一种基于有限元的GIS母线外壳振动的仿真模拟方法与流程

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。

技术实现要素：

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ansysworkbench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。