關于高低壓變電集裝箱箱體結構研究

劉生江

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關于高低壓變電集裝箱箱體結構研究

劉生江

（神東煤炭集團榆家梁煤礦，陜西榆林 719300）

主要介紹了變電站與標準20′GP海運集裝箱集成后的一種新式的集裝箱結構。對箱體的整體結構進行了詳細的說明，并對箱體側墻中部的框架式結構進行了詳細的分析。通過有限元軟件，對側墻中涉及到的桿系進行了強度以及穩定性的分析研究。這種箱體是對目前市面上存在的變電站的一種升級，把過去不便于移動的變電站與集裝箱集成后，不僅有變電站的所有功能，同時也具備了集裝箱便于運輸的性能特點。

變電站；集裝箱；有限元分析；ANSYS分析

21世紀，作為一個用電的時代，變電站已經成為我們生活以及工業中必不可少的電氣設備。就目前而言，市面上的變電站基本是以固定式的箱式房為主，其在起吊、移動和運輸上都有很大的不便。然而，集裝箱作為一種成熟的物流設備，不僅在運輸上具有很好的便捷性，同時鋼結構的箱體也具有一定的強度和剛度，可以有效地保護變電站中的弱電系統，也能將各個電氣設備可靠地集成在一起。

1 設計思路

本文研究的高低壓變電集裝箱與傳統的配電室不同。對不同的配電設備，做不同的設計。低壓室需要良好的密封性，對室內粉塵要求較高，高壓室需要一定的通風、避雨，而變壓器則對通風更為注重。因此，對于不同的箱室，需要進行不同結構的設計。

本文研究的箱體，根據設備的需求，高、低壓室采用集裝箱化的結構設計，四周及頂部采用集裝箱波紋板的形式，這樣既能保證箱體的密封性，同時使箱體也有一定的支撐強度。變壓器室采用開放式的框架式結構，頂部設有頂板，防止太陽直射造成的變壓器溫度過高，四周框架式結構方便通風，可以給變壓器提供良好的散熱空間。

本文研究的箱體也需要滿足集裝箱的標準，在外形尺寸上，根據集裝箱ISO 1496-1來進行設計，這樣也極大地方便了產品的周轉和運輸。

2 結構設計

本文中研究的集裝箱箱體設計主要包括3個部分，分別為兩端的低壓室、高壓室和中部的變壓器室。本框架式箱體外部尺寸為標準的20′GP箱，長、寬、高分別為6 058 mm、2 438 mm、2 591 mm，箱體質量按照標準的30 480 kg來設計。其中，高、低壓部分頂板采用2 mm厚的壓型頂板，側板為2 mm的羅拉波紋板，門扇采用集裝箱門扇結構，門扇上設有通風百葉，滿足電器元件的要求。同時，低壓室側部開設有一個設備進出口，其結構也采用集裝箱門端式結構。變壓器室采用框架式結構，側部方管采用60 mm×60 mm×3 mm的矩形管，在框架梁焊接處設有焊接搭接板，厚度8 mm，增加焊接面積，避免因應力集中，引起焊縫開裂，設計方案如圖1所示。

1—低壓室；2—變壓器室；3—高壓室。

3 仿真分析

由于箱體作為一種設備箱，其在使用時有兩種狀態：①使用時，內部裝有設備時是靜載狀態，維修人員在上面行走時使地架變形。②箱體由于外形尺寸與標準20′GP集裝箱相同。因此在運輸過程中，會有起吊、堆碼等狀態。

本文分別對這兩種使用狀態時的集裝箱做了相應的有限元分析，保證箱體的結構設計滿足正常的使用要求，同時也能滿足變壓器集裝箱的海運要求。

箱體額定載荷為30 t，分析箱體靜載時的底架變形，由于箱體門扇為集裝箱門扇，其在靜載開啟時不傳遞力。因此，建模時可將其進行簡化處理。為模型添加材料，箱體角件為鑄鋼材料，其余均為“CORTEN A”（許用應力為345 MPa）。根據使用要求，為模型添加載荷，為30 t豎直向下。為模型添加邊界條件，根據不同的使用條件進行添加。

3.1 靜載狀態中

靜載時，固定模型的4個底角件。運行后，得到箱體變形圖，變形情況如圖2所示。

圖2 靜載時箱體變形圖

從圖2中可以看到，靜載時箱體底架最大變形為8.3 mm，沒有超出箱體的底角件，因此滿足了使用要求。模擬維修人員在箱體底架上行走的狀態，同樣需要固定集裝箱底角件，運行后得到受力變形圖，變形情況如圖3所示。

圖3 箱體底架加載時的受力變形圖

從圖3中可以看到，人員在箱體上行走時，箱體底架最大的變形僅為1.92 mm，底架具有足夠的剛性，人員在上面行走不會有大的起伏感。

3.2 運輸狀態時

運輸狀態涉及到的模擬實驗比較多，因起吊和堆碼狀態為集裝箱使用過程中兩個主要的狀態。因此，本文中僅對起吊和堆碼這兩個實驗做了模擬分析，其余實驗暫不在本文中說明。起吊時，考慮到加速度因素。因此，為集裝箱施加2倍的額定載荷。固定模型的4個頂角件，添加重力環境，運行后得到受力變形圖，變形情況如圖4所示。

圖4 起吊狀態下的受力變形圖

從圖4中可以看到，箱體最大的變形量為12.48 mm，未超出箱體的底角件，滿足集裝箱在海運時的變形要求。

模擬箱體的堆碼狀態，分別固定模型的4個底角件，分別對4個頂角件施加載荷，得到箱體角柱的變形圖，變形情況如圖5所示。

圖5 堆碼狀態下的受力變形圖

從圖5中可以看到，箱體角柱上，最大應力為256 MPa，小于材料的最大許用應力值345 MPa。因此，可以滿足正常的集裝箱堆碼要求。

4 結論

本文基于20′GP集裝箱結構，設計了一種配電設備與集裝箱組合的集成設備，不僅可以很好地滿足電氣設備對環境的要求。同時，也極大地提高了設備的運輸便捷性。文中對提出的設計結構，通過有限元分析軟件，對各種不同的使用工況做了模擬分析研究，驗證了設計的可靠性。本文的設計產品可以更好地拓展集裝箱的使用范圍，對于全球的集裝箱化起到了積極的推動作用。

［1］ 段方.《集裝箱標準匯編》［J］.中國標準導報，2000（5）：42.

TM64

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.100

2095－6835（2018）22－0100－02

〔編輯：辛霞〕