CN110175382A - 一种基于ansys的盆式绝缘子缺陷模态分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法，属于电力系统技术领域，它包括（1）对GIS盆式绝缘子进行三维建模，得到绝缘子的三维模型；（2）建立盆式绝缘子的有限元模型；（3）对盆式绝缘子进行模态分析；（4）在上述模态分析过程中对盆式绝缘子施加载荷，得到有一定压力情况下盆式绝缘子的模态分析结果和前10阶固有频率；（5）对不同情况下的完好的盆式绝缘子和含有缺陷的盆式绝缘子的频率进行对比分析，发现规律，进而实现对盆式绝缘子的模态分析方法。本发明能够提早发现GIS内部可能存在的缺陷，为设备检修提供初期判断，降低设备的维护数量和维修费用提供了有力的保障。

Description

一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，涉及GIS盆式绝缘子故障诊断领域，尤其涉及一种基于ANSYS的盆式绝缘子故障的有限元分析方法。

背景技术

气体绝缘变电站(GIS)与传统敞开式变电站相比，有着可靠性高、损耗小、占地少、噪音小等诸多优点， 在世界各地有着广泛的运用。利用GIS进行高压电能传输是当前和未来的发展趋势。气体绝缘变电站(gas insulated substation，GIS)是由断路器、母线、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器和高压套管等组成的高压电器。盆式绝缘子是气体绝缘变电站(gas insulated substation，GIS)的关键部件，起着支撑导体、隔离气室和电气绝缘的作用。盆式绝缘子作为气体绝缘变电站不可缺少的重要部件，当其结构有损伤时，会引起局部放电现象，严重时会引起绝缘击穿，造成大面积停电，导致的损失不可估量。因此其结构健康检测对实现工业安全生产、延长变电设备使用寿命有着重大意义。利用振动信号能有效地检测出盆式绝缘子存在的缺陷，是电力设备故障诊断和无损检测的有力手段。

发明内容

为了检测出盆式绝缘子是否存在缺陷，本发明提供了一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法，对盆式绝缘子进行ANSYS仿真，通过分析仿真得到的模态频率的变化规律能有效地检测出盆式绝缘子存在的缺陷。

本发明的技术方案：一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法，包括下述步骤：

步骤一：对GIS盆式绝缘子进行三维建模，得到绝缘子的三维模型。

步骤二：建立盆式绝缘子的有限元模型。在ANSYS前处理模块中选择绝缘子单元类型，确定绝缘子材料的属性并设定相关材料参数，以及进行绝缘子的网格划分。

步骤三：对盆式绝缘子进行模态分析。将盆式绝缘子三维模型和设定好的材料导入ANSYS模态分析模块，对绝缘子模型进行零位移约束，进而得到盆式绝缘子的模态分析结果，并得到前10阶固有频率。

步骤四：在上述模态分析过程中对盆式绝缘子施加载荷，得到有一定压力情况下盆式绝缘子的模态分析结果和前10阶固有频率。

步骤五：对不同情况下的完好的盆式绝缘子和含有缺陷的盆式绝缘子的频率进行对比分析，发现规律，进而实现对盆式绝缘子的模态分析方法。

本发明的有益效果是：基于ANSYS的存在缺陷的GIS盆式绝缘子的模态分析方法能够提早发现GIS内部可能存在的缺陷，结合ANSYS强大的网格划分和计算能力的，得到盆式绝缘子在不同情况下的固有频率，为盆式绝缘子故障机理研究提供了可靠的理论基础，进而为设备检修提供初期判断，降低设备的维护数量和维修费用提供了有力的保障。

具体实施方式

1模态分析原理

模态分析是用来计算结构的振动特性。在无预应力且忽略阻尼情况下，结构发生简谐振动时满足微分方程

(1)

其中[M]为结构质量矩阵，[K]为结构刚度矩阵, {q}为节点位移向量，为振动的圆频率。(1)式为特征值问题，特征根为ω_i ²(i为1至自由度值)，特征根的平方根为振动的圆频率，相应的特征向量q _i为振动的振型。

2具体步骤

步骤一：GIS盆式绝缘子的三维模型构建。本方法在ANSYS的geometry模块中利用盆式绝缘子的旋转对称性进行建模。

第一步，在ANSYS软件的工具栏中打开geometry模块，在打开的界面中选中XYPlane坐标。

第二步，点击Sketch切换到草绘模式，利用其中的直线和曲线命令绘制出盆式绝缘子的切面图。然后，选择工具栏中的Horizontal命令和Vertical命令分别对切面图进行水平尺寸标注和垂直尺寸标注。

第三步，点击Modeling按钮切换到Tree Out模式，然后点击工具栏中的Revolve按钮，即旋转命令，出现Details View面板。在Details View面板的Axis格选择Y轴，即创建的盆式绝缘子切面图绕着Y轴旋转生成盆式绝缘子三维模型。

第四步，点击工具栏中Generate按钮生成盆式绝缘子三维模型。

第五步，在菜单栏选择Toos中的Freeze命令，将生成的盆式绝缘子三维模型冻结。然后选择ZXPlane坐标，点击Sketch切换到草绘模式，利用圆弧命令在生成的盆式绝缘子三维模型上绘制出金属法兰。

第六步，点击工具栏中的Extrude按钮，即拉伸命令，出现Details View面板。在Details View面板的Operation格选择Slice Material类型，在Extent Type格选择Through all方式。

第七步，点击工具栏中Generate按钮，生成带有金属法兰的盆式绝缘子三维模型。

步骤二：在ANSYS软件前处理模块中设定材料属性并进行网格划分。点击Engineering Date选项，进入材料参数设置界面。盆式绝缘子的材料属性定义如表1所示。在材料参数设置界面中选择Density(密度)、Young’s Modulus(弹性模量)和Poisson’sRatio(泊松比)，并将表1所示数值填写在上述界面。然后点击Mesh进入网格划分界面，在Detail of Mesh中Method处选择Automatic(自动网格划分)模式，在Relevance Center处选择fine，即精细网格划分，在Element Size处输入6.5mm，即设定单元最大边长为6.5mm。最后，在Mesh选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Generate Mesh命令，即可完成网格划分。

表1 盆式绝缘子的材料属性

材料	密度/(kg/m<sup>3</sup>)	弹性模量/(10<sup>9</sup>N/m<sup>2</sup>)	泊松比
				环氧树脂	2000	1.00	0.380
铝合金	2770	71.00	0.330

步骤三：对盆式绝缘子进行模态分析。

第一步，在ANSYS主界面的工具箱中选择Modal模块，拖拽步骤一中的geometry到Modal模块中的geometry，即可将盆式绝缘子三维模型导入ANSYS模态分析模块。

第二步，点击Model选项进入模态分析界面。

第三步，点击左侧列表中的Modal选项，在出现的Environment工具栏中选择Support(约束)下的Fixed Support(固定约束)命令，然后选中盆式绝缘子的中心孔里面和外围金属法兰的三个面并点击Apply按钮，即可在选中面上施加固定约束，也就是对盆式绝缘子外围法兰处和母线接触面施加零位移约束。

第四步，在左侧列表中的Modal选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。

第五步，点击左侧列表中的Solution选项，此时会在右侧显示出盆式绝缘子的前10阶固有频率，也就是模态分析的结果。

第六步，退出模态分析界面并打开geometry模块，点击sketch切换到草绘模式，利用矩形工具在盆式绝缘子三维模型表面绘制长50mm、宽10mm的矩形，该矩形用来模拟盆式绝缘子表面的裂纹。

第七步，在工具栏中选择Extrude命令，在Extrude命令下的设置中，在Operation格选择Cut Material类型，在Extent Type格选择Fixed方式，在Depth格输入2mm，即裂纹宽度设为2mm。然后点击工具栏中Generate按钮，即可在盆式绝缘子表面生成长50mm、宽2mm、深10mm的裂纹。

第八步，按步骤三中的第二到五步对含有裂纹的盆式绝缘子三维模型进行同样的操作即可得到含有裂纹缺陷的盆式绝缘子的前10阶模态频率。

将第五步和第八步中得到的数据制成表格，表格如表2所示。完好的盆式绝缘子和含有裂纹缺陷的盆式绝缘子的模态频率对比如表2所示（频率1是完好的盆式绝缘子，频率2是含有裂纹缺陷的盆式绝缘子）：

表2 盆式绝缘子的前10阶模态频率

阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											频率1/(Hz)	786.1	786.2	786.9	787.0	843.5	877.2	877.3	1046.8	1046.9	1080.4
频率2/(Hz)	782.8	786.0	786.6	786.9	842.2	874.5	877.2	1042.5	1046.7	1080.0

分别比较表2中完好的盆式绝缘子和存在裂纹缺陷的盆式绝缘子的前10阶模态频率，发现盆式绝缘子存在裂纹缺陷时，各阶模态频率都会减小，且完好盆式绝缘子的1阶和2阶、3阶和4阶、6阶和7阶、8阶和9阶的模态频率是对称的，而存在裂纹缺陷时，对称现象消失。因此，通过对比证明模态频率的变化能反映出盆式绝缘子存在缺陷。

步骤四：对盆式绝缘子进行有预应力的模态分析，即盆式绝缘子承受0.4MPa气体压力下的模态分析。

第一步，对盆式绝缘子进行静力学分析。在ANSYS主界面的工具箱中选择StaticStructural模块，拖拽步骤一中的geometry到Static Structural模块中的geometry，即可将盆式绝缘子三维模型导入ANSYS模态分析模块。

第二步，点击Model选项进入静力学分析界面。

第三步，点击左侧列表中的Static Structural选项，在出现的Environment工具栏中选择Support(约束)下的Fixed Support(固定约束)命令，然后选中盆式绝缘子的中心孔里面和外围金属法兰的三个面并点击Apply按钮，即可在选中面上施加固定约束，也就是对盆式绝缘子外法兰处和母线接触面施加零位移约束。

第四步，在Environment工具栏中选择Loads(载荷)下的Pressure(压力)命令，然后选中盆式绝缘子的中上表面和下表面这两个面并点击Apply按钮，接着在Magnitude格中输入0.4MPa，即设定气体压力为0.4MPa，即可对盆式绝缘子上下表面施加0.4MPa的气体压力。

第五步，在左侧列表中的Static Structural选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。

第六步，点击左侧列表中的Solution选项，出现Solution工具栏，在Solution工具栏中选择Stress(应力)中的Equivalent(von-Mises)命令，然后在左侧列表中的Solution选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Evaluate All Results命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。

第七步，点击左侧列表中的Solution选项下的Equivalent Stress选项，此时会在右侧显示出盆式绝缘子的应力分布图。

第八步，退出静力学分析界面，在ANSYS主界面的工具箱中选择Modal模块，并选择Static Structural模块中的Solution选项不放拖拽到Modal模块中的Setup选项，即可将静力学分析结果导入到模态分析模块中。

第九步，点击Modal模块的Model选项进入模态分析界面。

第十步，在左侧列表中的Modal选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。

第十一步，点击左侧列表中的Solution选项，此时会在右侧显示出盆式绝缘子的前10阶固有频率，也就是有预应力的模态分析的结果。

第十二步，退出模态分析界面并打开geometry模块，按照步骤三的第六、第七步以同样的方式在盆式绝缘子三维模型表面构建同样尺寸的裂纹。

第十三步，按步骤四中的第二到十二步对含有裂纹的盆式绝缘子三维模型进行同样的操作即可得到含有裂纹缺陷的盆式绝缘子承受0.4MPa气体压力时的前10阶模态频率。

将第十一步和第十三步中得到的数据制成表格，表格如表3所示。完好的盆式绝缘子和含有裂纹缺陷的盆式绝缘子承受0.4MPa气体压力时的模态频率对比如表3所示（频率3是完好的盆式绝缘子，频率4是含有裂纹缺陷的盆式绝缘子）：

表3 盆式绝缘子承受0.4MPa气体压力时的前10阶模态频率

阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											频率3/(Hz)	786.2	786.3	787.0	787.1	843.6	877.4	877.5	1047.0	1047.1	1080.4
频率4/(Hz)	782.8	786.0	786.7	787.0	842.2	874.7	877.4	1042.6	1046.9	1080.0

分别比较完好的盆式绝缘子和存在裂纹缺陷的盆式绝缘子承受0.4MPa气体压力时的前10阶模态频率，发现盆式绝缘子存在裂纹缺陷时，各阶模态频率都会减小，且完好盆式绝缘子的1阶和2阶、3阶和4阶、6阶和7阶、8阶和9阶的模态频率是对称的，而存在裂纹缺陷时，对称现象消失。因此，通过对比证明模态频率的变化能反映出承受0.4MPa气体压力时的盆式绝缘子存在的缺陷。

以上所述为此模态分析方法的具体实施方案，通过对盆式绝缘子进行模态分析，在有无气体压力的情况下都能有效地对盆式绝缘子进行缺陷检测。

Claims (4)

1.一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法，其特征是包括下述步骤：

（1）对GIS盆式绝缘子进行三维建模，得到绝缘子的三维模型；

（2）建立盆式绝缘子的有限元模型，在ANSYS前处理模块中选择绝缘子单元类型，确定绝缘子材料的属性并设定相关材料参数，以及进行绝缘子的网格划分；

（3）对盆式绝缘子进行模态分析；

将盆式绝缘子三维模型和设定好的材料导入ANSYS模态分析模块，对绝缘子模型进行零位移约束，进而得到盆式绝缘子的模态分析结果，并得到前10阶固有频率；

（4）在上述模态分析过程中对盆式绝缘子施加载荷，得到有一定压力情况下盆式绝缘子的模态分析结果和前10阶固有频率；

（5）对不同情况下的完好的盆式绝缘子和含有缺陷的盆式绝缘子的频率进行对比分析，发现规律，进而实现对盆式绝缘子的模态分析方法。

2.根据权利要求1所述一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法，其特征是对GIS盆式绝缘子进行三维建模包括下述步骤：

第一步，在ANSYS软件的工具栏中打开geometry模块，在打开的界面中选中XYPlane坐标；

第二步，点击Sketch切换到草绘模式，利用其中的直线和曲线命令绘制出盆式绝缘子的切面图，然后，选择工具栏中的Horizontal命令和Vertical命令分别对切面图进行水平尺寸标注和垂直尺寸标注；

第三步，点击Modeling按钮切换到Tree Out模式，然后点击工具栏中的Revolve按钮，即旋转命令，出现Details View面板，在Details View面板的Axis格选择Y轴，即创建的盆式绝缘子切面图绕着Y轴旋转生成盆式绝缘子三维模型；

第四步，点击工具栏中Generate按钮生成盆式绝缘子三维模型；

第五步，在菜单栏选择Toos中的Freeze命令，将生成的盆式绝缘子三维模型冻结；然后选择ZXPlane坐标，点击Sketch切换到草绘模式，利用圆弧命令在生成的盆式绝缘子三维模型上绘制出金属法兰；

第六步，点击工具栏中的Extrude按钮，即拉伸命令，出现Details View面板，在Details View面板的Operation格选择Slice Material类型，在Extent Type格选择Through all方式；

第七步，点击工具栏中Generate按钮，生成带有金属法兰的盆式绝缘子三维模型。

3.根据权利要求1所述一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法，其特征是对盆式绝缘子进行模态分析包括下述步骤：

第一步，在ANSYS主界面的工具箱中选择Modal模块，拖拽步骤一中的geometry到Modal模块中的geometry，即可将盆式绝缘子三维模型导入ANSYS模态分析模块；

第二步，点击Model选项进入模态分析界面；

第三步，点击左侧列表中的Modal选项，在出现的Environment工具栏中选择Support(约束)下的Fixed Support(固定约束)命令，然后选中盆式绝缘子的中心孔里面和外围金属法兰的三个面并点击Apply按钮，即可在选中面上施加固定约束，也就是对盆式绝缘子外围法兰处和母线接触面施加零位移约束；

第四步，在左侧列表中的Modal选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失；

第五步，点击左侧列表中的Solution选项，此时会在右侧显示出盆式绝缘子的前10阶固有频率，也就是模态分析的结果；

第六步，退出模态分析界面并打开geometry模块，点击sketch切换到草绘模式，利用矩形工具在盆式绝缘子三维模型表面绘制长50mm、宽10mm的矩形，该矩形用来模拟盆式绝缘子表面的裂纹；

第七步，在工具栏中选择Extrude命令，在Extrude命令下的设置中，在Operation格选择Cut Material类型，在Extent Type格选择Fixed方式，在Depth格输入2mm，即裂纹宽度设为2mm；然后点击工具栏中Generate按钮，即可在盆式绝缘子表面生成长50mm、宽2mm、深10mm的裂纹；

第八步，按步骤三中的第二到五步对含有裂纹的盆式绝缘子三维模型进行同样的操作即可得到含有裂纹缺陷的盆式绝缘子的前10阶模态频率。

4.根据权利要求1所述一种基于ANSYS的盆式绝缘子缺陷模态分析方法，其特征是对盆式绝缘子进行有预应力的模态分析，包括下述步骤：

第一步，对盆式绝缘子进行静力学分析；

在ANSYS主界面的工具箱中选择Static Structural模块，拖拽步骤一中的geometry到Static Structural模块中的geometry，即可将盆式绝缘子三维模型导入ANSYS模态分析模块；

第二步，点击Model选项进入静力学分析界面；

第三步，点击左侧列表中的Static Structural选项，在出现的Environment工具栏中选择Support(约束)下的Fixed Support(固定约束)命令，然后选中盆式绝缘子的中心孔里面和外围金属法兰的三个面并点击Apply按钮，即可在选中面上施加固定约束，也就是对盆式绝缘子外法兰处和母线接触面施加零位移约束；

第四步，在Environment工具栏中选择Loads(载荷)下的Pressure(压力)命令，然后选中盆式绝缘子的中上表面和下表面这两个面并点击Apply按钮，接着在Magnitude格中输入0.4MPa，即设定气体压力为0.4MPa，即可对盆式绝缘子上下表面施加0.4MPa的气体压力；

第五步，在左侧列表中的Static Structural选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失；

第六步，点击左侧列表中的Solution选项，出现Solution工具栏，在Solution工具栏中选择Stress(应力)中的Equivalent(von-Mises)命令，然后在左侧列表中的Solution选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Evaluate All Results命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失；

第七步，点击左侧列表中的Solution选项下的Equivalent Stress选项，此时会在右侧显示出盆式绝缘子的应力分布图；

第八步，退出静力学分析界面，在ANSYS主界面的工具箱中选择Modal模块，并选择Static Structural模块中的Solution选项不放拖拽到Modal模块中的Setup选项，即可将静力学分析结果导入到模态分析模块中；

第九步，点击Modal模块的Model选项进入模态分析界面；

第十步，在左侧列表中的Modal选项上右击，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失；

第十一步，点击左侧列表中的Solution选项，此时会在右侧显示出盆式绝缘子的前10阶固有频率，也就是有预应力的模态分析的结果；

第十二步，退出模态分析界面并打开geometry模块，按照步骤三的第六、第七步以同样的方式在盆式绝缘子三维模型表面构建同样尺寸的裂纹；

第十三步，按步骤四中的第二到十二步对含有裂纹的盆式绝缘子三维模型进行同样的操作即可得到含有裂纹缺陷的盆式绝缘子承受0.4MPa气体压力时的前10阶模态频率。