陳勇，戴斌，周云斌

(1、云南電網(wǎng)公司，昆明 650051；2、云南省電力設(shè)計院，昆明 650051)

基于有限元原理的110 kV預(yù)裝式變電站箱體受力分析

陳勇1，戴斌2，周云斌2

(1、云南電網(wǎng)公司，昆明 650051；2、云南省電力設(shè)計院，昆明 650051)

本文基于有限元原理，提出了一種對預(yù)裝式變電站箱體在地震、強(qiáng)風(fēng)情況下的受力仿真計算方法。通過實際應(yīng)用表明，本文所提出的方法研究結(jié)果與實際情況基本相符，可應(yīng)用于箱體設(shè)計及受力復(fù)核安全性分析。

預(yù)裝式變電站；箱體；形變量；應(yīng)力；安全性

0 前言

目前，很多110 kV變電站采用了預(yù)裝式方案，主控樓、配電裝置樓等箱體是成套的，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。

現(xiàn)有的研究，大多集中于預(yù)裝式變電站的布置形式、設(shè)備選型等方面，而對于箱體的強(qiáng)度研究甚少，尚無對110 kV預(yù)裝式變電站箱體在地震、大風(fēng)等下的受力分析研究[1-11]。有必要研究110 kV預(yù)裝式變電站箱體在上述條件下的受力，為箱體的安全分析提供理論支持。

文中以110 kV預(yù)裝式變電站箱體為研究對象，建立箱體系統(tǒng)的有限元數(shù)學(xué)模型，探討預(yù)裝式變電站箱體在地震及大風(fēng)條件下的受力情況，為預(yù)裝式變電站箱體設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和理論方法。

1 有限元動力學(xué)分析方法

有限元法基本原理是采用由有限個單元體所構(gòu)成的相對獨立的離散化系統(tǒng)代替難于分析的連續(xù)化系統(tǒng)，當(dāng)離散化個體數(shù)量足夠大時，其分析結(jié)果精度可滿足工程要求。一般而言，具體的計算步驟可分為如下步驟[12-14]：

1)選擇坐標(biāo)系，初始假設(shè)得出模型中單元的節(jié)點位移 {δ}和節(jié)點力。

2)選定合適的插值函數(shù)，計算單元內(nèi)任一點的位移{δ(x，y)}與單元節(jié)點位移的關(guān)系：

上式中[N(x，y)]為單元形狀函數(shù)，與單元節(jié)點坐標(biāo)及其相應(yīng)的坐標(biāo)變量有關(guān)，完全由單元的原始形狀所決定。

3)求出單元應(yīng)變{ε(x，y)}與節(jié)點位移 {δ}的關(guān)系：

式中 [B]為單元的幾何矩陣。

4)求出單元應(yīng)力 {σ(x，y)}與節(jié)點位移 {δ}的關(guān)系。

因為材料的受力與形變關(guān)系可表示為：

所以可以得出：

5)求出節(jié)點力 {Fε}和節(jié)點位移 {δ}的關(guān)系。

由材料特性，可知

其中為單元剛度矩陣，

形成總剛度矩陣，得出整個模型的節(jié)點力 {F}與節(jié)點位移 {δ}的關(guān)系：

將外力荷載、邊界條件等已知量代入式(7)，求解出所有節(jié)點的位移及節(jié)點力，然后由式 (1)、(2)、(3)即可求得整個模型任意一點處的位移、應(yīng)力及應(yīng)變。

2 箱體模型簡化及安全判斷標(biāo)準(zhǔn)

為了簡化問題，根據(jù)箱體材料結(jié)構(gòu)的特點，作如下基本假設(shè)：

1)單元張力僅考慮作用于單元的軸線上，并且在單元的整個橫截面上為常數(shù)。

2)構(gòu)成箱體的材料各向同性，并且符合應(yīng)力-應(yīng)變的彈性虎克定律。

3)每個單元的同一橫截面上的所有點的位移均相同。

4)單元的橫截面面積在變形過程中保持不變。

5)略去或簡化一些對計算結(jié)果影響不大的零件，如：省略電纜鉤、倒角等要素。為減小計算量，將各焊接件視為一個整體，認(rèn)為各焊接件本身無缺陷，焊接牢固，施工過程無虛焊、漏焊。

6)考慮工程實際需求，計算精度取二階振型。

7)箱體應(yīng)能滿足在地震、臺風(fēng)等災(zāi)害中所受的應(yīng)力及形變要求，不被損壞。

8)箱體應(yīng)能確保柜內(nèi)一次主母線最大變形量不超過5 mm，最大應(yīng)力值不超過該點材料許用強(qiáng)度。

3 計算實例及結(jié)果分析

3.1 計算實例

以某110 kV預(yù)裝式變電站為例，該變電站位于高地震烈度區(qū)域，且站址所在地平均風(fēng)速較高，歷史記載有多次大風(fēng)氣象災(zāi)害，為保證運行安全，工程設(shè)計時需要對箱體抗震抗風(fēng)性能進(jìn)行分析。以該變電站中壓開關(guān)設(shè)備預(yù)制箱體為例，該箱體底座長12.72 m，寬5.04 m，墻高2.73 m，頂高0.46 m，整體預(yù)留質(zhì)量 (含設(shè)備)25 t，其所采用的箱體材料特性見表1。

表1 預(yù)制箱體所用材料力學(xué)性能

根據(jù)預(yù)裝式變電站支撐梁柱中間節(jié)點受力的實際情況，將支撐梁、底板、底托、側(cè)壁、屋頂鋼架等主要部件各自劃分為計算單元，再采用組合的方法計算出整個預(yù)裝式廠房的受力情況。為考察箱體拼裝后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用ANSYS有限元仿真軟件對整個箱體進(jìn)行建模，拼接仿真模型如圖4-1所示，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4-2所示。

圖1 拼接強(qiáng)度仿真模型

圖2 預(yù)制箱體網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)變電站站址實際情況，對預(yù)裝式箱體施加如下荷載：

考慮地震狀態(tài)下，橫波對預(yù)制箱體影響最大，故地震動荷載采用變幅的人工地震波荷載，方向為橫波，強(qiáng)度為0.3 g，持續(xù)時間為6 s，荷載間隔為0.05 s，荷載施加部位為底托與地基連接處鋼筋。

考慮大風(fēng)狀態(tài)下，橫風(fēng)對箱體整體受力最大，故風(fēng)壓荷載采用變幅荷載，荷載幅度為1 200 Pa至1 500 Pa之間，時間區(qū)間為48小時，荷載位置考慮極端情況，箱體相鄰兩側(cè)及上屋頂同時受力。

3.2 計算結(jié)果分析

采用上述算法進(jìn)行仿真計算：

從計算結(jié)果看，設(shè)備預(yù)制箱體在抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g的條件下，最大變形量 (底板處)為0.044 5 mm，小于5 mm；最大應(yīng)力 (底托與地基鋼筋栓接處)為36.980 MPa，遠(yuǎn)小于容許用應(yīng)力235 Mpa。從原因來看，該處是地震波與箱體發(fā)生受力的 “最前沿”，地震波能量基本集中于這兩處，故受力最嚴(yán)重。

設(shè)備預(yù)制箱體在風(fēng)壓為1 200 Pa至1 500 Pa之間時，最大變形量為0.213 5 mm(側(cè)壁)，小于5 mm；最大應(yīng)力 (支撐梁)為60.532 MPa，小于許用應(yīng)力235 Mpa。從原因來看，當(dāng)大風(fēng)襲來時，整個箱體側(cè)壁由于面積較大，是風(fēng)力荷載最為集中的地方，同時由于側(cè)壁的傳導(dǎo)作用，整個風(fēng)力荷載被分散到各個支撐梁進(jìn)行受力平衡，導(dǎo)致支撐梁受力較大，故側(cè)壁及支撐梁是風(fēng)力作用下受力形變最嚴(yán)重的地方。

從受力值對比來看，預(yù)裝式箱體在地震及大風(fēng)條件下，箱體形變量及應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料允許值，故箱體在上述條件下可安全運行。從最大受力點位置來看，在地震條件下，箱體底板及底托是受力形變最大的地方，在大風(fēng)條件下，箱體側(cè)壁及支撐梁是受力形變最大的地方。上述位置是整個箱體安全性的關(guān)鍵。在箱體設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)特別重視上述位置的材料選擇。從現(xiàn)有工程采用的材料仿真結(jié)果來看，其抗風(fēng)性能良好。

從實際運行情況來看，該變電站投產(chǎn)三年多來，箱體運行狀況良好，期間經(jīng)歷一次小型地震(4.0級)及多次大風(fēng)天氣，均未發(fā)生異常，從側(cè)面驗證了本文計算結(jié)果的有效性。

4 結(jié)束語

采用數(shù)值模擬計算的方法來計算預(yù)裝式變電站箱體在地震及大風(fēng)條件下的受力情況，可以從理論上為箱體設(shè)計提供指導(dǎo)，同時可以代替或部分代替成本較高的事物實驗，能較大程度節(jié)省工程費用、縮短建設(shè)周期對110 kV預(yù)裝式變電站箱體在地震及臺風(fēng)條件下的受力模擬方法進(jìn)行了探討，并基于有限元原理提出了一種計算預(yù)裝式變電站箱體受力的方法。計算實例及其運行現(xiàn)狀表明，文中所提出的方法計算結(jié)果與實際情況基本相符。雖然本方法的實際應(yīng)用尚需進(jìn)一步的事物實驗，但日后在具體工程設(shè)計時，可以采用本文所提出的有限元計算模型及方法，根據(jù)站址實際條件，對預(yù)裝式變電站箱體的受力情況進(jìn)行復(fù)核驗算，以保證變電站安全。同時，由于本次仿真結(jié)果是基于施工過程無虛焊、漏焊的條件進(jìn)行計算得，在實際施工過程中，應(yīng)當(dāng)特別重視上述位置的安裝過程及工藝控制，避免遺留隱患。

[1] 單暉.110 kV預(yù)裝式變電站在電網(wǎng)中的應(yīng)用與分析[J].電氣技術(shù)，2013，8：102-104.

[2] 梁相軍，孫峰.玻璃纖維增強(qiáng)型水泥復(fù)合材料在預(yù)裝式變電站中的應(yīng)用 [J].電工電氣，2009，8：63-64.

[3] 馮立偉.高壓/低壓預(yù)裝式變電站的優(yōu)缺點及正確選用[J].電氣制造，2007，11：30-31.

[4] 黃紹平，厲雅萍，預(yù)裝式變電站的工程選型與應(yīng)用 [J].變壓器，2002，9：14-16.

[5] 吳鴻雁，沙維華，許鎬娥.新型預(yù)裝式變電站 [J].高壓電器，2000，5：57-63.

[6] 陳小青.優(yōu)化預(yù)裝式變電站殼體的淺論 [J].中國電力教育，2011，36：137-138.

[7] 陸宏濤.預(yù)裝式箱式變電站設(shè)計技術(shù)要點探討 [J].動力與電氣工程，2012，4：130-132.

[8] 張志雄.試論高海拔區(qū)變電站的設(shè)計技術(shù) [J].電子制作，2013，11：157.

[9] 薛仲鋼，等.淺談預(yù)裝式變電站的設(shè)計及應(yīng)用 [J].電氣應(yīng)用，2008，27：27-29.

[10] 肖敏英，鄧永輝.高壓/低壓預(yù)裝箱式變電站技術(shù)與應(yīng)用的探討 [J].電氣開關(guān)，2006，4：1-4.

[11] 丁衛(wèi).淺談預(yù)裝式變電站箱體的溫升問題 [J].電力系統(tǒng)，2010，29：28-32.

[12] 萬瑜.加筋土擋墻有限元受力分析 [D].華南理工大學(xué)，2012.

[13] 崔勇，等.基于有限元方法對波流場中養(yǎng)殖網(wǎng)箱的系統(tǒng)動力分析 [J].機(jī)械工程學(xué)報，2007，43(7)：226 -230.

[14] 蔣建清.加筋土擋墻動力有限元分析與地震反應(yīng)分析方法研究.[D].湖南大學(xué)，2006.

Simulation Analysis of 110 kV Pre-fabricated Substation Cabinet Based on Finite Element Calculation

CHEN Yong1，DAI Bin2，ZHOU Yunbin2
(1.Yunnan Power Grid，Kunming 650051；2.Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650051)

A calculation method which can simulate the force of pre-fabricated substation cabinet in above condition is proposed by this paper based on finite element principle.The calculation example and its operation performance indicate that the method proposed by this paper is in accordance with the real situation.This method can be used in force check and design of pre-fabricated cabinet.

pre-fabricated substation；cabinet；deformation value；force；safety

TM62

B

1006-7345(2014)04-0060-05

2014-04-04

陳勇 (1969)，男，高級工程師，碩士，云南電網(wǎng)公司，主要從事電力工程管理技術(shù)工作 (e-mail)1033687453＠qq.com。

戴斌 (1984)，男，工程師，碩士，云南省電力設(shè)計院，從事變電站規(guī)劃設(shè)計及工程管理工作 (e-mail)66754952＠qq.com

周云斌 (1976)，男，高級工程師，學(xué)士，云南省電力設(shè)計院，主要從事變電站電氣設(shè)計及變電工程管理技術(shù)工作 (email)mailzyb007＠163.com