基于有限元原理的110 kV预装式变电站箱体受力分析

陈勇，戴斌，周云斌

(1、云南电网公司，昆明 650051；2、云南省电力设计院，昆明 650051)

基于有限元原理的110 kV预装式变电站箱体受力分析

陈勇1，戴斌2，周云斌2

(1、云南电网公司，昆明 650051；2、云南省电力设计院，昆明 650051)

本文基于有限元原理，提出了一种对预装式变电站箱体在地震、强风情况下的受力仿真计算方法。通过实际应用表明，本文所提出的方法研究结果与实际情况基本相符，可应用于箱体设计及受力复核安全性分析。

预装式变电站；箱体；形变量；应力；安全性

0 前言

目前，很多110 kV变电站采用了预装式方案，主控楼、配电装置楼等箱体是成套的，缺乏统一的标准指导。

现有的研究，大多集中于预装式变电站的布置形式、设备选型等方面，而对于箱体的强度研究甚少，尚无对110 kV预装式变电站箱体在地震、大风等下的受力分析研究[1-11]。有必要研究110 kV预装式变电站箱体在上述条件下的受力，为箱体的安全分析提供理论支持。

文中以110 kV预装式变电站箱体为研究对象，建立箱体系统的有限元数学模型，探讨预装式变电站箱体在地震及大风条件下的受力情况，为预装式变电站箱体设计提供理论基础和理论方法。

1 有限元动力学分析方法

有限元法基本原理是采用由有限个单元体所构成的相对独立的离散化系统代替难于分析的连续化系统，当离散化个体数量足够大时，其分析结果精度可满足工程要求。一般而言，具体的计算步骤可分为如下步骤[12-14]：

1)选择坐标系，初始假设得出模型中单元的节点位移 {δ}和节点力。

2)选定合适的插值函数，计算单元内任一点的位移{δ(x，y)}与单元节点位移的关系：

上式中[N(x，y)]为单元形状函数，与单元节点坐标及其相应的坐标变量有关，完全由单元的原始形状所决定。

3)求出单元应变{ε(x，y)}与节点位移 {δ}的关系：

式中 [B]为单元的几何矩阵。

4)求出单元应力 {σ(x，y)}与节点位移 {δ}的关系。

因为材料的受力与形变关系可表示为：

所以可以得出：

5)求出节点力 {Fε}和节点位移 {δ}的关系。

由材料特性，可知

其中为单元刚度矩阵，

形成总刚度矩阵，得出整个模型的节点力 {F}与节点位移 {δ}的关系：

将外力荷载、边界条件等已知量代入式(7)，求解出所有节点的位移及节点力，然后由式 (1)、(2)、(3)即可求得整个模型任意一点处的位移、应力及应变。

2 箱体模型简化及安全判断标准

为了简化问题，根据箱体材料结构的特点，作如下基本假设：

1)单元张力仅考虑作用于单元的轴线上，并且在单元的整个横截面上为常数。

2)构成箱体的材料各向同性，并且符合应力-应变的弹性虎克定律。

3)每个单元的同一横截面上的所有点的位移均相同。

4)单元的横截面面积在变形过程中保持不变。

5)略去或简化一些对计算结果影响不大的零件，如：省略电缆钩、倒角等要素。为减小计算量，将各焊接件视为一个整体，认为各焊接件本身无缺陷，焊接牢固，施工过程无虚焊、漏焊。

6)考虑工程实际需求，计算精度取二阶振型。

7)箱体应能满足在地震、台风等灾害中所受的应力及形变要求，不被损坏。

8)箱体应能确保柜内一次主母线最大变形量不超过5 mm，最大应力值不超过该点材料许用强度。

3 计算实例及结果分析

3.1 计算实例

以某110 kV预装式变电站为例，该变电站位于高地震烈度区域，且站址所在地平均风速较高，历史记载有多次大风气象灾害，为保证运行安全，工程设计时需要对箱体抗震抗风性能进行分析。以该变电站中压开关设备预制箱体为例，该箱体底座长12.72 m，宽5.04 m，墙高2.73 m，顶高0.46 m，整体预留质量 (含设备)25 t，其所采用的箱体材料特性见表1。

表1 预制箱体所用材料力学性能

根据预装式变电站支撑梁柱中间节点受力的实际情况，将支撑梁、底板、底托、侧壁、屋顶钢架等主要部件各自划分为计算单元，再采用组合的方法计算出整个预装式厂房的受力情况。为考察箱体拼装后的结构强度，采用ANSYS有限元仿真软件对整个箱体进行建模，拼接仿真模型如图4-1所示，对模型进行网格划分，如图4-2所示。

图1 拼接强度仿真模型

图2 预制箱体网格划分图

根据变电站站址实际情况，对预装式箱体施加如下荷载：

考虑地震状态下，横波对预制箱体影响最大，故地震动荷载采用变幅的人工地震波荷载，方向为横波，强度为0.3 g，持续时间为6 s，荷载间隔为0.05 s，荷载施加部位为底托与地基连接处钢筋。

考虑大风状态下，横风对箱体整体受力最大，故风压荷载采用变幅荷载，荷载幅度为1 200 Pa至1 500 Pa之间，时间区间为48小时，荷载位置考虑极端情况，箱体相邻两侧及上屋顶同时受力。

3.2 计算结果分析

采用上述算法进行仿真计算：

从计算结果看，设备预制箱体在抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.15g的条件下，最大变形量 (底板处)为0.044 5 mm，小于5 mm；最大应力 (底托与地基钢筋栓接处)为36.980 MPa，远小于容许用应力235 Mpa。从原因来看，该处是地震波与箱体发生受力的 “最前沿”，地震波能量基本集中于这两处，故受力最严重。

设备预制箱体在风压为1 200 Pa至1 500 Pa之间时，最大变形量为0.213 5 mm(侧壁)，小于5 mm；最大应力 (支撑梁)为60.532 MPa，小于许用应力235 Mpa。从原因来看，当大风袭来时，整个箱体侧壁由于面积较大，是风力荷载最为集中的地方，同时由于侧壁的传导作用，整个风力荷载被分散到各个支撑梁进行受力平衡，导致支撑梁受力较大，故侧壁及支撑梁是风力作用下受力形变最严重的地方。

从受力值对比来看，预装式箱体在地震及大风条件下，箱体形变量及应力值均远远小于材料允许值，故箱体在上述条件下可安全运行。从最大受力点位置来看，在地震条件下，箱体底板及底托是受力形变最大的地方，在大风条件下，箱体侧壁及支撑梁是受力形变最大的地方。上述位置是整个箱体安全性的关键。在箱体设计时，应当特别重视上述位置的材料选择。从现有工程采用的材料仿真结果来看，其抗风性能良好。

从实际运行情况来看，该变电站投产三年多来，箱体运行状况良好，期间经历一次小型地震(4.0级)及多次大风天气，均未发生异常，从侧面验证了本文计算结果的有效性。

4 结束语

采用数值模拟计算的方法来计算预装式变电站箱体在地震及大风条件下的受力情况，可以从理论上为箱体设计提供指导，同时可以代替或部分代替成本较高的事物实验，能较大程度节省工程费用、缩短建设周期对110 kV预装式变电站箱体在地震及台风条件下的受力模拟方法进行了探讨，并基于有限元原理提出了一种计算预装式变电站箱体受力的方法。计算实例及其运行现状表明，文中所提出的方法计算结果与实际情况基本相符。虽然本方法的实际应用尚需进一步的事物实验，但日后在具体工程设计时，可以采用本文所提出的有限元计算模型及方法，根据站址实际条件，对预装式变电站箱体的受力情况进行复核验算，以保证变电站安全。同时，由于本次仿真结果是基于施工过程无虚焊、漏焊的条件进行计算得，在实际施工过程中，应当特别重视上述位置的安装过程及工艺控制，避免遗留隐患。

[1] 单晖.110 kV预装式变电站在电网中的应用与分析[J].电气技术，2013，8：102-104.

[2] 梁相军，孙峰.玻璃纤维增强型水泥复合材料在预装式变电站中的应用 [J].电工电气，2009，8：63-64.

[3] 冯立伟.高压/低压预装式变电站的优缺点及正确选用[J].电气制造，2007，11：30-31.

[4] 黄绍平，厉雅萍，预装式变电站的工程选型与应用 [J].变压器，2002，9：14-16.

[5] 吴鸿雁，沙维华，许镐娥.新型预装式变电站 [J].高压电器，2000，5：57-63.

[6] 陈小青.优化预装式变电站壳体的浅论 [J].中国电力教育，2011，36：137-138.

[7] 陆宏涛.预装式箱式变电站设计技术要点探讨 [J].动力与电气工程，2012，4：130-132.

[8] 张志雄.试论高海拔区变电站的设计技术 [J].电子制作，2013，11：157.

[9] 薛仲钢，等.浅谈预装式变电站的设计及应用 [J].电气应用，2008，27：27-29.

[10] 肖敏英，邓永辉.高压/低压预装箱式变电站技术与应用的探讨 [J].电气开关，2006，4：1-4.

[11] 丁卫.浅谈预装式变电站箱体的温升问题 [J].电力系统，2010，29：28-32.

[12] 万瑜.加筋土挡墙有限元受力分析 [D].华南理工大学，2012.

[13] 崔勇，等.基于有限元方法对波流场中养殖网箱的系统动力分析 [J].机械工程学报，2007，43(7)：226 -230.

[14] 蒋建清.加筋土挡墙动力有限元分析与地震反应分析方法研究.[D].湖南大学，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

陈勇 (1969)，男，高级工程师，硕士，云南电网公司，主要从事电力工程管理技术工作 (e-mail)1033687453＠qq.com。

戴斌 (1984)，男，工程师，硕士，云南省电力设计院，从事变电站规划设计及工程管理工作 (e-mail)66754952＠qq.com

周云斌 (1976)，男，高级工程师，学士，云南省电力设计院，主要从事变电站电气设计及变电工程管理技术工作 (email)mailzyb007＠163.com