不同污穢質(zhì)量下GIS絕緣子模態(tài)特性仿真

張勇，周彥，肖廣輝，朱小賢，邵峰

（國(guó)網(wǎng)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(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）與敞開(kāi)式電氣設(shè)備相比，具有占地面積和空間小、安裝快、受外界環(huán)境干擾小、運(yùn)行安全可靠、維護(hù)工作量少、檢修周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地采用。但GIS 一旦發(fā)生故障，容易造成事故范圍擴(kuò)大，造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)致GIS 盆式絕緣子閃絡(luò)的主要原因其表面污穢的存在。目前針對(duì)線路、站內(nèi)絕緣子的污穢檢測(cè)研究較多，也提出了各種方法，但針對(duì)GIS 內(nèi)部盆式絕緣子的污穢狀態(tài)的檢測(cè)很少。

振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)由于檢測(cè)靈敏度高、無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)引起人們的關(guān)注。武漢大學(xué)李曉紅等人采用力錘激勵(lì)支柱瓷絕緣子并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和小波分析[1]。上述試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果初步驗(yàn)證了振動(dòng)法的有效性。北京工業(yè)大學(xué)焦敬品采用有限元軟件對(duì)支柱陶瓷絕緣子進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析[2]。東北電力大學(xué)于卓琦等人采用有限元軟件計(jì)算了正常或含有缺陷的盆式絕緣子的模態(tài)頻率，研究了氣室壓力和裂紋大小對(duì)模態(tài)頻率的影響[3]。基于以上情況，本文對(duì)污穢質(zhì)量對(duì)盆子模態(tài)的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)于及時(shí)檢測(cè)盆式絕緣子表面污穢狀況，避免盆式絕緣子閃絡(luò)，完善GIS 設(shè)備運(yùn)行維護(hù)水平，提高GIS 設(shè)備運(yùn)行可靠性，具有重要的實(shí)際和科學(xué)意義。

1 模態(tài)特性仿真研究方法

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的一種方法，模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，分析這些模態(tài)參數(shù)的過(guò)程稱(chēng)為模態(tài)分析。模態(tài)分析的經(jīng)典定義是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使得方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程組，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。模態(tài)參數(shù)主要包括模態(tài)頻率、模態(tài)振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)向量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等。本次采用有限元分析軟件COMSOL 進(jìn)行仿真模態(tài)分析，對(duì)220 kV 盆子建模進(jìn)行了固有模態(tài)分析。

計(jì)算模態(tài)分析中， 三維建模采用SolidWorks 軟件，SolidWorks 軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 SolidWorks 有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD 解決方案。模態(tài)分析采用有限元軟件COMSOL Multiphysics。COMSOL Multiphysics 是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過(guò)程，以有限元法為基礎(chǔ)，通過(guò)求解偏微分方程（單場(chǎng)）或偏微分方程組（多場(chǎng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，用數(shù)學(xué)方法求解真實(shí)世界的物理現(xiàn)象。

2 仿真模型搭建

以220 kV 盆子（與試驗(yàn)研究盆子一致）為研究對(duì)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(shí)測(cè)，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(dǎo)入COMSOL，物理場(chǎng)樹(shù)選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)中的固體力學(xué)，研究樹(shù)中選擇一般研究中的特征頻率，然后在COMSOL 中全部構(gòu)建形成聯(lián)合體。盆式絕緣子材料填充選擇環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)illed epoxy resin(X238) [solid]，環(huán)氧樹(shù)脂的楊氏模量E設(shè)置為109Pa，泊松比ηu設(shè)置為0.38。污穢填充是通過(guò)覆蓋一層薄面在盆子表面，污穢的密度設(shè)置為塵土堆積密度1070 kg/m3，楊氏模量E 設(shè)置為1.9×1011Pa，泊松比ηu設(shè)置為0.16。網(wǎng)格劃分均選擇軟件默認(rèn)劃分，單元大小為常規(guī)。網(wǎng)格劃分為默認(rèn)劃分，污穢薄面處的網(wǎng)格是明顯小于其他地方的網(wǎng)格的。固有模態(tài)是指系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)的模態(tài)，因此對(duì)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(shè)置整個(gè)盆式絕緣子表面全部添加，污穢種類(lèi)為非導(dǎo)電性污穢。通過(guò)對(duì)污穢薄面的厚度進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而改變所添加的污穢質(zhì)量，50 g污穢對(duì)應(yīng)0.5 mm 厚度的污穢薄面，100 g 污穢對(duì)應(yīng) 1mm 厚度的污穢薄面，200 g 污穢對(duì)應(yīng)2 mm 厚度的污穢薄面，300 g 污穢對(duì)應(yīng)3 mm厚度的污穢薄面。

圖2 污穢薄面

3 污穢質(zhì)量對(duì)固有模態(tài)的影響

固有頻率也稱(chēng)為自然頻率。物體做自由振動(dòng)時(shí)，其位移隨時(shí)間按正弦或余弦規(guī)律變化，振動(dòng)的頻率與初始條件無(wú)關(guān)，而僅與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)，稱(chēng)為固有頻率，其對(duì)應(yīng)周期稱(chēng)為固有周期。對(duì)固有頻率的研究有利于保證產(chǎn)品穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)無(wú)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(jìn)行固有頻率仿真，得到的1～14 階固有頻率結(jié)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(huì)上升，而且污穢質(zhì)量越大固有頻率數(shù)值越高。

圖3 固有頻率

圖4 固有頻率上升百分比

污穢對(duì)每一階固有頻率的影響效果也不一樣，添加污穢之后相對(duì)于沒(méi)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(duì)盆式絕緣子的6、7 階固有頻率的影響最為顯著。

當(dāng)不添加污穢對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行仿真得到的前10 階固有頻率對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的振型形狀十分相似，但是模態(tài)振型的相位不同，振型相互正交，也就是出現(xiàn)所謂的重根模態(tài)。其主要原因?yàn)榕枋浇^緣子具有循環(huán)對(duì)成性，重根只是對(duì)循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的特殊振動(dòng)特性即振型隨激振點(diǎn)移動(dòng)特性的一種數(shù)學(xué)描述。仿真過(guò)程中添加的污穢薄面對(duì)盆式絕緣子的循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變，因此添加污穢之后重根模態(tài)現(xiàn)象依然存在，而固有頻率發(fā)生了顯著的改變。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

2）因?yàn)榕枋浇^緣子具有循環(huán)對(duì)稱(chēng)性，加污穢之后重根模態(tài)現(xiàn)象依然存在，而固有頻率發(fā)生了顯著的改變。