余開偉，梁向陽，湯會(huì)增，楊曉東，郭 果

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450007)

兩種接線金具型式下的特高壓變壓器高壓側(cè)套管接線柱受力分析

余開偉，梁向陽，湯會(huì)增，楊曉東，郭 果

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450007)

在特高壓變壓器高壓側(cè)套管引上線與避雷器T接線方式下，高壓套管接線端子普遍采用“U”型與“一”字型兩種接線方式，對(duì)高壓套管引線接線端子進(jìn)行受力分析與計(jì)算，得出“一”字型接線方式下，接線柱根部的應(yīng)力值較小，有利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

特高壓變壓器；高壓側(cè)套管接線端子；接線方式；受力分析

0 引 言

1 000 kV特高壓交流變壓器是目前世界上變電容量最大，施工制造安裝工藝要求最嚴(yán)格的大型變壓器。特高壓變壓器采用分相和分體式布置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。變壓器安裝工藝的質(zhì)量，直接決定變壓器的運(yùn)行壽命和安全性能[1-3]。在1 000 kV側(cè)高壓套管引上線與避雷器T接線方式下，高壓套管端部與引線相連部分普遍采用“U”型或者“一”字型接線方式[4-6]。

下面對(duì)“U”型與“一”字型兩種接線方式下高壓套管引線的接線端子進(jìn)行受力分析，并采用有限元分析的方法計(jì)算接線柱的強(qiáng)度。

圖1 特高壓變壓器整體示意圖

1 受力點(diǎn)選取

以某特高壓變電站2號(hào)主變壓器C相為例，其接線方式如圖2所示，高壓套管引上線與避雷器的連接采用T接線方式，高壓側(cè)引線采用4×JLHN58K-1600型號(hào)導(dǎo)線，單根JLHN58K-1600導(dǎo)線外徑D為70 mm。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，套管引上線避雷器引接位置以下的長(zhǎng)度L2為5.6 m，避雷器引接位置以上的長(zhǎng)度L1為7.5 m，共計(jì)13.1 m；避雷器T接線長(zhǎng)度L3為8 m，如圖2所示。

根據(jù)斷面圖可見，主變壓器套管引上線靠近絕緣子串端部，其風(fēng)偏不大，且引下線馳度較大，計(jì)算中暫不考慮跨線擺動(dòng)對(duì)主變壓器套管接線端子的受力影響；變壓器套管端部垂直方向的力不大，主要是大風(fēng)時(shí)受的軸向和橫向水平力，且軸向水平力較橫向水平力小，所以分析僅計(jì)算橫向水平力。即選取圖2中引下線金具與套管接線端子為受力點(diǎn)進(jìn)行橫向水平受力分析，即可得出變壓器高壓側(cè)套管接線端子處的最大受力[7,14]。

圖2 高壓套管引上線與避雷器T接線斷面圖

2 高壓套管上引線受力計(jì)算

2.1 風(fēng)力計(jì)算

根據(jù)《1 000 kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50697-2011)中5.1.2條：風(fēng)速選擇導(dǎo)體和電器在所處極端環(huán)境時(shí)的最大風(fēng)速。根據(jù)水文氣象資料，某變電站離地10 m高，100年一遇10 min平均最大風(fēng)速V10為25.3 m/s，根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3章公式(3-1-1),風(fēng)速折算公式為

(1)

式中：Vh為安裝高度處的風(fēng)速；V10為離地10 m高，100年一遇10 min平均最大風(fēng)速；h為安裝高度；α為與氣象臺(tái)地面粗糙程度有關(guān)的系數(shù)。

α與所在區(qū)域地形有關(guān),分為A、B、C 三類區(qū)系。其中B類區(qū)系指風(fēng)力在資源稍小的地區(qū)，例如丘陵、叢林、空曠田野、鄉(xiāng)村、大城市郊區(qū)、房屋比較稀疏的中、小城鎮(zhèn)等，取0.16。某變電站屬于B類區(qū)系，故α取0.16[8-9]。

主變壓器構(gòu)架高度為32 m，扣除耐張絕緣子串的弧垂高度，主變壓器高壓套管引上線與跨線連接處的高度約為30 m，主變壓器高壓套管端子板的高度約為19 m。即主變壓器高壓套管引上線的最低點(diǎn)高度為19 m，最高點(diǎn)高度為30 m。

因此，在風(fēng)速計(jì)算中，取主變壓器高壓套管引下線的最高點(diǎn)30 m進(jìn)行折算是最保守的情況。

將V10=25.3、h=30、α=0.16代入風(fēng)速折算公式(1)中，可計(jì)算得折算后Vh為30 m/s。

2.2 風(fēng)壓計(jì)算

根據(jù)風(fēng)壓計(jì)算公式：

(2)

將N=4、D=0.7、Vh=30代入式(2)得風(fēng)壓為18.9 kg/m。

風(fēng)速不均勻系數(shù)取0.75，以高壓套管引上線和避雷器T接線為整體，大風(fēng)時(shí)總的橫向風(fēng)壓為0.75×18.9×(13.1+8)=299.1 kg(即2 991 N)，考慮全部風(fēng)壓的50%由主變壓器套管端部承受(另外50%由避雷器和上部跨線連接點(diǎn)承受),其端部承受的橫向水平力為0.5×2 991=1 496 N。

2.3 2號(hào)主變壓器C相高壓套管端子受力計(jì)算

根據(jù)1 000 kV變壓器技術(shù)協(xié)議，變壓器套管端部接線端子板的允許受力水平如表1所示。

表1 套管端部接線端子板的允許受力水平

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的特高壓某變電站《大跨線引下線線性計(jì)算》導(dǎo)則中相關(guān)數(shù)據(jù)，可知大風(fēng)時(shí)主變壓器高壓套管下掛點(diǎn)(套管頂端接線部位)水平力為739 N，疊加上述導(dǎo)線風(fēng)荷載主變壓器高壓套管總共承受的橫向水平力為1 496+739=2 235 N，小于表1技術(shù)協(xié)議中的2 500 N。

3 高壓側(cè)套管接線端子受力分析

3.1 接線方式介紹

圖3 高壓套管接線端子“U”型與“一”字型示意圖

大高差情況下引下線水平受力及風(fēng)壓對(duì)其的影響會(huì)集中體現(xiàn)在高壓套管接線端子處。目前，主變壓器高壓側(cè)套管接線端子均采用“U”型與“一”字型金具與引線相連。

根據(jù)端子受力計(jì)算得到的橫向水平受力2 235 N，按最大允許載荷2 500 N施加于接線端子頂端及金具的頂端，并折算至套管接線柱中部位置的受力。若將力施加于連接金具頂部，由于高度增加，折算至接線柱中的受力會(huì)大大增加。為進(jìn)一步分析增加連接金具后接線柱的受力情況，采用有限元分析的方法對(duì)接線柱的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算[10-13]。

3.2 “U”型接線端子有限元分析及強(qiáng)度計(jì)算

圖4為“U”型接線端子及連接金具的計(jì)算模型。

圖4 “U”型接線端子及金具計(jì)算模型

以最大受力2 500 N考慮，對(duì)連接金具上端部施加水平載荷。圖5和圖6分別為“U”型結(jié)構(gòu)模型整體的變形云圖及等效應(yīng)力云圖，等效應(yīng)力最大值約為167 MPa，位于接線柱根部；最大變形約為13.2 mm，位于連接金具上部。

圖5 “U”型結(jié)構(gòu)整體變形云圖

圖6 “U”型結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖

圖7和圖8分別為采用“U”型結(jié)構(gòu)接線端子的套管接線柱變形云圖及等效應(yīng)力云圖，等效應(yīng)力最大值約為167 MPa，位于接線柱根部；接線柱的最大變形約為0.2 mm，位于接線柱上部。

圖7 接線柱變形云圖(“U”型)

圖8 接線柱應(yīng)力云圖(“U”型)

3.3 “一”字型接線端子受力分析

圖9為“一”字型接線端子及連接金具的計(jì)算模型。

圖9 “一”字型接線端子及金具計(jì)算模型

對(duì)連接金具上端部施加水平載荷F=2 500 N。圖10和圖11分別為“一”字型結(jié)構(gòu)模型整體的變形云圖及等效應(yīng)力云圖，等效應(yīng)力最大值約為109 MPa，位于接線柱根部；最大變形約為3.5 mm，位于連接金具上部。

圖10 “一”字型結(jié)構(gòu)整體變形云圖

圖11 “一”字型結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖

圖12和圖13分別為采用“一”字型結(jié)構(gòu)接線端子的套管接線柱變形云圖及等效應(yīng)力云圖，等效應(yīng)力最大值約為109 MPa，位于接線柱根部，接線柱的最大變形約為0.15 mm，位于接線柱上部。

圖12 接線柱變形云圖(“一”字型)

圖13 接線柱應(yīng)力云圖(“一”字型)

3.4 兩種接線端子受力情況比較

根據(jù)上述分析結(jié)果可以看出，采用“U”字型的接線端子，端子等效應(yīng)力最大為167 MPa。查閱套管廠家說明書，紫銅端子的應(yīng)力承受為170 MPa，等效應(yīng)力已接近承受極限，變壓器高壓側(cè)套管在受力較大情況下運(yùn)行，容易造成接線端子密封面破損致使變壓器絕緣降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)跳閘停運(yùn)；而“一”字型接線端子時(shí)端子等效應(yīng)力最大為109 MPa，距離其應(yīng)力承受極值還有一定裕度，可以完全滿足變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

以某特高壓變電站2號(hào)主變壓器C相為例，對(duì)高壓套管引上線與避雷器T接線方式下，導(dǎo)線風(fēng)荷載主變壓器高壓套管總共承受的橫向水平力進(jìn)行計(jì)算，得出其受力滿足1 000 kV變壓器技術(shù)協(xié)議。對(duì)高壓套管引上線與避雷器T接線方式下的套管引線接線端子進(jìn)行受力分析，采用有限元分析的方法對(duì)接線柱的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得出“一”字型接線方式下端子的等效應(yīng)力比“U”字型接線方式下要減少很多，采用“一”字型接線端子會(huì)有效地降低整體連接結(jié)構(gòu)的高度，從而使接線柱中部的受力情況改善，降低接線柱根部的應(yīng)力值，有利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 劉振亞.國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)(1 000 kV變電站分冊(cè))[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[2] GB 50697-2011，1 000 kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 劉鵬，馮勇，張施令，等. 特高壓交流套管尾部均壓球結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 46(2): 88-92.

[4] 張沛紅，單濤. 變壓器端部絕緣結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)及電場(chǎng)分析[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 17(2): 76-79.

[5] 李璿，王曉琪，余春雨，等. 1 000 kV特高壓交流電壓互感器研制現(xiàn)狀及性能淺析[J]. 高壓電器，2011，47(11)：110-114.

[6] 杜振波,聶德鑫,張連星,等.基于頻域介電譜分析的高壓套管絕緣狀態(tài)評(píng)估[J].高壓電器，2013，49(11)：6-11.

[7] GB/T 2315-2008，電力金具通用技術(shù)條件[S].

[8] 張勇.基本風(fēng)壓、雪壓統(tǒng)計(jì)分析與荷載組合系數(shù)研究[D].沈陽:沈陽建筑大學(xué),2011.

[9] 馮有良.基于風(fēng)向的建筑工程設(shè)防風(fēng)速預(yù)測(cè)研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué),2010.

[10] 秦征. 支持式管母線用支柱絕緣子抗彎強(qiáng)度校驗(yàn)[J]. 廣西電力工程，2001(2)：36-37.

[11] 張衛(wèi)純,潘風(fēng)明,張新根,等.基于有限元法的電力變壓器金屬結(jié)構(gòu)件損耗分析[J].高壓電器,2013,49(11):55-61.

[12] 王雪.基于VC和ANSYS的變壓器模型參數(shù)計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].變壓器，2011,48(11)：8-10.

[13] 孫濤，肖漢寧. 棒形支柱瓷絕緣子彎曲應(yīng)力的有限元仿真分析[J]. 電瓷避雷器，2007(2)： 19-21.

[14] 代麗君.電力變壓器高壓試驗(yàn)技術(shù)探析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016(1)：127-128.

For "T" connection mode of bushing lifting line in high-voltage side of UHV transformer and lightning arrester, the connection modes with "U" shape and "一" shape are widely used in high-voltage busing terminal blocks. Through the stress analysis and calculation of high-voltage bushing lead terminals, it comes to the conclusion that the stress value of terminal root is smaller in the connection mode with "一"shape, which is good for the safe and stable operation of the equipment.

ultra high voltage transformer; bushing terminal in high-voltage side; connection mode; stress analysis

TM411

A

1003-6954(2017)03-0044-04

2016-01-30)

余開偉(1983)，工程師，主要從事超特高壓變電站設(shè)備運(yùn)維檢修技術(shù)工作。