張勇，周彥，肖廣輝，朱小賢，邵峰

（國網(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關(guān)設(shè)備（GIS）與敞開式電氣設(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、運行安全可靠、維護(hù)工作量少、檢修周期長等優(yōu)點，被越來越廣泛地采用。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。運行過程中導(dǎo)致GIS 盆式絕緣子閃絡(luò)的主要原因其表面污穢的存在。目前針對線路、站內(nèi)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(nèi)部盆式絕緣子的污穢狀態(tài)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(yōu)點引起人們的關(guān)注。武漢大學(xué)李曉紅等人采用力錘激勵支柱瓷絕緣子并對振動信號進(jìn)行頻譜分析和小波分析[1]。上述試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果初步驗證了振動法的有效性。北京工業(yè)大學(xué)焦敬品采用有限元軟件對支柱陶瓷絕緣子進(jìn)行了振動模態(tài)和隨機(jī)振動響應(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模態(tài)頻率的影響[3]?；谝陨锨闆r，本文對污穢質(zhì)量對盆子模態(tài)的影響進(jìn)行了相關(guān)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(luò)，完善GIS 設(shè)備運行維護(hù)水平，提高GIS 設(shè)備運行可靠性，具有重要的實際和科學(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)的固有振動特性，每一個模態(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)的過程稱為模態(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220 kV 盆子建模進(jìn)行了固有模態(tài)分析。

計算模態(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，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 是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計算，模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程，以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真，用數(shù)學(xué)方法求解真實世界的物理現(xiàn)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(dǎo)入COMSOL，物理場樹選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)中的固體力學(xué)，研究樹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)氧樹脂F(xiàn)illed epoxy resin(X238) [solid]，環(huán)氧樹脂的楊氏模量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)自由振動時的模態(tài)，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(shè)置整個盆式絕緣子表面全部添加，污穢種類為非導(dǎo)電性污穢。通過對污穢薄面的厚度進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而改變所添加的污穢質(zhì)量，50 g污穢對應(yīng)0.5 mm 厚度的污穢薄面，100 g 污穢對應(yīng) 1mm 厚度的污穢薄面，200 g 污穢對應(yīng)2 mm 厚度的污穢薄面，300 g 污穢對應(yīng)3 mm厚度的污穢薄面。

圖2 污穢薄面

3 污穢質(zhì)量對固有模態(tài)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(guī)律變化，振動的頻率與初始條件無關(guān)，而僅與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)，稱為固有頻率，其對應(yīng)周期稱為固有周期。對固有頻率的研究有利于保證產(chǎn)品穩(wěn)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(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(dāng)不添加污穢對盆式絕緣子進(jìn)行仿真得到的前10 階固有頻率對應(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)。其主要原因為盆式絕緣子具有循環(huán)對成性，重根只是對循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的特殊振動特性即振型隨激振點移動特性的一種數(shù)學(xué)描述。仿真過程中添加的污穢薄面對盆式絕緣子的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)并沒有改變，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

1）添加污穢之后，每一階的固有頻率都會上升，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）因為盆式絕緣子具有循環(huán)對稱性，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。