基于有限元的±800kV換流變抗震性能分析

鄭威 朱東 閆勇

摘? 要：文章以±800kV ABB換流變壓器為原型，基于ANSYS有限元軟件分析計算得到換流變的抗震性能。研究表明換流變最薄弱部位為套管根部和中部，其在8度罕遇地震作用下最大應力已經超過材料的屈服強度，已進入塑性階段，同時換流變套管頂部位移及加速度較大，套管頂部的導線應設置足夠大的伸縮距離，避免套管被導線拉壞。

關鍵詞：±800kV換流變壓器;套管;抗震性能

中圖分類號：TM721.1? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

換流變壓器是特高壓直流輸電工程中最重要的電氣設備，其具有大體積、大質量、長套管的特點。在地震作用特別是高烈度地震作用下，其套管由于懸挑長度較大，將會產生非常大的地震力和位移，從而引起套管自身以及換流變壓器本體破壞。通過對國內地震災害調查，國內已經發生過多起變電站主變壓器在地震時發生套管位移過大，導致漏油從而引起火災等地震次生災害的情況。為了分析換流變在地震作用下的可靠度，有必要對其進行相關的抗震計算研究工作。本文以某±800kV換流變壓器（以下簡稱換流變）為原型，通過有限元軟件ANSYS對換流變抗震性能進行有限元分析。

1 ±800kV換流變抗震有限元模型的建立

通過對相關設備廠家的調研，了解換流變壓器的基本結構參數，并在此基礎上建立ANSYS有限元模型對換流變抗震性能進行有限元分析，分析換流變在地震作用下的的應力、位移以及加速度狀況，評估出換流變的抗震性能。

有限元分析方案：

（1）單元選擇：箱壁采用殼單元，復合材料套管采用三維梁單元。（2）模型中的假定：換流變中的鐵芯線圈及其他組件采用固體單元模擬并固接在箱體上，高壓換流變的瓷套管與箱體采用法蘭連接。

通過上述方法，建立換流變模型，各個部分所在的位置以及形狀如圖1所示。

2 換流變及其套管體系動力特性及地震響應分析

2.1 自振特性分析

根據建立的有限元模型，分析計算得到換流變及套管體系的前10階振動模態參數，具體數值參見表1。

2.2 套管各個時刻的應力云圖

根據以往工程經驗，換流變的套管是其薄弱環節，也是其受力狀態最為關注的地方。換流變套管由于其懸挑長度較大，容易在地震作用下出現破壞。現將EL波、Taft波以及Kobe波直接作為激勵輸入到換流變及其套管體系求解結構地震反應，可得到套管各時刻的應力，圖2、3列出了8度罕遇EL地震波作用下換流變套管B以及套管C、D三個懸挑長度較長的套管在不同時刻的應力云圖。通過應力云圖來查看在地震波作用下，套管各個位置的受力情況，可以看出在套管與法蘭柔性連接的位置應力較大，同時在套管中部也出現較大的拉、壓循環應力（476MPa～-344MPa）。其最大應力已經超過材料的屈服強度，因此在地震作用下，套管這兩處截面較易發生破壞。

2.3 位移及加速度響應時程分析

分別在ANSYS有限元模型中輸入峰值為0.30g和0.50g的Elcentro波、Taft波以及Kobe波，進行X、Y雙向輸入下的換流變及其套管體系的動力時程響應分析計算，得到了換流變及其套管的位移及加速度響應曲線。

表2分別列出了地震波作用下，位移響應較大的套管A和套管B的頂部位移的響應的峰值。

表3為各工況地震波輸入下，加速度響應較大的套管C和套管D頂部的加速度時程曲線的峰值及其加速度動力放大系數。

分析表3，可以看見在各類地震波作用下，換流變套管的加速度動力放大系數都比較大，其中套管3頂部的綜合加速度放大系數為3.32，套管4頂部的綜合加速度放大系數約為3.59。

在各類地震作用下，由于換流本體剛度較大，換流變本體的相對位移較小。在三種地震波作用下，換流變套管的位移響應峰值較大，其中峰值為0.50g時，套管的頂部在地震作用下X向最大位移約為72.0mm，Y向最大位移約為83.0mm。因此，在套管頂部的導線應設置足夠大的伸縮距離或適當增加導線的弧垂，從而可以避免在地震作用下由于導線與換流變套管存在相位差，從而出現套管被導線拉壞的現象。

3 結論

（1）換流變本體對加速度對地震波有一定的放大作

用。（2）在各類地震波作用下，換流變套管頂部動力放大系數均大于3.0。（3）8度罕遇地震作用時，換流變套管頂部位移較大，建議在套管頂部的導線應設置足夠大的伸縮距離或適當增加導線的弧垂，從而可以避免在地震作用下由于導線與換流變套管存在相位差，從而出現套管被導線拉壞的現象。（4）換流變套管最薄弱部位為套管底部以及套管中間部位，在8度罕遇地震作用下，這兩個位置出現應力循環，其最大應力值已經超過套管材料的屈服強度，將引起套管破壞，需采取相應的減隔震措施降低套管的最大應力。

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