2 250 kV工頻變壓器絕緣臺結(jié)構(gòu)受力分析

李勝軍，王 南

（1.天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061；2.天津市水利勘測設(shè)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(qū)某變電站內(nèi)，原1 500 kV工頻變壓器建于1984年4月，該工程20多年來發(fā)揮了很大作用。鑒于近年來生產(chǎn)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(chǔ)進(jìn)行重新設(shè)計改造。變壓器絕緣臺主體結(jié)構(gòu)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(shè)置鋼梁。絕緣臺頂部設(shè)變壓器承重鋼梁，為提高絕緣臺整體結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，在絕緣臺的4個立柱上設(shè)置玻璃鋼錨索并施加預(yù)應(yīng)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?zé)Y(jié)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(huán)荷載下存在機械疲勞，其含義比金屬要廣，存在靜態(tài)疲勞、動態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞。瓷瓶破壞的原因很多，結(jié)構(gòu)受力不均勻、應(yīng)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(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析變壓器承重鋼梁的強度和穩(wěn)定性以及絕緣臺整體結(jié)構(gòu)在靜力和地震荷載下的受力情況，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出建議。

2 變壓器絕緣臺整體結(jié)構(gòu)計算模型及參數(shù)

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(jié)構(gòu)的絕緣瓷瓶、連接鋼板、基礎(chǔ)均按空間塊體單元進(jìn)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(huán)劃分為集中質(zhì)量單元。梁單元與塊體單元的相交節(jié)點采用約束方程進(jìn)行技術(shù)處理，以保證其變形的協(xié)調(diào)性。變壓器絕緣臺主體結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖1所示。

圖1 變壓器絕緣臺主體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 荷載施加

變壓器總質(zhì)量為300 kN，按集中質(zhì)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(zhì)量為11.54 kN；頂層放電環(huán)重35.0 kN，按集中質(zhì)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(zhì)量為0.46 kN；其余4層放電環(huán)分別重12.5 kN，按集中質(zhì)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(zhì)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(yù)張力折算成初始應(yīng)變施加在錨索上，求得相應(yīng)的初始應(yīng)變?yōu)?.86×10-5kN；結(jié)構(gòu)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(biāo)100鋼管，外徑114 mm，壁厚4 mm。

2.4 荷載工況

對應(yīng)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(yù)應(yīng)力。

3 變壓器絕緣臺整體結(jié)構(gòu)靜力分析

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)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(guī)定，16～40 mm厚3號鋼的抗拉、抗壓強度為205 MPa。經(jīng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力發(fā)生在梁底部、為81.1 MPa，結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力發(fā)生在梁頂部、為186.0 MPa，故變壓器承重鋼梁滿足規(guī)范規(guī)定的強度和穩(wěn)定性要求。變壓器絕緣臺頂部承重鋼梁結(jié)構(gòu)受力，如圖2所示。

圖2 變壓器絕緣臺頂部承重鋼梁結(jié)構(gòu)受力

計算表明，絕緣臺的整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量（含300 kN變壓器質(zhì)量）為833.5kN。絕緣臺的主體結(jié)構(gòu)及立面各瓷桿珩架內(nèi)均承受壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力發(fā)生在基礎(chǔ)底部，錨索預(yù)應(yīng)力分別為0、10、50 kN時對應(yīng)的最大基底壓應(yīng)力為3.40、3.44和3.76 MPa，其數(shù)值遠(yuǎn)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(yù)應(yīng)力作用時，絕緣臺是安全的。

4 變壓器絕緣臺整體結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

已有的研究表明，戶外高壓瓷瓶除了生產(chǎn)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(huán)荷載、沖擊負(fù)荷、振動、風(fēng)壓等荷載的疊加及往復(fù)作用是造成瓷瓶斷裂的主要原因。為此，設(shè)計時考慮地震引起變形產(chǎn)生的力，對估價絕緣臺結(jié)構(gòu)的承載能力是十分重要的。

4.1 地震作用的動力學(xué)理論

動力學(xué)理論主要包括模態(tài)分析、反應(yīng)譜理論、隨機震動等非線性振動理論，以及現(xiàn)在數(shù)值仿真及有限元分析常用到的時程分析法。模態(tài)分析可以確定設(shè)計中結(jié)構(gòu)的振動特性，如頻率和振型；也可以作為其他更詳細(xì)的動力分析基礎(chǔ)。反應(yīng)譜理論對于任意給定的地震輸入和已知的結(jié)構(gòu)阻尼比，把譜速度作為結(jié)構(gòu)的自振頻率或周期的函數(shù)來進(jìn)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(jié)構(gòu)周期范圍內(nèi)把這些點連起來，就得到速度反應(yīng)譜，按照反應(yīng)譜的相關(guān)關(guān)系式就可得到位移反應(yīng)譜和加速度反應(yīng)譜。由于加速度反應(yīng)譜直接與地震作用力有關(guān)系，所以各國的抗震設(shè)計規(guī)范一般都給出加速度反應(yīng)譜。我國的 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）也是這樣。根據(jù)國內(nèi)外數(shù)百條地震記錄的反應(yīng)譜進(jìn)行統(tǒng)計分析后，得到了水平反應(yīng)譜曲線，如圖3所示。

圖3 地震水平反應(yīng)譜曲線

依據(jù) 《中國地震動參數(shù)區(qū)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(yīng)地震烈度為7度，水平地震響應(yīng)系數(shù)最大值為0.12。為此，得到本結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)曲線為：

根據(jù) 《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2004）可將變壓器絕緣臺的抗震設(shè)防類別設(shè)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(chǎn)生較大影響或造成相當(dāng)大的經(jīng)濟損失的建筑。

4.2 動力響應(yīng)分析

4.2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以確定設(shè)計中結(jié)構(gòu)的振動特性，如頻率和振型；也可以作為其他更詳細(xì)的動力分析基礎(chǔ)。使用變壓器絕緣臺所在的地區(qū)地震波進(jìn)行地震分析，采用Block Lanczos法分析變壓器絕緣臺整體結(jié)構(gòu)的前15階頻率，結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)各動力工況的自振頻率和譜值

4.2.2 水平地震分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)動力有限元分析表明，在水平地震力作用下結(jié)構(gòu)多為彎曲變形，結(jié)構(gòu)的最大動位移出現(xiàn)在上部，最大動應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中上層位置，該位置為梁、斜支撐、瓷瓶和鋼板的交界處，構(gòu)造非常復(fù)雜。結(jié)構(gòu)沿水平x和y方向的動位移、節(jié)點動應(yīng)力見表2。

表2 結(jié)構(gòu)沿水平x和y方向的動位移、節(jié)點動應(yīng)力

分析結(jié)構(gòu)動位移可以看出，在4個端點施加預(yù)應(yīng)力錨索對絕緣臺整體結(jié)構(gòu)起到了預(yù)壓作用，提高了絕緣臺的抗彎能力。隨著錨索預(yù)拉力的增加，結(jié)構(gòu)動位移有所減小。

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

5 結(jié)語

（1）在絕緣臺4個端點施加預(yù)應(yīng)力錨索，對絕緣臺整體結(jié)構(gòu)起到了預(yù)壓作用，在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)的剛度，提高了結(jié)構(gòu)的抗彎能力，有利于結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性，但對結(jié)構(gòu)地震時的加固效果尚需進(jìn)一步分析研究。當(dāng)施加5t錨固力時，結(jié)構(gòu)基底壓力增加9.5%。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗，建議錨固力應(yīng)小于結(jié)構(gòu)自重的10%。

（2）循環(huán)荷載、沖擊負(fù)荷、振動、風(fēng)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(guān)重要的。疊合鋼板橡膠支撐隔震是當(dāng)前發(fā)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(jié)構(gòu)及磚混結(jié)構(gòu)中亦有許多應(yīng)用實例。建議在絕緣臺基礎(chǔ)設(shè)置疊合鋼板橡膠支座，延長結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)。