換流變壓器閥側直流套管機械性能三維仿真

王明勝，楊仁毅，李乃一，欒蘭

（1.山東電力設備有限公司，濟南250022；2.西安交通大學電氣工程學院，西安710049）

換流變壓器閥側直流套管機械性能三維仿真

王明勝1，楊仁毅1，李乃一2，欒蘭1

（1.山東電力設備有限公司，濟南250022；2.西安交通大學電氣工程學院，西安710049）

介紹±400 kV換流變壓器閥側油-SF6直流套管的機械結構，運用有限元分析軟件建立三維物理模型，分析計算直流套管在彎曲及扭轉各種應力條件下的位移量，驗證了直流套管的機械性能。

油-SF6直流套管；機械性能；負荷；應力

0 引言

我國特高壓直流輸電經過30多年的發展，已經能夠研制±500 kV及以下線路及電站的外絕緣設備和金具。對于特高壓直流輸電工程中換流變壓器閥側油-SF6直流套管的生產與研制，目前工程應用還不夠廣泛。因此，針對我國特高壓直流輸電工程的重大需求，開展特高壓換流變壓器油-SF6直流套管力學特性研究，不僅能推動我國特高壓換流站設計的國產化進程，同時也為國內套管制造廠家的設計和制造提供依據，增強國內企業的技術積累與產品的國際競爭力。

在正常安裝運行條件下，套管需要承受其自重及部分套管頭部金具的重力，由于換流變壓器套管自重較大，通常可以達到幾噸，換流變壓器直流套管的力學特性是其正常運行的重要指標。在經典力學原理的基礎上，運用ANSYS13.0有限元分析軟件建立三維模型，模擬計算±400 kV油-SF6直流套管在不同彎曲、扭轉負荷下的應力分布情況，并驗證有限元分析方法的有效性和合理性。

1 直流套管機械結構和力學分析方法

1.1 直流套管機械結構

根據內絕緣結構分類，特高壓換流變壓器閥側直流套管主要有純油式和油氣混合式兩種，本文中直流套管為油氣混合式（油-SF6），絕緣設計為內外絕緣分開的復合絕緣結構形式，即換流變壓器側采用油浸紙絕緣結構，尾部敞開式無瓷件，套管和換流變壓器共用一個油系統。

閥側為SF6氣體絕緣，外絕緣采用帶有涂層的硅橡膠復合外套。如圖1所示，直流套管電容芯子卷制在鋁管上，鋁管中心穿有空心紫銅管作為載流導管，形成雙導電桿結構；電容芯子尾端無瓷套，頂端用環氧樹脂澆注密，整個套管外殼為環氧筒，之間充入SF6作為氣體絕緣。

外部絕緣子采用高溫硫化硅復合橡膠外套；中部和端部有金屬法蘭密封結構，外部端子可裝均壓環。

圖1 油-SF6直流套管整體結構

1.2 直流套管的力學分析方法

采用三維有限元方法對油-SF6直流套管力學特性進行分析計算，工程中的靜態有限元分析方法是指求解不隨時間變化的系統平衡問題，如線彈性系統應力等。線性方程的等效方程為［1］

通過解有限元方程（1）和（2），得出各節點位移矢量｛u｝。根據位移插值函數，由彈性力學中給出的應變和位移及應變和應力的關系，得出單元節點的應變和應力表達式［1］：

式中：｛εel｝為由應力引起的應變；［B］為節點上的應變—位移矩陣；｛εth｝為熱應變矢量；｛σ｝為應力矢量；［D］為彈性矩陣系數。

求解式（3）和式（4），得到各節點相應的應力，使用有限元分析法求出結構的節點位移及節點應力，得到結構靜態特性分析結果。

在套管機械性能計算中，通過力學經典理論公式驗證有限元計算方法的有效性和合理性。

由工程材料力學梁彎曲強度理論可得，對于管狀梁，其撓度計算公式為［1］

式中：d為管內徑；D為管外徑；E為管材料彈性模量；L為管狀梁長度；F為施加的力載荷。

圖2為彎曲負荷下等效應力及位移與負荷關系曲線，可以看出，隨著彎矩負荷的增加，直流套管的彎曲位移及等效應力成正比增加。由于套管結構可以看做多個規則管狀梁結構的疊加構成，因此其等效應力及撓度應符合管狀梁計算公式，與力負荷成正比增加，因此可以驗證該仿真計算結果的正確性。

圖2 彎曲負荷下等效應力及位移與負荷關系曲線

對于管狀梁的扭轉變形，符合剪切胡克定律［1］：

式中：τ為應變大小；γ為剪應力大小；Ip為管狀梁的慣性極距；G為剪性彈性模量。

圖3為扭轉負荷下等效應力及位移與負荷關系曲線，由圖3可以看出，隨著扭矩負荷的增加，直流套管的扭轉位移及等效剪應力成正比增加。由于套管結構可以看做多個規則管狀梁結構的疊加構成，因此根據剪切胡克定律，位移與扭矩負荷成正比增加，因此可以驗證該仿真計算結果的正確性。

圖3 扭轉負荷下等效應力及位移與負荷關系

2 三維力學分析模型

直流套管外層復合材料護套的彈性模量遠小于環氧筒、金屬法蘭及導電桿，可以忽略外層護套在力學特性分析時的影響作用，因此換流變壓器套管進行力學分析時對復合材料護套進行簡化建模，將護套簡化為復合材料薄層進行計算分析。

將直流套管內、外部均進行簡化后的力學計算模型如圖4、圖5所示，仿真計算時根據IEC/TS 61463《套管-抗地震能力》和GB/Z 24840—2009《1 000 kV交流系統用套管技術規范》中套管機械特性試驗要求［2-3］，在套管與換流變壓器連接處的金屬法蘭處加載固定約束，約束其6個自由度；在套管出線端子位置施加試驗載荷，分別為彎曲應力5 kN及扭轉負荷5 kN·m。

圖4 直流套管力學特性分析整體模型

圖5 直流套管力學特性分析模型中部放大

3 力學特性計算分析結果

根據試驗條件，在套管頭部分別加載5 kN的彎曲負荷及5 kN·m的扭轉負荷，通過對換流變壓器套管進行仿真建模計算，得到其分別在彎曲、扭轉兩種情況下的計算結果，見表1～2，位移及應力分布如圖6～13所示。

圖6 彎曲負荷徑向位移分布

圖7 彎曲負荷應力分布

圖8 彎曲負荷剪力分布

圖9 彎曲負荷第一主應力分布

圖10 扭轉負荷切向位移分布

圖11 扭轉負荷應力分布

根據以上計算結果可以得出，在施加5 kN的彎曲應力時，直流套管的徑向彎曲距離為4.764 mm，彎曲位移和撓度很小，彎曲應力主要集中在套管末端法蘭處，其等效應力大小為25.9 MPa，未超過金屬法蘭的應力標準，其第一主應力最大值主要集中在法蘭的支撐片處，大小為35 MPa，此處的應力滿足要求；在施加5 kN·m的扭矩時，換流變壓器套管的扭轉位移最大值出現在上端部法蘭，最大值為0.256mm，對應的扭轉角為0.5°，等效應力最大值為1.91 MPa，其最大剪力在法蘭上，大小為1.02 MPa，其第一主應力最大值也集中在法蘭支撐片處，值為1.12 MPa，未超過斷裂應力值。上述結果為試驗條件下，換流變壓器套管的應力應變狀況。

圖12 扭轉負荷剪力分布

圖13 扭轉負荷第一主應力分布

由于套管自重較重，為考察套管安裝條件下的應力與應變特性，又分別加載12.5 kN、12.5 kN·m與30 kN、30 kN·m的負荷，對套管的力學特性進行進一步分析。

在分別加載12.5 kN和30 kN的彎曲負荷時，換流變壓器套管的徑向彎曲距離分別為11.91 mm和28.583 mm，彎曲位移和撓度較小，彎曲應力主要集中在套管末端法蘭處，其等效應力大小分別為64.8 MPa與156 MPa，第一主應力最大值集中位置與5 kN負荷位置相同，應力大小分別為87.5 MPa與210 MPa。

在施加12.5 kN·m和30 kN·m的扭矩時，換流變壓器套管的切向扭轉位移最大值同樣出現在上端部法蘭，最大值分別為0.639 mm和1.533 mm，對應的扭轉角為1.25°和2.99°，等效應力最大值分別為4.78 MPa與11.5 MPa，其最大剪力在法蘭上，大小分別為2.55 MPa及6.11 MPa，第一主應力最大值同樣集中在法蘭支撐片處，值為2.8 MPa與6.73 MPa，未超過斷裂應力值。

表1 直流套管彎曲負荷計算結果

表2 直流套管扭轉負荷計算結果

由表1、表2數據比較可以看出，套管的應變位移與應力大小和施加的載荷大小成正比增加，符合工程材料力學的基本原理，同時也驗證了力學分析計算的正確性。

4 結語

運用了有限元分析軟件，按照工程應用的試驗要求對直流套管進行了力學特性分析，考慮到套管運行時的自重因素，增加多組試驗模擬對比，驗證了所設計直流套管在受到彎曲應力與扭轉負荷時，其應力大小未超過環氧筒及金屬法蘭的斷裂應力值，符合套管的安全運行要求。

［1］劉春廷，馬繼.材料力學性能［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［2］IEC/TS 61463套管-抗地震能力［S］.

［3］GB/Z 24840—2009 1 000 kV交流系統用套管技術規范［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

王明勝（1971），男，高級工程師，從事變壓器類產品的設計、開發工作。