2 250 kV工頻變壓器絕緣臺結構受力分析

李勝軍，王 南

（1.天津市水利科學研究院，天津 300061；2.天津市水利勘測設計院，天津 300074）

1 前言

2 250 kV工頻變壓器增壓改造工程位于華北地區某變電站內，原1 500 kV工頻變壓器建于1984年4月，該工程20多年來發揮了很大作用。鑒于近年來生產需要，擬從1 500 kV增壓至2 250 kV，為此需對原絕緣臺及其基礎進行重新設計改造。變壓器絕緣臺主體結構高度約11 m，由高強度絕緣瓷瓶組成，瓷瓶之間由鋼板和法蘭連接并在層間設置鋼梁。絕緣臺頂部設變壓器承重鋼梁，為提高絕緣臺整體結構的剛度和穩定性，在絕緣臺的4個立柱上設置玻璃鋼錨索并施加預應力。

陶瓷是無機非金屬材料，是用天然的或人工合成粉狀化合物通過成型、高溫燒結而制成的多晶固體材料。陶瓷是一種脆性材料，它的抗壓強度比抗拉強度大得多，一般在10倍左右。陶瓷不僅在循環荷載下存在機械疲勞，其含義比金屬要廣，存在靜態疲勞、動態疲勞、循環疲勞。瓷瓶破壞的原因很多，結構受力不均勻、應力集中、振動等都可能造成瓷瓶破壞甚至斷裂。下面利用ANSYS有限元分析軟件，建立瓷瓶、桁架、鋼梁、錨索等組成的絕緣臺整體結構力學模型，分析變壓器承重鋼梁的強度和穩定性以及絕緣臺整體結構在靜力和地震荷載下的受力情況，并對結構設計提出建議。

2 變壓器絕緣臺整體結構計算模型及參數

2.1 有限元模型

計算采用大型通用有限元ANSYS軟件。變壓器絕緣臺主體結構的絕緣瓷瓶、連接鋼板、基礎均按空間塊體單元進行劃分，各層鋼梁采用空間梁單元劃分，各層瓷瓶支撐和4根拉錨采用空間桁架單元劃分，變壓器及各層放電環劃分為集中質量單元。梁單元與塊體單元的相交節點采用約束方程進行技術處理，以保證其變形的協調性。變壓器絕緣臺主體結構有限元模型，如圖1所示。

圖1 變壓器絕緣臺主體結構有限元模型

2.2 荷載施加

變壓器總質量為300 kN，按集中質量單元施加在絕緣臺頂部2根承重鋼梁上計算，按照實際作用位置每邊各施加在13個單元上，每個單元集中質量為11.54 kN；頂層放電環重35.0 kN，按集中質量單元沿頂層4根鋼梁均勻施加計算，共施加在68個單元上，每個單元集中質量為0.46 kN；其余4層放電環分別重12.5 kN，按集中質量單元沿每層4根鋼梁均勻施加計算，共施加在68個單元上，每個單元集中質量為0.18 kN；玻璃鋼錨索直徑為40 mm，錨索截面積為1 256.6 mm2，將預張力折算成初始應變施加在錨索上，求得相應的初始應變為3.86×10-5kN；結構其余部分，均按照實際重量施加。

2.3 梁截面特性

絕緣臺頂部變壓器承重鋼梁采用20 mm厚鋼板焊接而成；層間鋼梁采用18號槽鋼背靠背焊接；鋼支撐采用國標100鋼管，外徑114 mm，壁厚4 mm。

2.4 荷載工況

對應上面的模型，分別計算了靜力工況和動力工況，每種工況又分別按照0、10、50 kN對錨索施加預應力。

3 變壓器絕緣臺整體結構靜力分析

《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）規定，梁撓度容許值＜l/400時，可知梁撓度的最大容許值為11.63 mm；同時，還規定，16～40 mm厚3號鋼的抗拉、抗壓強度為205 MPa。經結構靜力計算，求得在300 kN變壓器荷載的作用下絕緣臺頂部變壓器承重鋼梁的最大撓度為5.15 mm。結構最大拉應力發生在梁底部、為81.1 MPa，結構最大壓應力發生在梁頂部、為186.0 MPa，故變壓器承重鋼梁滿足規范規定的強度和穩定性要求。變壓器絕緣臺頂部承重鋼梁結構受力，如圖2所示。

圖2 變壓器絕緣臺頂部承重鋼梁結構受力

計算表明，絕緣臺的整體結構質量（含300 kN變壓器質量）為833.5kN。絕緣臺的主體結構及立面各瓷桿珩架內均承受壓應力，最大壓應力發生在基礎底部，錨索預應力分別為0、10、50 kN時對應的最大基底壓應力為3.40、3.44和3.76 MPa，其數值遠小于周耀華[2]等人試驗測出的高強度絕緣瓷瓶21.5 MPa的抗壓強度。所以，在僅考慮重力和錨索預應力作用時，絕緣臺是安全的。

4 變壓器絕緣臺整體結構動力響應分析

已有的研究表明，戶外高壓瓷瓶除了生產過程中的制造缺陷、運輸安裝過程中人為累積損傷造成斷裂外，循環荷載、沖擊負荷、振動、風壓等荷載的疊加及往復作用是造成瓷瓶斷裂的主要原因。為此，設計時考慮地震引起變形產生的力，對估價絕緣臺結構的承載能力是十分重要的。

4.1 地震作用的動力學理論

動力學理論主要包括模態分析、反應譜理論、隨機震動等非線性振動理論，以及現在數值仿真及有限元分析常用到的時程分析法。模態分析可以確定設計中結構的振動特性，如頻率和振型；也可以作為其他更詳細的動力分析基礎。反應譜理論對于任意給定的地震輸入和已知的結構阻尼比，把譜速度作為結構的自振頻率或周期的函數來進行計算，對于每一種頻率給出譜速度值的一個點，在一定的有實際意義的結構周期范圍內把這些點連起來，就得到速度反應譜，按照反應譜的相關關系式就可得到位移反應譜和加速度反應譜。由于加速度反應譜直接與地震作用力有關系，所以各國的抗震設計規范一般都給出加速度反應譜。我國的 《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）也是這樣。根據國內外數百條地震記錄的反應譜進行統計分析后，得到了水平反應譜曲線，如圖3所示。

圖3 地震水平反應譜曲線

依據 《中國地震動參數區劃圖》（GB18306—2001），該變壓器絕緣臺所處的場地地震動峰值加速度為0.15 g，對應地震烈度為7度，水平地震響應系數最大值為0.12。為此，得到本結構的地震響應曲線為：

根據 《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2004）可將變壓器絕緣臺的抗震設防類別設為乙類。按地震造成的損失、社會影響程度等各因素綜合考慮分析，乙類建筑屬于地震破壞后會產生較大影響或造成相當大的經濟損失的建筑。

4.2 動力響應分析

4.2.1 模態分析

模態分析可以確定設計中結構的振動特性，如頻率和振型；也可以作為其他更詳細的動力分析基礎。使用變壓器絕緣臺所在的地區地震波進行地震分析，采用Block Lanczos法分析變壓器絕緣臺整體結構的前15階頻率，結果見表1。

表1 結構各動力工況的自振頻率和譜值

4.2.2 水平地震分析結果

結構動力有限元分析表明，在水平地震力作用下結構多為彎曲變形，結構的最大動位移出現在上部，最大動應力出現在結構中上層位置，該位置為梁、斜支撐、瓷瓶和鋼板的交界處，構造非常復雜。結構沿水平x和y方向的動位移、節點動應力見表2。

表2 結構沿水平x和y方向的動位移、節點動應力

分析結構動位移可以看出，在4個端點施加預應力錨索對絕緣臺整體結構起到了預壓作用，提高了絕緣臺的抗彎能力。隨著錨索預拉力的增加，結構動位移有所減小。

分析結構動應力可以看出，地震時結構3個方向的拉應力大約在2.05～2.50 MPa，水平剪應力約為1.13 MPa。根據周耀華等人的試驗結果，該應力水平距瓷瓶破壞應力仍有較大的富余度。

5 結語

（1）在絕緣臺4個端點施加預應力錨索，對絕緣臺整體結構起到了預壓作用，在一定程度上增加了結構的剛度，提高了結構的抗彎能力，有利于結構的靜力穩定性，但對結構地震時的加固效果尚需進一步分析研究。當施加5t錨固力時，結構基底壓力增加9.5%。根據已有的工程經驗，建議錨固力應小于結構自重的10%。

（2）循環荷載、沖擊負荷、振動、風壓等荷載是造成戶外高壓瓷瓶斷裂的主要原因之一，為此做好絕緣臺的減震措施是至關重要的。疊合鋼板橡膠支撐隔震是當前發展較快、比較成熟、前景廣闊的一種隔震方法。疊合鋼板橡膠支座已廣為世界各國所接受，我國在多層鋼筋混凝結構及磚混結構中亦有許多應用實例。建議在絕緣臺基礎設置疊合鋼板橡膠支座，延長結構的基本自振周期，適度增大鋼板橡膠支座的阻尼，以更多吸收傳入結構的振動和地震能量，從而有效降低建筑物對振動和地震的反應。