2 250 kV工频变压器绝缘台结构受力分析

李胜军，王 南

（1.天津市水利科学研究院，天津 300061；2.天津市水利勘测设计院，天津 300074）

1 前言

2 250 kV工频变压器增压改造工程位于华北地区某变电站内，原1 500 kV工频变压器建于1984年4月，该工程20多年来发挥了很大作用。鉴于近年来生产需要，拟从1 500 kV增压至2 250 kV，为此需对原绝缘台及其基础进行重新设计改造。变压器绝缘台主体结构高度约11 m，由高强度绝缘瓷瓶组成，瓷瓶之间由钢板和法兰连接并在层间设置钢梁。绝缘台顶部设变压器承重钢梁，为提高绝缘台整体结构的刚度和稳定性，在绝缘台的4个立柱上设置玻璃钢锚索并施加预应力。

陶瓷是无机非金属材料，是用天然的或人工合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的多晶固体材料。陶瓷是一种脆性材料，它的抗压强度比抗拉强度大得多，一般在10倍左右。陶瓷不仅在循环荷载下存在机械疲劳，其含义比金属要广，存在静态疲劳、动态疲劳、循环疲劳。瓷瓶破坏的原因很多，结构受力不均匀、应力集中、振动等都可能造成瓷瓶破坏甚至断裂。下面利用ANSYS有限元分析软件，建立瓷瓶、桁架、钢梁、锚索等组成的绝缘台整体结构力学模型，分析变压器承重钢梁的强度和稳定性以及绝缘台整体结构在静力和地震荷载下的受力情况，并对结构设计提出建议。

2 变压器绝缘台整体结构计算模型及参数

2.1 有限元模型

计算采用大型通用有限元ANSYS软件。变压器绝缘台主体结构的绝缘瓷瓶、连接钢板、基础均按空间块体单元进行划分，各层钢梁采用空间梁单元划分，各层瓷瓶支撑和4根拉锚采用空间桁架单元划分，变压器及各层放电环划分为集中质量单元。梁单元与块体单元的相交节点采用约束方程进行技术处理，以保证其变形的协调性。变压器绝缘台主体结构有限元模型，如图1所示。

图1 变压器绝缘台主体结构有限元模型

2.2 荷载施加

变压器总质量为300 kN，按集中质量单元施加在绝缘台顶部2根承重钢梁上计算，按照实际作用位置每边各施加在13个单元上，每个单元集中质量为11.54 kN；顶层放电环重35.0 kN，按集中质量单元沿顶层4根钢梁均匀施加计算，共施加在68个单元上，每个单元集中质量为0.46 kN；其余4层放电环分别重12.5 kN，按集中质量单元沿每层4根钢梁均匀施加计算，共施加在68个单元上，每个单元集中质量为0.18 kN；玻璃钢锚索直径为40 mm，锚索截面积为1 256.6 mm2，将预张力折算成初始应变施加在锚索上，求得相应的初始应变为3.86×10-5kN；结构其余部分，均按照实际重量施加。

2.3 梁截面特性

绝缘台顶部变压器承重钢梁采用20 mm厚钢板焊接而成；层间钢梁采用18号槽钢背靠背焊接；钢支撑采用国标100钢管，外径114 mm，壁厚4 mm。

2.4 荷载工况

对应上面的模型，分别计算了静力工况和动力工况，每种工况又分别按照0、10、50 kN对锚索施加预应力。

3 变压器绝缘台整体结构静力分析

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定，梁挠度容许值＜l/400时，可知梁挠度的最大容许值为11.63 mm；同时，还规定，16～40 mm厚3号钢的抗拉、抗压强度为205 MPa。经结构静力计算，求得在300 kN变压器荷载的作用下绝缘台顶部变压器承重钢梁的最大挠度为5.15 mm。结构最大拉应力发生在梁底部、为81.1 MPa，结构最大压应力发生在梁顶部、为186.0 MPa，故变压器承重钢梁满足规范规定的强度和稳定性要求。变压器绝缘台顶部承重钢梁结构受力，如图2所示。

图2 变压器绝缘台顶部承重钢梁结构受力

计算表明，绝缘台的整体结构质量（含300 kN变压器质量）为833.5kN。绝缘台的主体结构及立面各瓷杆珩架内均承受压应力，最大压应力发生在基础底部，锚索预应力分别为0、10、50 kN时对应的最大基底压应力为3.40、3.44和3.76 MPa，其数值远小于周耀华[2]等人试验测出的高强度绝缘瓷瓶21.5 MPa的抗压强度。所以，在仅考虑重力和锚索预应力作用时，绝缘台是安全的。

4 变压器绝缘台整体结构动力响应分析

已有的研究表明，户外高压瓷瓶除了生产过程中的制造缺陷、运输安装过程中人为累积损伤造成断裂外，循环荷载、冲击负荷、振动、风压等荷载的叠加及往复作用是造成瓷瓶断裂的主要原因。为此，设计时考虑地震引起变形产生的力，对估价绝缘台结构的承载能力是十分重要的。

4.1 地震作用的动力学理论

动力学理论主要包括模态分析、反应谱理论、随机震动等非线性振动理论，以及现在数值仿真及有限元分析常用到的时程分析法。模态分析可以确定设计中结构的振动特性，如频率和振型；也可以作为其他更详细的动力分析基础。反应谱理论对于任意给定的地震输入和已知的结构阻尼比，把谱速度作为结构的自振频率或周期的函数来进行计算，对于每一种频率给出谱速度值的一个点，在一定的有实际意义的结构周期范围内把这些点连起来，就得到速度反应谱，按照反应谱的相关关系式就可得到位移反应谱和加速度反应谱。由于加速度反应谱直接与地震作用力有关系，所以各国的抗震设计规范一般都给出加速度反应谱。我国的 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）也是这样。根据国内外数百条地震记录的反应谱进行统计分析后，得到了水平反应谱曲线，如图3所示。

图3 地震水平反应谱曲线

依据 《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001），该变压器绝缘台所处的场地地震动峰值加速度为0.15 g，对应地震烈度为7度，水平地震响应系数最大值为0.12。为此，得到本结构的地震响应曲线为：

根据 《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2004）可将变压器绝缘台的抗震设防类别设为乙类。按地震造成的损失、社会影响程度等各因素综合考虑分析，乙类建筑属于地震破坏后会产生较大影响或造成相当大的经济损失的建筑。

4.2 动力响应分析

4.2.1 模态分析

模态分析可以确定设计中结构的振动特性，如频率和振型；也可以作为其他更详细的动力分析基础。使用变压器绝缘台所在的地区地震波进行地震分析，采用Block Lanczos法分析变压器绝缘台整体结构的前15阶频率，结果见表1。

表1 结构各动力工况的自振频率和谱值

4.2.2 水平地震分析结果

结构动力有限元分析表明，在水平地震力作用下结构多为弯曲变形，结构的最大动位移出现在上部，最大动应力出现在结构中上层位置，该位置为梁、斜支撑、瓷瓶和钢板的交界处，构造非常复杂。结构沿水平x和y方向的动位移、节点动应力见表2。

表2 结构沿水平x和y方向的动位移、节点动应力

分析结构动位移可以看出，在4个端点施加预应力锚索对绝缘台整体结构起到了预压作用，提高了绝缘台的抗弯能力。随着锚索预拉力的增加，结构动位移有所减小。

分析结构动应力可以看出，地震时结构3个方向的拉应力大约在2.05～2.50 MPa，水平剪应力约为1.13 MPa。根据周耀华等人的试验结果，该应力水平距瓷瓶破坏应力仍有较大的富余度。

5 结语

（1）在绝缘台4个端点施加预应力锚索，对绝缘台整体结构起到了预压作用，在一定程度上增加了结构的刚度，提高了结构的抗弯能力，有利于结构的静力稳定性，但对结构地震时的加固效果尚需进一步分析研究。当施加5t锚固力时，结构基底压力增加9.5%。根据已有的工程经验，建议锚固力应小于结构自重的10%。

（2）循环荷载、冲击负荷、振动、风压等荷载是造成户外高压瓷瓶断裂的主要原因之一，为此做好绝缘台的减震措施是至关重要的。叠合钢板橡胶支撑隔震是当前发展较快、比较成熟、前景广阔的一种隔震方法。叠合钢板橡胶支座已广为世界各国所接受，我国在多层钢筋混凝结构及砖混结构中亦有许多应用实例。建议在绝缘台基础设置叠合钢板橡胶支座，延长结构的基本自振周期，适度增大钢板橡胶支座的阻尼，以更多吸收传入结构的振动和地震能量，从而有效降低建筑物对振动和地震的反应。