换流变压器套管洞口封堵抗爆性能研究

赖余斌，洪巧章

(南方电网能源发展研究院有限责任公司，广州 510000)

换流变压器套管洞口封堵是阀厅结构的薄弱环节，换流变压器运行时带有大量的绝缘油，在发生内部故障的情况下，具有发生火灾和爆炸事故的可能性。国内外的直流换流站工程均发生过换流变压器爆炸事故，轻则导致换流变压器及套管洞口封堵的破坏，重则进一步引起阀厅结构的倒塌破坏，甚至损坏阀厅内设备，严重影响电网运行安全。为了提高变压器套管洞口封堵的抗爆性能，目前已建换流站工程中，主要是以方钢龙骨与不锈钢抗冲击板形成抗爆窗，再与在阀厅防火墙洞口室外侧设置的主钢框架连接形成防爆封堵结构方案[1]。该方案封堵结构厚度和自重较大，不便在变压器就位后的狭小空间进行安装。该文依托某±1 100 kV换流站工程，对高端阀厅的换流变压器套管洞口封堵结构进行了优化，并采用通用有限元软件，对其进行0.1 MPa和1.0 MPa超压爆炸荷载作用下的非线性有限元分析，模拟封堵结构的爆炸响应，了解其变形、应力、破坏模式及薄弱环节，为换流变压器套管洞口封堵的结构设计提供参考。

1 封堵结构抗爆性能研究

1.1 封堵结构方案

换流变压器套管洞口尺寸可达7 m×7 m，封堵结构主框架跨度达8 m，综合考虑主框架的抗爆炸冲击荷载承载力和安装空间要求，选择工程中常用的HW200×200型钢作为主框架。次龙骨考虑间接承受抗爆炸冲击承载力和减少换流变压器穿墙套管封堵金属结构中产生涡流损耗，选择304不锈钢方钢管□80×6。

3 mm厚奥氏体304不锈钢抗冲击板与封堵结构龙骨之间采用不锈钢自攻螺钉连接，封堵板在洞口附近局部区域采用1×4布置，在其他区域采用2×4布置(如图1～图2)。

1.2 爆炸荷载

换流变压器套管洞口封堵结构抗爆设计的爆炸源主要是绝缘油，其爆炸类型为有压气体，及高温高压的可燃液体溢出到空气中形成气溶胶点火的蒸汽云爆炸。蒸汽云爆炸产生的冲击波作用时间短、荷载大，是一种瞬时荷载[2]，典型的爆炸冲击波形状如图3所示。

课题为模拟换流变压器绝缘油爆炸对套管封堵结构的冲击波作用效果，采用基于CONWEP动态加载的爆炸荷载，模拟套管封堵结构在峰值反射超压0.1～1.0 MPa下的爆炸荷载响应，如图4所示。

1.3 封堵结构有限元模型

对选定的换流变压器套管封堵结构，采用通用有限元软件ADINA建立有限元模型，并对封堵结构龙骨、不锈钢板进行有限元网格划分。进行具体模型分析之前，需要先研究清楚组成模型的各结构材料的本构关系。在此次分析中，主框架龙骨钢材、奥氏体304不锈钢选用动态Johnson-Cook材料模型。Q235钢弹性模量为200 GPa，泊松比0.33，屈服强度293.8 MPa[3]；304不锈钢弹性模量为193 GPa，泊松比0.33，屈服强度277 MPa[4]。

1.4 有限元分析结果

对换流变压器套管洞口封堵结构有限元模型进行计算分析，研究封堵结构框架及不锈钢抗冲击板在0.1 MPa超压的爆炸荷载作用下的动力响应，部分不同时刻下的位移、应力计算结果分别如图5～图7所示。

同时，对换流变压器套管洞口封堵结构进行1.0 MPa超压的爆炸荷载下的动力响应分析，研究封堵结构在极限爆炸荷载工况下的破坏状态，封堵结构在1.0 MPa超压爆炸作用下的最大变形、应变如图8所示。

最后，对304奥氏体不锈钢抗冲击板与封堵结构龙骨之间采用的不锈钢自攻螺钉连接，从上述整体封堵结构中取出一个典型的、薄弱的板格，进一步建立精细模型，进行0.1 MPa超压的爆炸冲击作用下的失效仿真计算，计算模型如图9所示。

根据换流变压器套管洞口封堵结构在0.1 MPa和1.0 MPa超压的爆炸冲击作用下的弹塑性动力响应分析，可以得出以下主要结论：

a.在0.1 MPa超压的爆炸荷载作用下，钢板整体变形最大值29.7 mm(挠跨比1/259)，框架最大变形16.2 mm(挠跨比1/475)，能满足挠跨比<1/200的要求；3 mm厚不锈钢板的最大应力为405.2 MPa，小于其抗拉强度值515 MPa。

b.在1.0 MPa超压的极限爆炸荷载作用下，304奥氏体不锈钢抗冲击板的最大等效塑性应变5.06%，此时，抗冲击板被撕裂的可能性很小，封堵结构能够保持较好的完整性。

c.不锈钢板与封堵结构框架之间采用的不锈钢自攻螺钉连接间距200 mm时，在0.1 MPa超压的爆炸荷载作用下，螺栓孔附近有较大塑性应变，有少量较小损伤；间距为150 mm时，螺栓孔附近有较大塑性应变，无损伤。

d.304不锈钢板与封堵结构框架之间采用的不锈钢自攻螺钉连接间距减小，不能明显降低螺栓受到的拉力和剪力，但能够改善节点处不锈钢板的承压性能，因此建议自攻螺钉连接间距采用150 mm。

2 结 语

根据选定的换流变压器套管洞口封堵结构方案，结合爆炸源的特点和边界条件，采用非线性有限元分析，模拟换流变压器套管洞口封堵结构在0.1 MPa和1.0 MPa超压下的动力响应，了解其变形、应力、破坏模式及薄弱环节。为后续直流换流站新建和改造项目的套管洞口封堵结构提供了设计依据，对已投运及新建换流站的安全生产运行具有十分重要的指导意义。