基于有限元的±800kV换流变抗震性能分析

郑威 朱东 闫勇

摘  要：文章以±800kV ABB换流变压器为原型，基于ANSYS有限元软件分析计算得到换流变的抗震性能。研究表明换流变最薄弱部位为套管根部和中部，其在8度罕遇地震作用下最大应力已经超过材料的屈服强度，已进入塑性阶段，同时换流变套管顶部位移及加速度较大，套管顶部的导线应设置足够大的伸缩距离，避免套管被导线拉坏。

关键词：±800kV换流变压器;套管;抗震性能

中图分类号：TM721.1       文献标志码：A         文章编号：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

换流变压器是特高压直流输电工程中最重要的电气设备，其具有大体积、大质量、长套管的特点。在地震作用特别是高烈度地震作用下，其套管由于悬挑长度较大，将会产生非常大的地震力和位移，从而引起套管自身以及换流变压器本体破坏。通过对国内地震灾害调查，国内已经发生过多起变电站主变压器在地震时发生套管位移过大，导致漏油从而引起火灾等地震次生灾害的情况。为了分析换流变在地震作用下的可靠度，有必要对其进行相关的抗震计算研究工作。本文以某±800kV换流变压器（以下简称换流变）为原型，通过有限元软件ANSYS对换流变抗震性能进行有限元分析。

1 ±800kV换流变抗震有限元模型的建立

通过对相关设备厂家的调研，了解换流变压器的基本结构参数，并在此基础上建立ANSYS有限元模型对换流变抗震性能进行有限元分析，分析换流变在地震作用下的的应力、位移以及加速度状况，评估出换流变的抗震性能。

有限元分析方案：

（1）单元选择：箱壁采用壳单元，复合材料套管采用三维梁单元。（2）模型中的假定：换流变中的铁芯线圈及其他组件采用固体单元模拟并固接在箱体上，高壓换流变的瓷套管与箱体采用法兰连接。

通过上述方法，建立换流变模型，各个部分所在的位置以及形状如图1所示。

2 换流变及其套管体系动力特性及地震响应分析

2.1 自振特性分析

根据建立的有限元模型，分析计算得到换流变及套管体系的前10阶振动模态参数，具体数值参见表1。

2.2 套管各个时刻的应力云图

根据以往工程经验，换流变的套管是其薄弱环节，也是其受力状态最为关注的地方。换流变套管由于其悬挑长度较大，容易在地震作用下出现破坏。现将EL波、Taft波以及Kobe波直接作为激励输入到换流变及其套管体系求解结构地震反应，可得到套管各时刻的应力，图2、3列出了8度罕遇EL地震波作用下换流变套管B以及套管C、D三个悬挑长度较长的套管在不同时刻的应力云图。通过应力云图来查看在地震波作用下，套管各个位置的受力情况，可以看出在套管与法兰柔性连接的位置应力较大，同时在套管中部也出现较大的拉、压循环应力（476MPa～-344MPa）。其最大应力已经超过材料的屈服强度，因此在地震作用下，套管这两处截面较易发生破坏。

2.3 位移及加速度响应时程分析

分别在ANSYS有限元模型中输入峰值为0.30g和0.50g的Elcentro波、Taft波以及Kobe波，进行X、Y双向输入下的换流变及其套管体系的动力时程响应分析计算，得到了换流变及其套管的位移及加速度响应曲线。

表2分别列出了地震波作用下，位移响应较大的套管A和套管B的顶部位移的响应的峰值。

表3为各工况地震波输入下，加速度响应较大的套管C和套管D顶部的加速度时程曲线的峰值及其加速度动力放大系数。

分析表3，可以看见在各类地震波作用下，换流变套管的加速度动力放大系数都比较大，其中套管3顶部的综合加速度放大系数为3.32，套管4顶部的综合加速度放大系数约为3.59。

在各类地震作用下，由于换流本体刚度较大，换流变本体的相对位移较小。在三种地震波作用下，换流变套管的位移响应峰值较大，其中峰值为0.50g时，套管的顶部在地震作用下X向最大位移约为72.0mm，Y向最大位移约为83.0mm。因此，在套管顶部的导线应设置足够大的伸缩距离或适当增加导线的弧垂，从而可以避免在地震作用下由于导线与换流变套管存在相位差，从而出现套管被导线拉坏的现象。

3 结论

（1）换流变本体对加速度对地震波有一定的放大作

用。（2）在各类地震波作用下，换流变套管顶部动力放大系数均大于3.0。（3）8度罕遇地震作用时，换流变套管顶部位移较大，建议在套管顶部的导线应设置足够大的伸缩距离或适当增加导线的弧垂，从而可以避免在地震作用下由于导线与换流变套管存在相位差，从而出现套管被导线拉坏的现象。（4）换流变套管最薄弱部位为套管底部以及套管中间部位，在8度罕遇地震作用下，这两个位置出现应力循环，其最大应力值已经超过套管材料的屈服强度，将引起套管破坏，需采取相应的减隔震措施降低套管的最大应力。

参考文献：

[1]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2010.

[2]GB50260-2013.电力设备抗震设计规范.[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2013.

[3]郭振岩.变压器抗地震性能的研究[D].沈阳工业大学，2004.

[4]高兴军，赵恒华.大型通用有限元分析软件ANSYS简介[J].辽宁石油化工大学学报，2004，24（3）：94-97.

[5]文波，牛荻涛，赵鹏.变电站抗震性能研究综述[J].工程抗震与加固改造，2007，24（3）：72-77.

[6]刘洪峰.自耦变压器抗震计算[J].变压器，2008，45（5）：15-17.

[7]何文福，霍达，刘文光，等.高层隔震结构振动台试验及数值分析[J].北京工业大学学报，2010，36（3）：334-338.

[8]陈淮，孙增寿，李晓玉.高压变压器抗震可靠度分析[J].世界地震工程，2010，36（3）：334-338.

[9]李杰，李国强.地震工程学导论[M].北京：地震出版社，1992.