笔者采用有限元软件ANSYS对某500 k V GIS避雷器进行了正常工况下的结构静力计算，模态分析和抗震计算。其中抗震计算分别对避雷器与大地固连和避雷器与支架固连两种情况进行了计算。并以支架高度为变量，研究了该避雷器在不同支架高度时的地震响应。
1 有限元模型
研究对象为Y20WF-444/1106型号500 kV GIS避雷器。详细结构参数可参阅相关资料。外层为桶状外壳，内部包含绝缘筒、均压罩、导电杆、触座，上下端盖等主要结构。下部为底座，上部覆盆式绝缘子。筒体外径1.032 m，壁厚12 mm。均压罩内径0.31 m，壁厚2 mm。内部绝缘筒内径0.115 m，壁厚8 mm。设备总高2.086 m，约重675 kg。。需要指出的是绝缘筒密度为折算密度，有限元模型中绝缘筒的总质量包含了绝缘筒，电阻片，绝缘垫与连接块的质量总和。
采用大型商用有限元软件ANSYS对该避雷器进行有限元计算分析，在建模时，x,y方向为水平方向，z为竖直方向。对于筒体，绝缘筒，均压罩，盆式绝缘子等结构均采用壳单元SHELL181单元进行模拟，对于底座，上下端盖，触座等采用实体单元SOL-ID185单元进行模拟。连杆与支架采用梁单元BEAM188单元进行模拟。避雷器通过基板与支架连接。基板采用SHELL181进行建模。在进行网格划分时，保证单元大小均匀适中，既保证计算精度，也保证足够的运算速度。
2 结构力学特性分析
本节对于该避雷器的结构力学特性分析包括3个方面:1)该避雷器在标准工况下的结构静力计算。2)模态分析。3)抗震分析。在静力计算与抗震分析时采用第四强度理论(Mises强度理论)校核避雷器主要构件应力值，以确认其应力是否属于安全值。
2.1 结构静力计算
该避雷器内充气体，是一个压力容器，内压值为五个标准大气压。边界条件根据工作情况设置为底座与盆式绝缘子固支。利用ANSYS计算其主要构件应力值。在标准工况下避雷器应力最大值出现在筒体，为37.7MPa，安全系数3.899，位于盆式绝缘子下方。其余各构件应力值均远远低于其各自破坏应力值。所有构件均符合GB 11032规定静态安全系数不小于3.5。同时位移结果显示该避雷器在标准工况下最大位移也发生在应力最大处，位移为0.384 mm,Z分量为0.380 mm,X,Y分量远小于Z。避雷器内部最大位移为0.169 mm，与筒体一样，Z分量为0.167,X,Y分量远小于Z分量。由于最大应力与最大位移均在可接受范围内。因此认为避雷器在标准工况下是安全的。
2.2 模态分析
对该避雷器计算了前五十阶模态并对避雷器内部结构前五阶振型进行了描述。由前五阶振型描述可以看到该避雷器主要振动行为均因绝缘筒摆动，弯曲与扭转导致。
2.3 谱分析
本节利用上一节计算的前五十阶模态并进行模态扩展。其中计算结果显示第五十阶模态频率为248.43 Hz，已经远远高于地震波主要作用频率范围，因此取前五十阶模态进行模态扩展计算已经足够。同时依托GB 50260-2013《电力设施抗震设计规范》规范规定的烈度9度抗震要求，对该避雷器进行反应谱分析。分别取X方向最大加速度0.4 g,Z方向最大加速度0.26 g，阻尼比为0.02，特征周期0.9 s。各振型的地震效应利用SRSS法进行组合。
该避雷器在固定于地面时，在烈度9度抗震设防下，各关键构件安全系数均大于1.67，因此可以认为该避雷器满足GB 50260-2013要求的烈度9度抗震需求。
该避雷器由于基频较高，不在地震波主要频率范围内。因此当固定于地面时对地震波响应不明显。而当避雷器装配在支架上时，由于与支架共同构成条形结构，整体刚度降低，基频降低，且由于支架对地震波的放大作用。因此当该避雷器搭配支架使用时，其抗震性能可能会降低。下一节将以支架高度为变量，研究不同支架高度时该避雷器的应力与位移响应。
3 搭配不同高度支架时避雷器响应
需要说明的是为了标注避雷器内部最大应力与最大位移位置，隐去了避雷器外壳。实际建模包括外壳。分别对支架高度取2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m时对该避雷器进行谱分析。由于加支架可以对Z方向激励起到抗震加强的效果，且计算结果显示在加支架后Z方向激励响应减小。因此这里仅显示X激励结果。且由计算结果显示X激励下避雷器最大应力发生于绝缘筒处，而最大位移发生在触座处。因此针对避雷器的最大应力与最大位移仅列出绝缘管与触座的结果。分别对应避雷器最大位移，最大应力，支架最大位移，支架最大应力位置。其中位移方向均为水平方向与X,Y轴成45度角方向。Z方向位移很小，可忽略不计。
当避雷器加设支架时，由于支架对地震波的放大作用，绝缘筒最大应力相较于固定于地面时有所提升，但仍不是特别大，只有4.58 MPa。且由图像可以看到随着支架高度增加，避雷器最大应力是逐渐下降且最终在3.16 MPa附近逐渐稳定。同时支架最大应力值可以看到随着支架高度增加，支架最大应力值是快速增加的。当高度为15 m时，支架在地震波作用下最大应力值已达到104 MPa，此时虽不至于支架被破坏，但已显示出随着支架高度增加，在地震波作用时支架将先于避雷器破坏。
综合避雷器在固定于地面与支架时的计算结果可以发现，该避雷器由于线度小，整体刚度大，基频高，对地震波响应不明显。且计算结果显示其符合GB 50260-2013规定的烈度9度抗震设防要求。
5 结论
利用有限元软件ANSYS对500 kV GIS避雷器建模并对其进行结构力学特性研究。计算了其在标准工况下的响应，模态分析与地震响应。地震响应包括了与大地固连，与支架固连并以支架高度为变量，研究了其在不同高度支架下的响应并对原因进行了初步分析。整理结论如下:
1)通过对结构进行静力计算，验证其在标准工况下是安全的。
2)通过对结构固连于大地进行抗震计算，验证其符合GB 50260-2013规定的烈度9度抗震设防要求。
3)通过改变支架高度计算避雷器响应发现由于该避雷器线度小，整体刚度较大，基频高(14.40Hz)，基频在地震波主要频率范围外，对应该频率的地震波谱值小。即使在增设支架情况下，该避雷器对地震波响应依然不明显。因此可以认为加设支架不能明显削弱该避雷器抗震性能。
参考文献
[1]程永锋，朱祝兵，卢智成，刘振林，章姝俊．变电站电气设备抗震研究现状及进展[J]．建筑结构，2019,49(S2):356-361.
