换流变压器阀侧直流套管机械性能三维仿真

王明胜，杨仁毅，李乃一，栾兰

（1.山东电力设备有限公司，济南250022；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049）

换流变压器阀侧直流套管机械性能三维仿真

王明胜1，杨仁毅1，李乃一2，栾兰1

（1.山东电力设备有限公司，济南250022；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049）

介绍±400 kV换流变压器阀侧油-SF6直流套管的机械结构，运用有限元分析软件建立三维物理模型，分析计算直流套管在弯曲及扭转各种应力条件下的位移量，验证了直流套管的机械性能。

油-SF6直流套管；机械性能；负荷；应力

0 引言

我国特高压直流输电经过30多年的发展，已经能够研制±500 kV及以下线路及电站的外绝缘设备和金具。对于特高压直流输电工程中换流变压器阀侧油-SF6直流套管的生产与研制，目前工程应用还不够广泛。因此，针对我国特高压直流输电工程的重大需求，开展特高压换流变压器油-SF6直流套管力学特性研究，不仅能推动我国特高压换流站设计的国产化进程，同时也为国内套管制造厂家的设计和制造提供依据，增强国内企业的技术积累与产品的国际竞争力。

在正常安装运行条件下，套管需要承受其自重及部分套管头部金具的重力，由于换流变压器套管自重较大，通常可以达到几吨，换流变压器直流套管的力学特性是其正常运行的重要指标。在经典力学原理的基础上，运用ANSYS13.0有限元分析软件建立三维模型，模拟计算±400 kV油-SF6直流套管在不同弯曲、扭转负荷下的应力分布情况，并验证有限元分析方法的有效性和合理性。

1 直流套管机械结构和力学分析方法

1.1 直流套管机械结构

根据内绝缘结构分类，特高压换流变压器阀侧直流套管主要有纯油式和油气混合式两种，本文中直流套管为油气混合式（油-SF6），绝缘设计为内外绝缘分开的复合绝缘结构形式，即换流变压器侧采用油浸纸绝缘结构，尾部敞开式无瓷件，套管和换流变压器共用一个油系统。

阀侧为SF6气体绝缘，外绝缘采用带有涂层的硅橡胶复合外套。如图1所示，直流套管电容芯子卷制在铝管上，铝管中心穿有空心紫铜管作为载流导管，形成双导电杆结构；电容芯子尾端无瓷套，顶端用环氧树脂浇注密，整个套管外壳为环氧筒，之间充入SF6作为气体绝缘。

外部绝缘子采用高温硫化硅复合橡胶外套；中部和端部有金属法兰密封结构，外部端子可装均压环。

图1 油-SF6直流套管整体结构

1.2 直流套管的力学分析方法

采用三维有限元方法对油-SF6直流套管力学特性进行分析计算，工程中的静态有限元分析方法是指求解不随时间变化的系统平衡问题，如线弹性系统应力等。线性方程的等效方程为［1］

通过解有限元方程（1）和（2），得出各节点位移矢量｛u｝。根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移及应变和应力的关系，得出单元节点的应变和应力表达式［1］：

式中：｛εel｝为由应力引起的应变；［B］为节点上的应变—位移矩阵；｛εth｝为热应变矢量；｛σ｝为应力矢量；［D］为弹性矩阵系数。

求解式（3）和式（4），得到各节点相应的应力，使用有限元分析法求出结构的节点位移及节点应力，得到结构静态特性分析结果。

在套管机械性能计算中，通过力学经典理论公式验证有限元计算方法的有效性和合理性。

由工程材料力学梁弯曲强度理论可得，对于管状梁，其挠度计算公式为［1］

式中：d为管内径；D为管外径；E为管材料弹性模量；L为管状梁长度；F为施加的力载荷。

图2为弯曲负荷下等效应力及位移与负荷关系曲线，可以看出，随着弯矩负荷的增加，直流套管的弯曲位移及等效应力成正比增加。由于套管结构可以看做多个规则管状梁结构的叠加构成，因此其等效应力及挠度应符合管状梁计算公式，与力负荷成正比增加，因此可以验证该仿真计算结果的正确性。

图2 弯曲负荷下等效应力及位移与负荷关系曲线

对于管状梁的扭转变形，符合剪切胡克定律［1］：

式中：τ为应变大小；γ为剪应力大小；Ip为管状梁的惯性极距；G为剪性弹性模量。

图3为扭转负荷下等效应力及位移与负荷关系曲线，由图3可以看出，随着扭矩负荷的增加，直流套管的扭转位移及等效剪应力成正比增加。由于套管结构可以看做多个规则管状梁结构的叠加构成，因此根据剪切胡克定律，位移与扭矩负荷成正比增加，因此可以验证该仿真计算结果的正确性。

图3 扭转负荷下等效应力及位移与负荷关系

2 三维力学分析模型

直流套管外层复合材料护套的弹性模量远小于环氧筒、金属法兰及导电杆，可以忽略外层护套在力学特性分析时的影响作用，因此换流变压器套管进行力学分析时对复合材料护套进行简化建模，将护套简化为复合材料薄层进行计算分析。

将直流套管内、外部均进行简化后的力学计算模型如图4、图5所示，仿真计算时根据IEC/TS 61463《套管-抗地震能力》和GB/Z 24840—2009《1 000 kV交流系统用套管技术规范》中套管机械特性试验要求［2-3］，在套管与换流变压器连接处的金属法兰处加载固定约束，约束其6个自由度；在套管出线端子位置施加试验载荷，分别为弯曲应力5 kN及扭转负荷5 kN·m。

图4 直流套管力学特性分析整体模型

图5 直流套管力学特性分析模型中部放大

3 力学特性计算分析结果

根据试验条件，在套管头部分别加载5 kN的弯曲负荷及5 kN·m的扭转负荷，通过对换流变压器套管进行仿真建模计算，得到其分别在弯曲、扭转两种情况下的计算结果，见表1～2，位移及应力分布如图6～13所示。

图6 弯曲负荷径向位移分布

图7 弯曲负荷应力分布

图8 弯曲负荷剪力分布

图9 弯曲负荷第一主应力分布

图10 扭转负荷切向位移分布

图11 扭转负荷应力分布

根据以上计算结果可以得出，在施加5 kN的弯曲应力时，直流套管的径向弯曲距离为4.764 mm，弯曲位移和挠度很小，弯曲应力主要集中在套管末端法兰处，其等效应力大小为25.9 MPa，未超过金属法兰的应力标准，其第一主应力最大值主要集中在法兰的支撑片处，大小为35 MPa，此处的应力满足要求；在施加5 kN·m的扭矩时，换流变压器套管的扭转位移最大值出现在上端部法兰，最大值为0.256mm，对应的扭转角为0.5°，等效应力最大值为1.91 MPa，其最大剪力在法兰上，大小为1.02 MPa，其第一主应力最大值也集中在法兰支撑片处，值为1.12 MPa，未超过断裂应力值。上述结果为试验条件下，换流变压器套管的应力应变状况。

图12 扭转负荷剪力分布

图13 扭转负荷第一主应力分布

由于套管自重较重，为考察套管安装条件下的应力与应变特性，又分别加载12.5 kN、12.5 kN·m与30 kN、30 kN·m的负荷，对套管的力学特性进行进一步分析。

在分别加载12.5 kN和30 kN的弯曲负荷时，换流变压器套管的径向弯曲距离分别为11.91 mm和28.583 mm，弯曲位移和挠度较小，弯曲应力主要集中在套管末端法兰处，其等效应力大小分别为64.8 MPa与156 MPa，第一主应力最大值集中位置与5 kN负荷位置相同，应力大小分别为87.5 MPa与210 MPa。

在施加12.5 kN·m和30 kN·m的扭矩时，换流变压器套管的切向扭转位移最大值同样出现在上端部法兰，最大值分别为0.639 mm和1.533 mm，对应的扭转角为1.25°和2.99°，等效应力最大值分别为4.78 MPa与11.5 MPa，其最大剪力在法兰上，大小分别为2.55 MPa及6.11 MPa，第一主应力最大值同样集中在法兰支撑片处，值为2.8 MPa与6.73 MPa，未超过断裂应力值。

表1 直流套管弯曲负荷计算结果

表2 直流套管扭转负荷计算结果

由表1、表2数据比较可以看出，套管的应变位移与应力大小和施加的载荷大小成正比增加，符合工程材料力学的基本原理，同时也验证了力学分析计算的正确性。

4 结语

运用了有限元分析软件，按照工程应用的试验要求对直流套管进行了力学特性分析，考虑到套管运行时的自重因素，增加多组试验模拟对比，验证了所设计直流套管在受到弯曲应力与扭转负荷时，其应力大小未超过环氧筒及金属法兰的断裂应力值，符合套管的安全运行要求。

［1］刘春廷，马继.材料力学性能［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［2］IEC/TS 61463套管-抗地震能力［S］.

［3］GB/Z 24840—2009 1 000 kV交流系统用套管技术规范［S］.

Three-Dimensional Simulation on Mechanical Property of DC Bushing for the Converter Transformer

WANG Mingsheng1，YANG Renyi1，LI Naiyi2，LUAN Lan1
（1.Shandong Electric Power Equipment Co.ltd，Jinan，250022，China；2.Electrical Engineering of Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

Mechanical construction of oil-SF6direct current bushing is illustrated for±400 kV converter transformer.Threedimensional physical model is built by means of dimensional finite element analysis software.The amount of displacement of direct current bushing under various conditions of bending and torsion stresses is calculated and analyzed，and mechanical property of the direct current bushing is tested and verified.

DC bushing of oil-SF6；mechanical property；loads；stress

TM216＋.5

A

1007－9904（2015）02－0064－05

2014-12-11

王明胜（1971），男，高级工程师，从事变压器类产品的设计、开发工作。