关于高低压变电集装箱箱体结构研究

刘生江



关于高低压变电集装箱箱体结构研究

刘生江

（神东煤炭集团榆家梁煤矿，陕西榆林 719300）

主要介绍了变电站与标准20´GP海运集装箱集成后的一种新式的集装箱结构。对箱体的整体结构进行了详细的说明，并对箱体侧墙中部的框架式结构进行了详细的分析。通过有限元软件，对侧墙中涉及到的杆系进行了强度以及稳定性的分析研究。这种箱体是对目前市面上存在的变电站的一种升级，把过去不便于移动的变电站与集装箱集成后，不仅有变电站的所有功能，同时也具备了集装箱便于运输的性能特点。

变电站；集装箱；有限元分析；ANSYS分析

21世纪，作为一个用电的时代，变电站已经成为我们生活以及工业中必不可少的电气设备。就目前而言，市面上的变电站基本是以固定式的箱式房为主，其在起吊、移动和运输上都有很大的不便。然而，集装箱作为一种成熟的物流设备，不仅在运输上具有很好的便捷性，同时钢结构的箱体也具有一定的强度和刚度，可以有效地保护变电站中的弱电系统，也能将各个电气设备可靠地集成在一起。

1 设计思路

本文研究的高低压变电集装箱与传统的配电室不同。对不同的配电设备，做不同的设计。低压室需要良好的密封性，对室内粉尘要求较高，高压室需要一定的通风、避雨，而变压器则对通风更为注重。因此，对于不同的箱室，需要进行不同结构的设计。

本文研究的箱体，根据设备的需求，高、低压室采用集装箱化的结构设计，四周及顶部采用集装箱波纹板的形式，这样既能保证箱体的密封性，同时使箱体也有一定的支撑强度。变压器室采用开放式的框架式结构，顶部设有顶板，防止太阳直射造成的变压器温度过高，四周框架式结构方便通风，可以给变压器提供良好的散热空间。

本文研究的箱体也需要满足集装箱的标准，在外形尺寸上，根据集装箱ISO 1496-1来进行设计，这样也极大地方便了产品的周转和运输。

2 结构设计

本文中研究的集装箱箱体设计主要包括3个部分，分别为两端的低压室、高压室和中部的变压器室。本框架式箱体外部尺寸为标准的20´GP箱，长、宽、高分别为6 058 mm、2 438 mm、2 591 mm，箱体质量按照标准的30 480 kg来设计。其中，高、低压部分顶板采用2 mm厚的压型顶板，侧板为2 mm的罗拉波纹板，门扇采用集装箱门扇结构，门扇上设有通风百叶，满足电器元件的要求。同时，低压室侧部开设有一个设备进出口，其结构也采用集装箱门端式结构。变压器室采用框架式结构，侧部方管采用60 mm×60 mm×3 mm的矩形管，在框架梁焊接处设有焊接搭接板，厚度8 mm，增加焊接面积，避免因应力集中，引起焊缝开裂，设计方案如图1所示。

1—低压室；2—变压器室；3—高压室。

3 仿真分析

由于箱体作为一种设备箱，其在使用时有两种状态：①使用时，内部装有设备时是静载状态，维修人员在上面行走时使地架变形。②箱体由于外形尺寸与标准20´GP集装箱相同。因此在运输过程中，会有起吊、堆码等状态。

本文分别对这两种使用状态时的集装箱做了相应的有限元分析，保证箱体的结构设计满足正常的使用要求，同时也能满足变压器集装箱的海运要求。

箱体额定载荷为30 t，分析箱体静载时的底架变形，由于箱体门扇为集装箱门扇，其在静载开启时不传递力。因此，建模时可将其进行简化处理。为模型添加材料，箱体角件为铸钢材料，其余均为“CORTEN A”（许用应力为345 MPa）。根据使用要求，为模型添加载荷，为30 t竖直向下。为模型添加边界条件，根据不同的使用条件进行添加。

3.1 静载状态中

静载时，固定模型的4个底角件。运行后，得到箱体变形图，变形情况如图2所示。

图2 静载时箱体变形图

从图2中可以看到，静载时箱体底架最大变形为8.3 mm，没有超出箱体的底角件，因此满足了使用要求。模拟维修人员在箱体底架上行走的状态，同样需要固定集装箱底角件，运行后得到受力变形图，变形情况如图3所示。

图3 箱体底架加载时的受力变形图

从图3中可以看到，人员在箱体上行走时，箱体底架最大的变形仅为1.92 mm，底架具有足够的刚性，人员在上面行走不会有大的起伏感。

3.2 运输状态时

运输状态涉及到的模拟实验比较多，因起吊和堆码状态为集装箱使用过程中两个主要的状态。因此，本文中仅对起吊和堆码这两个实验做了模拟分析，其余实验暂不在本文中说明。起吊时，考虑到加速度因素。因此，为集装箱施加2倍的额定载荷。固定模型的4个顶角件，添加重力环境，运行后得到受力变形图，变形情况如图4所示。

图4 起吊状态下的受力变形图

从图4中可以看到，箱体最大的变形量为12.48 mm，未超出箱体的底角件，满足集装箱在海运时的变形要求。

模拟箱体的堆码状态，分别固定模型的4个底角件，分别对4个顶角件施加载荷，得到箱体角柱的变形图，变形情况如图5所示。

图5 堆码状态下的受力变形图

从图5中可以看到，箱体角柱上，最大应力为256 MPa，小于材料的最大许用应力值345 MPa。因此，可以满足正常的集装箱堆码要求。

4 结论

本文基于20´GP集装箱结构，设计了一种配电设备与集装箱组合的集成设备，不仅可以很好地满足电气设备对环境的要求。同时，也极大地提高了设备的运输便捷性。文中对提出的设计结构，通过有限元分析软件，对各种不同的使用工况做了模拟分析研究，验证了设计的可靠性。本文的设计产品可以更好地拓展集装箱的使用范围，对于全球的集装箱化起到了积极的推动作用。

［1］ 段方.《集装箱标准汇编》［J］.中国标准导报，2000（5）：42.

TM64

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.100

2095－6835（2018）22－0100－02

〔编辑：辛霞〕