不同污秽质量下GIS绝缘子模态特性仿真

张勇，周彦，肖广辉，朱小贤，邵峰

（国网上海市电力公司金山供电公司，上海 200540）

0 前言

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）与敞开式电气设备相比，具有占地面积和空间小、安装快、受外界环境干扰小、运行安全可靠、维护工作量少、检修周期长等优点，被越来越广泛地采用。但GIS 一旦发生故障，容易造成事故范围扩大，造成巨额的经济损失。运行过程中导致GIS 盆式绝缘子闪络的主要原因其表面污秽的存在。目前针对线路、站内绝缘子的污秽检测研究较多，也提出了各种方法，但针对GIS 内部盆式绝缘子的污秽状态的检测很少。

振动信号检测由于检测灵敏度高、无损检测等优点引起人们的关注。武汉大学李晓红等人采用力锤激励支柱瓷绝缘子并对振动信号进行频谱分析和小波分析[1]。上述试验模态分析结果初步验证了振动法的有效性。北京工业大学焦敬品采用有限元软件对支柱陶瓷绝缘子进行了振动模态和随机振动响应分析[2]。东北电力大学于卓琦等人采用有限元软件计算了正常或含有缺陷的盆式绝缘子的模态频率，研究了气室压力和裂纹大小对模态频率的影响[3]。基于以上情况，本文对污秽质量对盆子模态的影响进行了相关研究，对于及时检测盆式绝缘子表面污秽状况，避免盆式绝缘子闪络，完善GIS 设备运行维护水平，提高GIS 设备运行可靠性，具有重要的实际和科学意义。

1 模态特性仿真研究方法

模态分析是研究结构动力学的一种方法，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，分析这些模态参数的过程称为模态分析。模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使得方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程组，以便求出系统的模态参数，坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态参数主要包括模态频率、模态振型、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。本次采用有限元分析软件COMSOL 进行仿真模态分析，对220 kV 盆子建模进行了固有模态分析。

计算模态分析中， 三维建模采用SolidWorks 软件，SolidWorks 软件功能强大，组件繁多。 SolidWorks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。模态分析采用有限元软件COMSOL Multiphysics。COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程，以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。

2 仿真模型搭建

以220 kV 盆子（与试验研究盆子一致）为研究对象，建立了220 kV 盆式绝缘子三维模型，如图 1 所示。

图1 220kV 盆式绝缘子三维模型

盆式绝缘子几何尺寸均为实测，外径为480 mm，厚度为38 mm，曲面采用倒角处理使其光滑，螺孔直径为10 mm。

将所建220 kV 盆子三维模型导入COMSOL，物理场树选择结构力学中的固体力学，研究树中选择一般研究中的特征频率，然后在COMSOL 中全部构建形成联合体。盆式绝缘子材料填充选择环氧树脂Filled epoxy resin(X238) [solid]，环氧树脂的杨氏模量E设置为109Pa，泊松比ηu设置为0.38。污秽填充是通过覆盖一层薄面在盆子表面，污秽的密度设置为尘土堆积密度1070 kg/m³，杨氏模量E 设置为1.9×1011Pa，泊松比ηu设置为0.16。网格划分均选择软件默认划分，单元大小为常规。网格划分为默认划分，污秽薄面处的网格是明显小于其他地方的网格的。固有模态是指系统自由振动时的模态，因此对盆子不必添加任何约束。

污秽薄面如图2 所示，薄面紧贴盆子表面。污秽设置整个盆式绝缘子表面全部添加，污秽种类为非导电性污秽。通过对污秽薄面的厚度进行设置，进而改变所添加的污秽质量，50 g污秽对应0.5 mm 厚度的污秽薄面，100 g 污秽对应 1mm 厚度的污秽薄面，200 g 污秽对应2 mm 厚度的污秽薄面，300 g 污秽对应3 mm厚度的污秽薄面。

图2 污秽薄面

3 污秽质量对固有模态的影响

固有频率也称为自然频率。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关，称为固有频率，其对应周期称为固有周期。对固有频率的研究有利于保证产品稳定性。

通过对无污秽和添加50 g 污秽、100 g 污秽、200 g 污秽、300 g 污秽的五种情况进行固有频率仿真，得到的1～14 阶固有频率结果如图3 所示。从图3可以看到添加污秽之后，每一阶的固有频率都会上升，而且污秽质量越大固有频率数值越高。

图3 固有频率

图4 固有频率上升百分比

污秽对每一阶固有频率的影响效果也不一样，添加污秽之后相对于没有污秽情况下每一阶固有频率上升的百分比如图 4 所示，可以看到第6、7 阶固有频率上升效果最为显著，即污秽对盆式绝缘子的6、7 阶固有频率的影响最为显著。

当不添加污秽对盆式绝缘子进行仿真得到的前10 阶固有频率对应的振型如图5 所示。

图5 220 kV盆子前10阶振型

从图5 我们可以看到1 阶固有频率和2 阶固有频率十分接近，3 阶固有频率和4 阶固有频率十分接近，6 阶固有频率和7 阶固有频率十分接近，8 阶固有频率和9 阶固有频率十分接近，而且他们所对应的振型形状十分相似，但是模态振型的相位不同，振型相互正交，也就是出现所谓的重根模态。其主要原因为盆式绝缘子具有循环对成性，重根只是对循环对称结构的特殊振动特性即振型随激振点移动特性的一种数学描述。仿真过程中添加的污秽薄面对盆式绝缘子的循环对称结构并没有改变，因此添加污秽之后重根模态现象依然存在，而固有频率发生了显著的改变。

4 结束语

1）添加污秽之后，每一阶的固有频率都会上升，而且污秽质量越大固有频率数值越高。其中第6、7 阶固有频率上升效果最为显著

2）因为盆式绝缘子具有循环对称性，加污秽之后重根模态现象依然存在，而固有频率发生了显著的改变。