CN109446733A - 一种基于有限元的gis母线外壳振动的仿真模拟方法 - Google Patents
一种基于有限元的gis母线外壳振动的仿真模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109446733A CN109446733A CN201811523421.7A CN201811523421A CN109446733A CN 109446733 A CN109446733 A CN 109446733A CN 201811523421 A CN201811523421 A CN 201811523421A CN 109446733 A CN109446733 A CN 109446733A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- finite element
- shell
- gis
- gis bus
- analysis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 229910018503 SF6 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 claims description 2
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 claims 1
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 claims 1
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 claims 1
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 claims 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 abstract description 6
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 2
- 238000010338 mechanical breakdown Methods 0.000 description 2
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 2
- 235000008331 Pinus X rigitaeda Nutrition 0.000 description 1
- 235000011613 Pinus brutia Nutrition 0.000 description 1
- 241000018646 Pinus brutia Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
Abstract
本申请公开了一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，包括：建立GIS母线有限元模型；对所述GIS母线有限元模型做电磁场‑电路耦合分析，得到模型的磁感应强度、磁场强度；电磁力分析；计算导杆及外壳的受力情况，得到数值结果；将所述数值结果作为结构场的激励，对外壳模型进行结构场分析，得到母线外壳的振动情况。通过本申请提供的方法采用顺序耦合的方法，将对电磁场分析后，得到的节点电动力作为载荷施加到结构场有限元模型中，以此来计算外壳的振动特性。得到的结果对真实物理系统有较高的还原程度，与实际的实验相互印证，因此计算模型与分析结果可用于GIS母线外壳的受力振动分析，进行状态监测与故障诊断。
Description
技术领域
本申请涉及物理系统模拟技术领域，尤其涉及一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法。
背景技术
随着GIS的广泛应用，其故障时有发生，机械故障已经成为GIS设备的常见故障之一，造成经济损失严重，威胁电力系统稳定运行，同时可能造成其他严重后果。GIS机械振动形成的原因有很多，正常运行中导杆交流电流产生的交变电动力是引起振动的主要因素。
对于三相共体气体绝缘母线，在实际工作中由于电磁感应的作用，导线和金属外壳均处在负荷电流和涡流产生的交变电磁场中，从而受到电磁力的作用而产生振动。该振动在发生短路故障时，使得短路电动力幅值急剧增大，可能造成母线接头脱落、连接螺栓松动等故障，危害设备和电力系统的安全。
但是，目前针对GIS的故障研究大多数都是针对局部放电故障的研究，对GIS机械故障振动信号检测研究比较匮乏，无法监测导线交流电流产生的交变电动力引起的对母线振动情况。
发明内容
本申请提供了一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，以解决现阶段对GIS机械故障振动信号检测研究匮乏的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
本申请实施例公开了一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，包括：建立GIS母线有限元模型；
对所述GIS母线有限元模型做电磁场-电路耦合分析；
电磁力分析；
计算导杆及外壳的受力情况，得到数值结果；
将所述数值结果作为结构场的激励，对母线外壳模型进行结构场分析，得到母线外壳的振动情况。
可选的，所述对所述GIS母线有限元模型做电磁场-电路耦合分析包括：
设置所述有限元模型中的材料参数；
增加激励设置，得到GIS母线的磁感应强度、磁场强度；
可选的，所述材料参数包括所述有限元模型中的空气域、六氟化硫气体域和导体域的电阻率、相对磁导率。
可选的，所述激励设置为：施加三相50Hz交流电流源，幅值1000A，三相电流初始相位差120°，时间步长1ms。
可选的，所述电磁力分析为将母线外壳上电磁力进行分解，分别求得切向和法向的正弦形式受力表达式。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供了一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，包括：建立GIS水平母线有限元模型；对所述GIS母线有限元模型做电磁场-电路耦合分析，得到模型的磁感应强度、磁场强度；电磁力分析；计算导杆及外壳的受力情况，得到数值结果；将所述数值结果作为结构场的激励，对外壳模型进行结构场分析，得到母线外壳的振动情况。通过本申请提供的方法采用顺序耦合的方法，将对电磁场分析后，得到的节点电动力作为载荷施加到结构场有限元模型中，以此来计算外壳的振动特性。得到的结果对真实物理系统有较高的还原程度，与实际的实验测试相互印证，因此计算模型与分析结果可用于GIS母线外壳的受力振动分析，进行GIS线路状态监测与故障诊断。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种GIS母线有限元模型；
图3为本申请实施例GIS母线外壳所受切向和法向的力的图示；
图4为本申请实施例提供的GIS母线外壳所受合力图示。
其中，1-矩形，2-金属壳，3-A相导杆，4-B相导杆，5-C相导杆。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，如图1所示，为本申请实施例提供的一种有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法的流程图，包括：
建立GIS母线有限元模型。在整个仿真模拟中运用的电磁场数学模型是麦克斯韦方程组，电路数学模型采用基尔霍夫电压定律。对于实际运行中的三相共体GIS母线，三相线路中通过正弦交流电流，导线和金属外壳均处在负荷电流和涡流产生的交变电磁场中因此作用在外壳上的力本质就是由于电磁感应的作用。
如图2所示，为本申请实施例提供的一种GIS母线有限元模型。结合实际运行的GIS母线结构，建立简化的三相共箱气体绝缘母线有限元模型如图2中所示，空气域1为包裹绝缘母线的空气域，所述空气域1呈矩形，A相导杆3、B相导杆4和C相导杆5为空心导杆，且均匀分布在金属壳2内，金属壳2内部填充有SF6气体。
对所述GIS母线有限元模型做电磁场-电路耦合分析。具体过程包括：设置所述有限元模型中的材料参数，具体参数如下：外壳外径450mm，厚度6mm，导杆外径37.5mm，导杆中心到外壳中心为100mm。导杆和外壳均为金属材料，电阻率设置为1×10-15Ω/m，母线内充有SF6气体。所有材料的相对磁导率均设为1。
增加激励设置。本申请实施例中增加的激励设置为：施加三相50Hz交流电流源，幅值1000A，三相电流初始相位差，时间步长1ms。选择A相的电磁分布最强时进行观察，因此按照正弦函数规律，在5ms时A相的电流达到峰值，此后得到的磁感应强度、磁场强度均取自于5ms时刻，得到GIS母线的磁感应强度、磁场强度。
在A相电流最大时其周围的磁场强度也最大，B、C两相呈现对称性，根据有限元的计算结果，可得出最大磁场强度为9031.41N/m。
将GIS母线外壳上电磁力进行分解，分别求得切向和法向的正弦形式受力表达式。外壳整体的受力可分解为两个相互垂直的分量：水平分量电磁力Fx、竖直分量电磁力Fy，两分量均随时间近似做正弦周期变化，幅值约为0.11N。外壳所受合力较小，这是由于外壳各部位受力的方向不一致，矢量叠加所致，但外壳在具体节点处则可能受到较大的电磁力作用，从而引起机械故障的产生。两个方向分解力的表达形式为：Fx＝0.11sin(628t)N、Fy＝0.11sin(628t+1.57)N，即y方向超前x方向90度，在方程中转化为弧度制。如图3所示，为本申请实施例GIS母线外壳所受切向和法向的力的图示。
计算导杆及外壳的受力情况，得到数值结果。上述步骤中为求得的外壳合力，其值保持在0.11N左右，由于三相电流的对称性，其保持定值符合预期，金属外壳在该力的作用下产生机械振动如图4。如图4所示，为本申请实施例提供的GIS母线外壳所受合力图示。
将所述数值结果作为结构场的激励，对外壳模型进行结构场分析，得到母线外壳的振动情况。在完成电磁部分模拟后，利用ANSYS workbench进行结构场分析，进行结构动力学分析，根据电磁仿真得到的外壳单位长度所受电磁力，对外壳模型施加相应的电磁力激励，即同时施加频率为100Hz、相位差为90°的x、y两个方向上的电磁力，求解在该力作用下金属外壳的结构响应。
通过外壳在电磁力作用下初始时刻的速度分布情况，来研究的母线外壳的振动情况。结果表明在外壳侧面水平中线附近速度较大，说明初始速度最大的该区域同样也是合力的方向，因此也具有最大加速度。本申请实施例提出了将电磁耦合和结构场分成了两个独立的有限元分析，简化了多物理场耦合的复杂性。
本申请提供了一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，包括：建立GIS母线有限元模型；对所述GIS母线有限元模型做电磁场-电路耦合分析，得到模型的磁感应强度、磁场强度；计算导杆及外壳的受力情况，得到数值结果；将所述数值结果作为结构场的激励，对外壳模型进行结构场分析，得到母线外壳的振动情况。通过本申请提供的方法采用顺序耦合的方法，将对电磁场分析后，得到的节点电动力作为载荷施加到结构场有限元模型中，以此来计算外壳的振动特性。本申请提供的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法得到的结果对真实物理系统有较高的还原程度，与实际的实验相互印证，因此计算模型与分析结果可用于GIS的受力振动分析，进行GIS线路状态监测与故障诊断。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。
Claims (5)
1.一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，其特征在于，包括：
建立GIS母线有限元模型；
对所述GIS母线有限元模型做电磁场-电路耦合分析；
电磁力分析；
计算导杆及外壳的受力情况，得到数值结果；
将所述数值结果作为结构场的激励，对母线外壳模型进行结构场分析，得到母线外壳的振动情况。
2.根据权利要求1所述的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，其特征在于，所述对所述GIS水平母线有限元模型做电磁场-电路耦合分析包括：
设置所述有限元模型中的材料参数；
增加激励设置，得到GIS母线的磁感应强度、磁场强度。
3.根据权利要求2所述的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，其特征在于，所述材料参数包括：所述有限元模型中的空气域、六氟化硫气体域和导体域的电阻率、相对磁导率。
4.根据权利要求2所述的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，其特征在于，所述激励设置为：施加三相50Hz交流电流源，幅值1000A，三相电流初始相位差120°，时间步长1ms。
5.根据权利要求1所述的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法，其特征在于，所述电磁力分析包括将GIS母线外壳上电磁力进行分解，分别求得切向和法向的正弦形式受力表达式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811523421.7A CN109446733A (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 一种基于有限元的gis母线外壳振动的仿真模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811523421.7A CN109446733A (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 一种基于有限元的gis母线外壳振动的仿真模拟方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109446733A true CN109446733A (zh) | 2019-03-08 |
Family
ID=65558578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811523421.7A Pending CN109446733A (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 一种基于有限元的gis母线外壳振动的仿真模拟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109446733A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110824312A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-21 | 重庆大学 | 一种gis设备缺陷模拟分析设备及方法 |
| CN111426473A (zh) * | 2020-05-19 | 2020-07-17 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种利用扫频交流电流的gis设备缺陷检测系统及方法 |
-
2018
- 2018-12-13 CN CN201811523421.7A patent/CN109446733A/zh active Pending
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 舒乃秋等: "基于场路耦合有限元的三相共箱气体绝缘母线暂态电动力分析", 《电网技术》 * |
| 齐卫东等: "基于有限元的GIS水平母线外壳振动仿真研究", 《高压电器》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110824312A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-21 | 重庆大学 | 一种gis设备缺陷模拟分析设备及方法 |
| CN111426473A (zh) * | 2020-05-19 | 2020-07-17 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种利用扫频交流电流的gis设备缺陷检测系统及方法 |
| CN111426473B (zh) * | 2020-05-19 | 2022-05-13 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种利用扫频交流电流的gis设备缺陷检测系统及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109446733A (zh) | 一种基于有限元的gis母线外壳振动的仿真模拟方法 | |
| Liu et al. | An improved SSCB combining fault interruption and fault location functions for DC line short-circuit fault protection | |
| Datsios et al. | Implementation of leader development models in ATP-EMTP using a type-94 circuit component | |
| Ravlić et al. | Simulation models for various neutral earthing methods in medium voltage systems | |
| Tzelepis et al. | Impact of VSC converter topology on fault characteristics in HVDC transmission systems | |
| CN101652666B (zh) | 确定描述磁悬浮铁路线路区段电气参数参数组的方法 | |
| Lu et al. | Modeling of common-mode current in motor cable of inverter-fed motor drive system | |
| Novitskiy et al. | Some aspects of steady state simulations of AC/DC hybrid transmission lines | |
| CN105981250A (zh) | 用于产生指示电气设备中铁磁共振振荡的存在的共振信号的方法和装置 | |
| Fard et al. | Finite element model of HVDC converter harmonic effects on partial discharge | |
| CN108599143B (zh) | 一种基于解析形式的电网频率动态时空演变的分析方法 | |
| Brandl et al. | Power hardware-in-the-loop setup for power system stability analyses | |
| Xunhao et al. | A control method for permanent-magnet synchronous motor with unbalanced cable resistor | |
| Garcia et al. | Long arcs in free air: stationary parameters for secondary arc current range | |
| Ametani et al. | Investigation of flashover phases in a lightning surge by new archorn and tower models | |
| Daryabak et al. | Inclusion of Abnormal Operation in Modeling of LCC-HVDC Systems Using Dynamic Phasors | |
| Lachin et al. | Microprocessor instrumentation and control systems for power generating objects' parameters | |
| Pruski et al. | Analysis of asymmetrical operating conditions of a power system for different models of synchronous generators | |
| Nikolaev et al. | Mathematical model and computer software for EMT analysis in HV and MV grids | |
| Qian et al. | A reconfigurable and flexible experimental footprint for control validation in power electronics and power systems research | |
| Piatek et al. | The current density distribution in the three-phase bus-bars system | |
| Yingqian et al. | Structural Dynamics Simulation and Engineering Application Analysis of 550kV GIL | |
| Batulko et al. | Special zero-sequence current transformers to determine fault connection in medium voltage networks | |
| Böhme et al. | Mechanical stress in high‐voltage switchgear with flexible single conductors under short‐circuit current load | |
| Benyahia et al. | Discharge currents discrimination technique based on multi-linear regression line and artificial neural networks for power transformers diagnosis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190308 |