王明勝，楊仁毅，李乃一，欒蘭

（1.山東電力設(shè)備有限公司，濟(jì)南250022；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

換流變壓器閥側(cè)直流套管機(jī)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(shè)備有限公司，濟(jì)南250022；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

介紹±400 kV換流變壓器閥側(cè)油-SF6直流套管的機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元分析軟件建立三維物理模型，分析計(jì)算直流套管在彎曲及扭轉(zhuǎn)各種應(yīng)力條件下的位移量，驗(yàn)證了直流套管的機(jī)械性能。

油-SF6直流套管；機(jī)械性能；負(fù)荷；應(yīng)力

0 引言

我國特高壓直流輸電經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)能夠研制±500 kV及以下線路及電站的外絕緣設(shè)備和金具。對(duì)于特高壓直流輸電工程中換流變壓器閥側(cè)油-SF6直流套管的生產(chǎn)與研制，目前工程應(yīng)用還不夠廣泛。因此，針對(duì)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(xué)特性研究，不僅能推動(dòng)我國特高壓換流站設(shè)計(jì)的國產(chǎn)化進(jìn)程，同時(shí)也為國內(nèi)套管制造廠家的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)，增強(qiáng)國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)積累與產(chǎn)品的國際競(jìng)爭(zhēng)力。

在正常安裝運(yùn)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?？梢赃_(dá)到幾噸，換流變壓器直流套管的力學(xué)特性是其正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。在經(jīng)典力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS13.0有限元分析軟件建立三維模型，模擬計(jì)算±400 kV油-SF6直流套管在不同彎曲、扭轉(zhuǎn)負(fù)荷下的應(yīng)力分布情況，并驗(yàn)證有限元分析方法的有效性和合理性。

1 直流套管機(jī)械結(jié)構(gòu)和力學(xué)分析方法

1.1 直流套管機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)分類，特高壓換流變壓器閥側(cè)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(shè)計(jì)為內(nèi)外絕緣分開的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)形式，即換流變壓器側(cè)采用油浸紙絕緣結(jié)構(gòu)，尾部敞開式無瓷件，套管和換流變壓器共用一個(gè)油系統(tǒng)。

閥側(cè)為SF6氣體絕緣，外絕緣采用帶有涂層的硅橡膠復(fù)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(dǎo)管，形成雙導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)；電容芯子尾端無瓷套，頂端用環(huán)氧樹脂澆注密，整個(gè)套管外殼為環(huán)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(fù)合橡膠外套；中部和端部有金屬法蘭密封結(jié)構(gòu)，外部端子可裝均壓環(huán)。

圖1 油-SF6直流套管整體結(jié)構(gòu)

1.2 直流套管的力學(xué)分析方法

采用三維有限元方法對(duì)油-SF6直流套管力學(xué)特性進(jìn)行分析計(jì)算，工程中的靜態(tài)有限元分析方法是指求解不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)平衡問題，如線彈性系統(tǒng)應(yīng)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(jié)點(diǎn)位移矢量｛u｝。根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學(xué)中給出的應(yīng)變和位移及應(yīng)變和應(yīng)力的關(guān)系，得出單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力表達(dá)式［1］：

式中：｛εel｝為由應(yīng)力引起的應(yīng)變；［B］為節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)變—位移矩陣；｛εth｝為熱應(yīng)變矢量；｛σ｝為應(yīng)力矢量；［D］為彈性矩陣系數(shù)。

求解式（3）和式（4），得到各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力，使用有限元分析法求出結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，得到結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析結(jié)果。

在套管機(jī)械性能計(jì)算中，通過力學(xué)經(jīng)典理論公式驗(yàn)證有限元計(jì)算方法的有效性和合理性。

由工程材料力學(xué)梁彎曲強(qiáng)度理論可得，對(duì)于管狀梁，其撓度計(jì)算公式為［1］

式中：d為管內(nèi)徑；D為管外徑；E為管材料彈性模量；L為管狀梁長(zhǎng)度；F為施加的力載荷。

圖2為彎曲負(fù)荷下等效應(yīng)力及位移與負(fù)荷關(guān)系曲線，可以看出，隨著彎矩負(fù)荷的增加，直流套管的彎曲位移及等效應(yīng)力成正比增加。由于套管結(jié)構(gòu)可以看做多個(gè)規(guī)則管狀梁結(jié)構(gòu)的疊加構(gòu)成，因此其等效應(yīng)力及撓度應(yīng)符合管狀梁計(jì)算公式，與力負(fù)荷成正比增加，因此可以驗(yàn)證該仿真計(jì)算結(jié)果的正確性。

圖2 彎曲負(fù)荷下等效應(yīng)力及位移與負(fù)荷關(guān)系曲線

對(duì)于管狀梁的扭轉(zhuǎn)變形，符合剪切胡克定律［1］：

式中：τ為應(yīng)變大小；γ為剪應(yīng)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(zhuǎn)負(fù)荷下等效應(yīng)力及位移與負(fù)荷關(guān)系曲線，由圖3可以看出，隨著扭矩負(fù)荷的增加，直流套管的扭轉(zhuǎn)位移及等效剪應(yīng)力成正比增加。由于套管結(jié)構(gòu)可以看做多個(gè)規(guī)則管狀梁結(jié)構(gòu)的疊加構(gòu)成，因此根據(jù)剪切胡克定律，位移與扭矩負(fù)荷成正比增加，因此可以驗(yàn)證該仿真計(jì)算結(jié)果的正確性。

圖3 扭轉(zhuǎn)負(fù)荷下等效應(yīng)力及位移與負(fù)荷關(guān)系

2 三維力學(xué)分析模型

直流套管外層復(fù)合材料護(hù)套的彈性模量遠(yuǎn)小于環(huán)氧筒、金屬法蘭及導(dǎo)電桿，可以忽略外層護(hù)套在力學(xué)特性分析時(shí)的影響作用，因此換流變壓器套管進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)對(duì)復(fù)合材料護(hù)套進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，將護(hù)套簡(jiǎn)化為復(fù)合材料薄層進(jìn)行計(jì)算分析。

將直流套管內(nèi)、外部均進(jìn)行簡(jiǎn)化后的力學(xué)計(jì)算模型如圖4、圖5所示，仿真計(jì)算時(shí)根據(jù)IEC/TS 61463《套管-抗地震能力》和GB/Z 24840—2009《1 000 kV交流系統(tǒng)用套管技術(shù)規(guī)范》中套管機(jī)械特性試驗(yàn)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(gè)自由度；在套管出線端子位置施加試驗(yàn)載荷，分別為彎曲應(yīng)力5 kN及扭轉(zhuǎn)負(fù)荷5 kN·m。

圖4 直流套管力學(xué)特性分析整體模型

圖5 直流套管力學(xué)特性分析模型中部放大

3 力學(xué)特性計(jì)算分析結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)條件，在套管頭部分別加載5 kN的彎曲負(fù)荷及5 kN·m的扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，通過對(duì)換流變壓器套管進(jìn)行仿真建模計(jì)算，得到其分別在彎曲、扭轉(zhuǎn)兩種情況下的計(jì)算結(jié)果，見表1～2，位移及應(yīng)力分布如圖6～13所示。

圖6 彎曲負(fù)荷徑向位移分布

圖7 彎曲負(fù)荷應(yīng)力分布

圖8 彎曲負(fù)荷剪力分布

圖9 彎曲負(fù)荷第一主應(yīng)力分布

圖10 扭轉(zhuǎn)負(fù)荷切向位移分布

圖11 扭轉(zhuǎn)負(fù)荷應(yīng)力分布

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以得出，在施加5 kN的彎曲應(yīng)力時(shí)，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(yīng)力主要集中在套管末端法蘭處，其等效應(yīng)力大小為25.9 MPa，未超過金屬法蘭的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，其第一主應(yīng)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(yīng)力滿足要求；在施加5 kN·m的扭矩時(shí)，換流變壓器套管的扭轉(zhuǎn)位移最大值出現(xiàn)在上端部法蘭，最大值為0.256mm，對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角為0.5°，等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力值。上述結(jié)果為試驗(yàn)條件下，換流變壓器套管的應(yīng)力應(yīng)變狀況。

圖12 扭轉(zhuǎn)負(fù)荷剪力分布

圖13 扭轉(zhuǎn)負(fù)荷第一主應(yīng)力分布

由于套管自重較重，為考察套管安裝條件下的應(yīng)力與應(yīng)變特性，又分別加載12.5 kN、12.5 kN·m與30 kN、30 kN·m的負(fù)荷，對(duì)套管的力學(xué)特性進(jìn)行進(jìn)一步分析。

在分別加載12.5 kN和30 kN的彎曲負(fù)荷時(shí)，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(yīng)力主要集中在套管末端法蘭處，其等效應(yīng)力大小分別為64.8 MPa與156 MPa，第一主應(yīng)力最大值集中位置與5 kN負(fù)荷位置相同，應(yīng)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(shí)，換流變壓器套管的切向扭轉(zhuǎn)位移最大值同樣出現(xiàn)在上端部法蘭，最大值分別為0.639 mm和1.533 mm，對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角為1.25°和2.99°，等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力值。

表1 直流套管彎曲負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

表2 直流套管扭轉(zhuǎn)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

由表1、表2數(shù)據(jù)比較可以看出，套管的應(yīng)變位移與應(yīng)力大小和施加的載荷大小成正比增加，符合工程材料力學(xué)的基本原理，同時(shí)也驗(yàn)證了力學(xué)分析計(jì)算的正確性。

4 結(jié)語

運(yùn)用了有限元分析軟件，按照工程應(yīng)用的試驗(yàn)要求對(duì)直流套管進(jìn)行了力學(xué)特性分析，考慮到套管運(yùn)行時(shí)的自重因素，增加多組試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)直流套管在受到彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)負(fù)荷時(shí)，其應(yīng)力大小未超過環(huán)氧筒及金屬法蘭的斷裂應(yīng)力值，符合套管的安全運(yùn)行要求。

［1］劉春廷，馬繼.材料力學(xué)性能［M］.北京：化學(xué)工業(yè)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(tǒng)用套管技術(shù)規(guī)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(jí)工程師，從事變壓器類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)工作。