高压支柱瓷绝缘子仿真建模与有限元仿真分析

闫 帅 胡 冰 王昆鹏 闫忠凯

（1.国网安徽省电力有限公司亳州供电公司，安徽 亳州 236000；2.武汉科迪奥迪电力科技有限公司，湖北 武汉 430000）

1 高压支柱瓷绝缘子模型建立

1.1 有限元分析

有限元分析方法[1-2]的基本思想是在力学模型上将一个原来连续的物体离散成为有限个具有一定大小的单元， 这些单元仅在有限个节点上相连接， 并在节点上引进等效力以替代实际作用于单元上的外力。 对于每个单元， 根据分析近似的思想， 选择一种简单的函数来表示单元内位移的分布规律， 并按弹性理论中的能量原理 （或用变分原理） 建立单元节点力和节点位移之间的关系。 将所有单元关系式集合起来， 可得到一组以节点位移为未知量的代数方程组， 解这些方程组就则可求出物体上有限个离散节点上的位移。 本文利用有限元软件ANSYS 建立模型，对完好瓷绝缘子与含有裂缝的瓷绝缘子分别进行仿真计算， 通过计算结果验证共振声学支柱绝缘子探伤的可行性。 由于支柱绝缘子内部结构较为复杂的模型，直接在ANSYS 中建模十分困难， 因此本文首先采用SolidWorks 建模，然后导入ANSYS 进行仿真计算。

1.2 仿真建模

根据支柱瓷绝缘子断裂事故按其电压等级调查统计， 支柱瓷绝缘子断裂事故主要集中在220kV、110kV电压等级[3-5]，故本项目中选取典型110kV 和220kV 支柱瓷绝缘子进行建模，以确保仿真结果具备代表性。

1.2.1 支柱绝缘子模型物理参数设置

典型110kV 和220kV 瓷支柱绝缘子的尺寸如表1所示， 本文以此为依据建立瓷支柱绝缘子的几何实体。

表1 典型瓷支柱绝缘子的尺寸

瓷支柱绝缘子的各部分材料参数如表2 所示：

表2 绝缘子材料参数

支柱绝缘子的仿真模型如表3 所示， 该模型包含5 个部分：上、下法兰盘，上、下胶合剂和瓷体，其中上、下法兰盘有4 个预留的螺栓孔，用于固定。

1.2.2 绝缘子缺陷参数设置

根据国内支柱绝缘子的事故统计， 断裂事故约占总数的60%，发现裂纹存在的约占总数30%，其他事故占10%。 支柱绝缘子95%断裂发生在法兰口内3cm到第一伞裙之间， 而90%以上的缺陷都是出现在下法兰沿与第一瓷裙中间。 因此，为探究缺陷的位置、深度和形状对仿真结果的影响， 本文以上述统计结果为已经进行缺陷设置，110kV 和220kV 支柱绝缘子模型缺陷的具体参数如下：

表3 支柱绝缘子仿真模型

（1）不同位置缺陷

在绝缘子瓷柱的上部、 中部和下部三个不同位置设置宽3mm，深度为5mm 的圆周裂缝缺陷。 上部缺陷设置在上法兰下边沿与上段第一瓷裙中间， 距离上法兰下边沿30mm 位置； 中部缺陷设置在支柱绝缘子瓷柱正中间， 视各电压等级绝缘子瓷柱结构高度而定；下部缺陷设置在下法兰上边沿与下端第一瓷裙中间，距离下法兰上边沿30mm 位置。 另在下部缺陷水平位置在绝缘子瓷柱中心设置宽1mm，半径3mm 的圆形内部缺陷。

（2）不同深度缺陷

在绝缘子瓷柱上距离下法兰上边沿30mm 位置，设置宽3mm，深度为3mm 的圆周裂缝缺陷；

在绝缘子瓷柱上距离下法兰上边沿30mm 位置，设置宽3mm，深度为5mm 的圆周裂缝缺陷。

（3）不同形状缺陷

在绝缘子瓷柱上距离下法兰上边沿30mm 位置，设置宽1/6 圆周，深度为5mm 的圆周裂缝缺陷。在绝缘子瓷柱上距离下法兰上边沿30mm 位置，设置整圆周，深度为5mm 的圆周裂缝缺陷。

1.2.3 激励信号及反馈信号位置

为便于装置小型化设计及操作便捷， 在仿真计算中将激励信号源与反馈信号传感器设置在同一位置。激励信号施加位置与反馈信号接收位置 （振动源及振动传感器位置） 位于支柱绝缘子底面80mm 处下法兰转角位置。

1.3 三维立体模型导入ANSYS

将SolidWorks 建立的三维立体模型导入有限元分析软件ANSYS， 在ANSYS 中添加逐个添加材料参数。完成边界条件设置后， 对地面进行约束后划分网格，如图1 所示。 网格划分控制能建立用在实体模型划分网格的因素，如单元形状、中间节点位置、单元大小等等， 是整个分析中最重要的因素之一， 根据支柱绝缘子外形大概可划分1-2 万个单元。 考虑实际工程中支柱绝缘子的联结状态， 底端通过法兰固定在支撑立柱上，顶端用于支承带电部件。 因此，支柱绝缘子的仿真模型中边界条件设置为： 底端4 个安装孔对应区域与地面位移保持为零，绝缘子顶端面设置为自由状态。

图1 网格划分后效果图

2 支柱瓷绝缘子模态和功率谱仿真分析

在上述支柱绝缘子模型建立工作的基础上， 利用ANSYS 瞬态动力学分析来模拟振动信号的反射波波形， 模拟各种缺陷情况下相应的模态和功率谱响应波形的变化， 从仿真角度验证共振声学用于高压支柱瓷绝缘子带电检测的可行性。

2.1 模态分析

模态是机械结构的固有振动特性， 每一个模态具有特定的固有频率、 阻尼比和模态振型。 模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法[6-7]。 在进行支柱绝缘子功率谱响应分析前， 需先进行绝缘子振动模态分析， 以了解绝缘子主要振动模态的频率范围， 以便设置合适的随机振动频率。 通过对正常绝缘子及两种瓷体缺陷的支柱绝缘子分别进行仿真模态分析， 对比观察正常和缺陷支柱绝缘子的频率变化。 本文在仿真中首先设置模态阶数为40 进行试探性仿真，起始频率设为1Hz，截止频率设置为3kHz，三种支柱绝缘子的前40 阶固有频率对比如图2 所示，三种绝缘子的12-17 阶固有频率对比如图3 所示。

可以看到，正常和缺陷支柱绝缘子的波形范围发生了明显的变化， 各阶频率随着阶次呈成正整数线性增加，相互阶层的频率差距较大，即如果各阶模态分辨性较强，则实验状态下的模态检测更容易实现。 绝缘子存在缺陷之后其各阶模态频率发生一定的变化，其中频率变化最大的可以达0.1～0.15kHz， 因此可采用此种共振声学检测技术作为缺陷评判手段，由此可以初步认为以该技术为基础的检测方法在理论上是可行的。

图2 三种绝缘子的前40 阶固有频率

图3 三种绝缘子的12-17 阶固有频率

2.2 功率谱分析

由以上分析可知， 存在缺陷的支柱绝缘子固有频率会发生变化， 但反应在同阶的变化较小， 为了更清楚检测到正常与缺陷支柱绝缘子瓷柱的差别， 下面通过仿真模拟输入加速度的标准谱求解得到响应谱，来观察不同情况下绝缘子变化情况。 此处采用单点激振单点测量的方式进行模拟， 激励信号为强脉冲信号，施加在支柱绝缘子底面80mm 处下法兰表面位置，尽可能贴近后期的现场试验方式， 以提高仿真数据与试验数据的可比性，仿真频率从1Hz 到10kHz。

2.2.1 不同位置缺陷功率谱仿真分析

为研究缺陷位置对仿真结果的影响，分别对110kV和220kV 支柱绝缘子瓷柱的上部、中部、下部及内部四个不同位置设置宽3mm， 深度为5mm 的圆周裂缝缺陷。 其中缺陷位置具体为： 上部缺陷设置在上法兰下边沿与上段第一瓷裙中间， 距离上法兰下边沿30mm位置； 中部缺陷设置在支柱绝缘子瓷柱正中间， 视各电压等级绝缘子瓷柱结构高度而定； 下部缺陷设置在下法兰上边沿与下端第一瓷裙中间， 距离下法兰上边沿30mm 位置； 内部缺陷设置为与下部缺陷同一水平位置，绝缘子瓷柱中心设置宽1mm，半径3mm 的圆形内部缺陷。 仿真结果如下：

（1）110kV 支柱绝缘子功率谱仿真结果

（2）220kV 支柱绝缘子功率谱仿真结果

图4 110kV 支柱绝缘子不同位置缺陷功率谱仿真响应谱

图5 220kV 支柱绝缘子不同位置缺陷功率谱仿真响应谱

（3）仿真结果分析

将三种电压等级的支柱绝缘子的响应谱归一化进行对比可知， 无论是完好情况还是存在缺陷的情况，其响应功率谱的波形较为一致， 说明尺寸对绝缘子响应功率谱波形变化影响较小， 瓷柱及两端法兰材质的物理属性才是决定响应功率谱波形的主要因素。

当缺陷位于绝缘子瓷柱上不同位置时，正常和有缺陷支柱绝缘子固有频率会发生变化， 但都存在位于3.5kHz 左右的固有频率。①当绝缘子瓷体的上方存在裂纹缺陷时，相比正常绝缘子在8.5kHz 出现另一波峰，而且峰值较高，即功率谱的分布规律发生了变化。 ②当绝缘子瓷体的中部存在裂纹缺陷时， 相比正常绝缘子在5kHz 出现另一波峰。 ③当绝缘子瓷体下方存在裂纹缺陷时， 相比正常绝缘子， 在1～2kHz 左右出现另一个波峰，而且峰值较高。 ④当绝缘子瓷体内部存在裂纹缺陷时， 新增波峰频率较同一水平位置外部缺陷时变化不大。由此可知波峰的分布位置及峰值的变化可以作为判断存在缺陷与完好支柱绝缘子的重要标志。

2.2.2 不同深度缺陷功率谱仿真分析

为研究缺陷深度对仿真结果的影响，分别对110kV和220kV 支柱绝缘子瓷柱上距离下法兰上边沿30mm位置， 设置宽3mm， 深度为3mm、5mm 的圆周裂缝缺陷。 仿真结果如下：

（1）110kV 支柱绝缘子不同深度缺陷功率谱仿真结果

图6 110kV 支柱绝缘子不同深度缺陷功率谱仿真响应谱

（2）220kV 支柱绝缘子不同深度缺陷功率谱仿真结果

图7 220kV 支柱绝缘子不同深度缺陷功率谱仿真响应谱

（3）仿真结果分析

通过上述仿真结果可知， 对于不同电压等级的支柱绝缘子， 缺陷深度变化对于其固有频率产生影响甚微， 波峰的分布基本未发生变化， 深度的影响主要反映在相对正常支柱 1 ～2kHz 左右出现的波峰上。110kV、220kV 和500kV 支柱绝缘子的缺陷深度为3mm的新增波峰加速度响应谱值均比缺陷深度为5mm 时低。 原因为缺陷深度增加后发射的信号大部分返回接收端，引起新增波峰的谱值变大。

2.2.3 不同形状缺陷功率谱仿真分析

为研究缺陷形状对仿真结果的影响， 分别对110kV、220kV 和500kV 支柱绝缘子瓷柱上距离下法兰上边沿30mm 位置，设置宽1/6 圆周和整圆周，深度为5mm 的圆周裂缝缺陷。 仿真结果如下：

（1）110kV支柱绝缘子不同形状缺陷功率谱仿真结果

（2）220kV 支柱绝缘子不同形状缺陷功率谱仿真结果

（3）仿真结果分析

通过上述仿真结果可知， 对于不同电压等级的支柱绝缘子， 缺陷形状变化对于其固有频率产生影响甚微， 波峰的分布未发生变化， 缺陷形状的影响主要反映在相对正常支柱 1 ～2kHz 左右出现的波峰上。110kV、220kV 和500kV 支柱绝缘子的缺陷形状为整圆周的新增波峰加速度响应谱值均比缺陷形状为1/6 圆周低。 原因为缺陷断面增大导致激励信号大部分返回接收端，引起新增波峰的谱值变大。

图8 110kV 支柱绝缘子不同形状缺陷功率谱仿真响应谱

图9 220kV 支柱绝缘子不同形状缺陷功率谱仿真响应谱

3 结论

本节主要对110kV、220kV 及500kV 典型高压支柱瓷绝缘子进行了建模仿真计算。 通过模态分析， 某些振动信号的特征可以判断支柱绝缘子有无较大缺陷。相对于正常状态的绝缘子固有频率， 缺陷状态的绝缘子可能会出现较多的或者减少部分的固有频率值。 通过对不同位置缺陷、 不同深度缺陷、 不同形状缺陷对绝缘子响应功率谱的影响分析得出如下结论：

（1） 存在缺陷的支柱绝缘子模态频率会发生一定的变化，可采用共振声学技术作为缺陷评判手段；

（2） 正常和有缺陷支柱绝缘子固有频率会发生变化，但都存在位于3.5kHz 左右的固有频率，而存在缺陷的绝缘子会产生新的波峰；

（3）缺陷位置的不同，影响新增波峰所在频率，缺陷位置越靠近下部新增波峰频率越低， 缺陷位置越靠近上部新增波峰频率越高；

（4）缺陷深度、形状的不同不影响新增波峰所在频率，只影响波形幅值，深度越深、裂缝越长新增波峰幅值也越大。