鄭威 朱東 閆勇

摘? 要：文章以±800kV ABB換流變壓器為原型，基于ANSYS有限元軟件分析計(jì)算得到換流變的抗震性能。研究表明換流變最薄弱部位為套管根部和中部，其在8度罕遇地震作用下最大應(yīng)力已經(jīng)超過材料的屈服強(qiáng)度，已進(jìn)入塑性階段，同時(shí)換流變套管頂部位移及加速度較大，套管頂部的導(dǎo)線應(yīng)設(shè)置足夠大的伸縮距離，避免套管被導(dǎo)線拉壞。

關(guān)鍵詞：±800kV換流變壓器;套管;抗震性能

中圖分類號(hào)：TM721.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）35-0037-03

Abstract： In this paper， taking the ±800kV ABB converter transformer as the prototype， the seismic performance of the converter is analyzed and calculated based on the ANSYS finite element software. The study shows that the weakest part of the convertor is the root and middle of the casing， and the maximum stress has exceeded the yield strength of the material under the action of a rare earthquake of 8 degrees， and has entered the plastic stage. At the same time， the displacement and acceleration of the top of the casing are large. The wire at the top of the casing should be set with a large expansion distance to prevent the casing from being damaged by the wire.

Keywords： ±800kV converter transformer; bushing; seismic performance

前言

換流變壓器是特高壓直流輸電工程中最重要的電氣設(shè)備，其具有大體積、大質(zhì)量、長(zhǎng)套管的特點(diǎn)。在地震作用特別是高烈度地震作用下，其套管由于懸挑長(zhǎng)度較大，將會(huì)產(chǎn)生非常大的地震力和位移，從而引起套管自身以及換流變壓器本體破壞。通過對(duì)國(guó)內(nèi)地震災(zāi)害調(diào)查，國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過多起變電站主變壓器在地震時(shí)發(fā)生套管位移過大，導(dǎo)致漏油從而引起火災(zāi)等地震次生災(zāi)害的情況。為了分析換流變?cè)诘卣鹱饔孟碌目煽慷龋斜匾獙?duì)其進(jìn)行相關(guān)的抗震計(jì)算研究工作。本文以某±800kV換流變壓器（以下簡(jiǎn)稱換流變）為原型，通過有限元軟件ANSYS對(duì)換流變抗震性能進(jìn)行有限元分析。

1 ±800kV換流變抗震有限元模型的建立

通過對(duì)相關(guān)設(shè)備廠家的調(diào)研，了解換流變壓器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立ANSYS有限元模型對(duì)換流變抗震性能進(jìn)行有限元分析，分析換流變?cè)诘卣鹱饔孟碌牡膽?yīng)力、位移以及加速度狀況，評(píng)估出換流變的抗震性能。

有限元分析方案：

（1）單元選擇：箱壁采用殼單元，復(fù)合材料套管采用三維梁?jiǎn)卧?。?）模型中的假定：換流變中的鐵芯線圈及其他組件采用固體單元模擬并固接在箱體上，高壓換流變的瓷套管與箱體采用法蘭連接。

通過上述方法，建立換流變模型，各個(gè)部分所在的位置以及形狀如圖1所示。

2 換流變及其套管體系動(dòng)力特性及地震響應(yīng)分析

2.1 自振特性分析

根據(jù)建立的有限元模型，分析計(jì)算得到換流變及套管體系的前10階振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，具體數(shù)值參見表1。

2.2 套管各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力云圖

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，換流變的套管是其薄弱環(huán)節(jié)，也是其受力狀態(tài)最為關(guān)注的地方。換流變套管由于其懸挑長(zhǎng)度較大，容易在地震作用下出現(xiàn)破壞?，F(xiàn)將EL波、Taft波以及Kobe波直接作為激勵(lì)輸入到換流變及其套管體系求解結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，可得到套管各時(shí)刻的應(yīng)力，圖2、3列出了8度罕遇EL地震波作用下?lián)Q流變套管B以及套管C、D三個(gè)懸挑長(zhǎng)度較長(zhǎng)的套管在不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖。通過應(yīng)力云圖來查看在地震波作用下，套管各個(gè)位置的受力情況，可以看出在套管與法蘭柔性連接的位置應(yīng)力較大，同時(shí)在套管中部也出現(xiàn)較大的拉、壓循環(huán)應(yīng)力（476MPa～-344MPa）。其最大應(yīng)力已經(jīng)超過材料的屈服強(qiáng)度，因此在地震作用下，套管這兩處截面較易發(fā)生破壞。

2.3 位移及加速度響應(yīng)時(shí)程分析

分別在ANSYS有限元模型中輸入峰值為0.30g和0.50g的Elcentro波、Taft波以及Kobe波，進(jìn)行X、Y雙向輸入下的換流變及其套管體系的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析計(jì)算，得到了換流變及其套管的位移及加速度響應(yīng)曲線。

表2分別列出了地震波作用下，位移響應(yīng)較大的套管A和套管B的頂部位移的響應(yīng)的峰值。

表3為各工況地震波輸入下，加速度響應(yīng)較大的套管C和套管D頂部的加速度時(shí)程曲線的峰值及其加速度動(dòng)力放大系數(shù)。

分析表3，可以看見在各類地震波作用下，換流變套管的加速度動(dòng)力放大系數(shù)都比較大，其中套管3頂部的綜合加速度放大系數(shù)為3.32，套管4頂部的綜合加速度放大系數(shù)約為3.59。

在各類地震作用下，由于換流本體剛度較大，換流變本體的相對(duì)位移較小。在三種地震波作用下，換流變套管的位移響應(yīng)峰值較大，其中峰值為0.50g時(shí)，套管的頂部在地震作用下X向最大位移約為72.0mm，Y向最大位移約為83.0mm。因此，在套管頂部的導(dǎo)線應(yīng)設(shè)置足夠大的伸縮距離或適當(dāng)增加導(dǎo)線的弧垂，從而可以避免在地震作用下由于導(dǎo)線與換流變套管存在相位差，從而出現(xiàn)套管被導(dǎo)線拉壞的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）換流變本體對(duì)加速度對(duì)地震波有一定的放大作

用。（2）在各類地震波作用下，換流變套管頂部動(dòng)力放大系數(shù)均大于3.0。（3）8度罕遇地震作用時(shí)，換流變套管頂部位移較大，建議在套管頂部的導(dǎo)線應(yīng)設(shè)置足夠大的伸縮距離或適當(dāng)增加導(dǎo)線的弧垂，從而可以避免在地震作用下由于導(dǎo)線與換流變套管存在相位差，從而出現(xiàn)套管被導(dǎo)線拉壞的現(xiàn)象。（4）換流變套管最薄弱部位為套管底部以及套管中間部位，在8度罕遇地震作用下，這兩個(gè)位置出現(xiàn)應(yīng)力循環(huán)，其最大應(yīng)力值已經(jīng)超過套管材料的屈服強(qiáng)度，將引起套管破壞，需采取相應(yīng)的減隔震措施降低套管的最大應(yīng)力。

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