱小賢，邵峰

（國網上海市電力公司金山供電公司，上海 200540）

0 前言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）與敞開式電氣設備相比，具有占地面積和空間小、安裝快、受外界環境干擾小、運行安全可靠、維護工作量少、檢修周期長等優點，被越來越廣泛地采用。但GIS 一旦發生故障，容易造成事故范圍擴大，造成巨額的經濟損失。運行過程中導致GIS 盆式絕緣子閃絡的主要原因其表面污穢的存在。目前針對線路、站內絕緣子的污穢檢測研究較多，也提出了各種方法，但針對GIS 內部盆式絕緣子的污穢狀態的檢測很少。

振動信號檢測由于檢測靈敏度高、無損檢測等優點引起人們的關注。武漢大學李曉紅等人采用力錘激勵支柱瓷絕緣子并對振動信號進行頻譜分析和小波分析[1]。上述試驗模態分析結果初步驗證了振動法的有效性。北京工業大學焦敬品采用有限元軟件對支柱陶瓷絕緣子進行了振動模態和隨機振動響應分析[2]。東北電力大學于卓琦等人采用有限元軟件計算了正常或含有缺陷的盆式絕緣子的模態頻率，研究了氣室壓力和裂紋大小對模態頻率的影響[3]。基于以上情況，本文對污穢質量對盆子模態的影響進行了相關研究，對于及時檢測盆式絕緣子表面污穢狀況，避免盆式絕緣子閃絡，完善GIS 設備運行維護水平，提高GIS 設備運行可靠性，具有重要的實際和科學意義。

1 模態特性仿真研究方法

模態分析是研究結構動力學的一種方法，模態是指機械結構的固有振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型，分析這些模態參數的過程稱為模態分析。模態分析的經典定義是將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使得方程組解耦，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程組，以便求出系統的模態參數，坐標變換的變換矩陣為模態矩陣，其每列為模態振型。模態參數主要包括模態頻率、模態振型、模態質量、模態向量、模態剛度和模態阻尼等。本次采用有限元分析軟件COMSOL 進行仿真模態分析，對220 kV 盆子建模進行了固有模態分析。

計算模態分析中， 三維建模采用SolidWorks 軟件，SolidWorks 軟件功能強大，組件繁多。 SolidWorks 有功能強大、易學易用和技術創新三大特點，這使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD 解決方案。模態分析采用有限元軟件COMSOL Multiphysics。COMSOL Multiphysics 是一款大型的高級數值仿真軟件，廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，模擬科學和工程領域的各種物理過程，以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實現真實物理現象的仿真，用數學方法求解真實世界的物理現象。

2 仿真模型搭建

以220 kV 盆子（與試驗研究盆子一致）為研究對象，建立了220 kV 盆式絕緣子三維模型，如圖 1 所示。

圖1 220kV 盆式絕緣子三維模型

盆式絕緣子幾何尺寸均為實測，外徑為480 mm，厚度為38 mm，曲面采用倒角處理使其光滑，螺孔直徑為10 mm。

將所建220 kV 盆子三維模型導入COMSOL，物理場樹選擇結構力學中的固體力學，研究樹中選擇一般研究中的特征頻率，然后在COMSOL 中全部構建形成聯合體。盆式絕緣子材料填充選擇環氧樹脂Filled epoxy resin(X238) [solid]，環氧樹脂的楊氏模量E設置為109Pa，泊松比ηu設置為0.38。污穢填充是通過覆蓋一層薄面在盆子表面，污穢的密度設置為塵土堆積密度1070 kg/m3，楊氏模量E 設置為1.9×1011Pa，泊松比ηu設置為0.16。網格劃分均選擇軟件默認劃分，單元大小為常規。網格劃分為默認劃分，污穢薄面處的網格是明顯小于其他地方的網格的。固有模態是指系統自由振動時的模態，因此對盆子不必添加任何約束。

污穢薄面如圖2 所示，薄面緊貼盆子表面。污穢設置整個盆式絕緣子表面全部添加，污穢種類為非導電性污穢。通過對污穢薄面的厚度進行設置，進而改變所添加的污穢質量，50 g污穢對應0.5 mm 厚度的污穢薄面，100 g 污穢對應 1mm 厚度的污穢薄面，200 g 污穢對應2 mm 厚度的污穢薄面，300 g 污穢對應3 mm厚度的污穢薄面。

圖2 污穢薄面

3 污穢質量對固有模態的影響

固有頻率也稱為自然頻率。物體做自由振動時，其位移隨時間按正弦或余弦規律變化，振動的頻率與初始條件無關，而僅與系統的固有特性有關，稱為固有頻率，其對應周期稱為固有周期。對固有頻率的研究有利于保證產品穩定性。

通過對無污穢和添加50 g 污穢、100 g 污穢、200 g 污穢、300 g 污穢的五種情況進行固有頻率仿真，得到的1～14 階固有頻率結果如圖3 所示。從圖3可以看到添加污穢之后，每一階的固有頻率都會上升，而且污穢質量越大固有頻率數值越高。

圖3 固有頻率

圖4 固有頻率上升百分比

污穢對每一階固有頻率的影響效果也不一樣，添加污穢之后相對于沒有污穢情況下每一階固有頻率上升的百分比如圖 4 所示，可以看到第6、7 階固有頻率上升效果最為顯著，即污穢對盆式絕緣子的6、7 階固有頻率的影響最為顯著。

當不添加污穢對盆式絕緣子進行仿真得到的前10 階固有頻率對應的振型如圖5 所示。

圖5 220 kV盆子前10階振型

從圖5 我們可以看到1 階固有頻率和2 階固有頻率十分接近，3 階固有頻率和4 階固有頻率十分接近，6 階固有頻率和7 階固有頻率十分接近，8 階固有頻率和9 階固有頻率十分接近，而且他們所對應的振型形狀十分相似，但是模態振型的相位不同，振型相互正交，也就是出現所謂的重根模態。其主要原因為盆式絕緣子具有循環對成性，重根只是對循環對稱結構的特殊振動特性即振型隨激振點移動特性的一種數學描述。仿真過程中添加的污穢薄面對盆式絕緣子的循環對稱結構并沒有改變，因此添加污穢之后重根模態現象依然存在，而固有頻率發生了顯著的改變。

4 結束語

1）添加污穢之后，每一階的固有頻率都會上升，而且污穢質量越大固有頻率數值越高。其中第6、7 階固有頻率上升效果最為顯著

2）因為盆式絕緣子具有循環對稱性，加污穢之后重根模態現象依然存在，而固有頻率發生了顯著的改變。