环境荷载下智能变电站预制舱有限元仿真研究

左涛，刘建涛，李敏，宋英杰

环境荷载下智能变电站预制舱有限元仿真研究

左涛1，刘建涛2，李敏3，宋英杰1

（1.乐山一拉得电网自动化有限公司，四川 乐山 614000；2.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 611756；3.乐山师范学院，四川 乐山 614000）

为了验证环境荷载下高性能纤维双层立体组合预制舱的结构强度，以四川省乐山市某110kV智能变电站新建工程高性能纤维双层立体组合预制舱为抗环境荷载性能评估对象，采用有限元动力时程分析方法，并应用SolidWorks、Hypermesh、Ansys等非线性有限元仿真软件，分析并校核了该立体组合预制舱结构在雪荷载及屋面活荷载、10级强风、8级抗震设防烈度荷载作用下是否发生破坏，舱体结构强度是否满足环境荷载要求，是否满足相应服役地区的使用要求。提出了强化双层立体组合预制舱结构强度的建议措施，对确保智能变电站预制舱设备安全稳定运行提供了有价值的借鉴和参考。研究方法可用于复杂框架式结构的强度与刚度计算和评估。

环境荷载；高性能纤维；立体组合预制舱；结构强度；有限元；仿真

智能变电站预制舱结构可靠性是变电站设备安全稳定运行的基础保障，尤其是在积雪及屋面活荷载、强风和地震等环境荷载下，预制舱结构的稳定性能更是重点关注对象。预制舱体围护结构有金属与非金属两种材质形式，目前关于预制舱环境荷载下结构稳定性能方面的文献，普遍研究对象是舱体材料和整体架构为金属钢材的预制舱，现有公开发表的文献资料中，祝德春等[1]和聂建春等[2]研究了以钢型材焊接成型的单层舱体结构体系在环境荷载下的结构稳定性能，李俊等[3]研究了以钢型材为骨架，外蒙玻璃钢单板的单层预制舱在环境荷载下的结构稳定性能，方春阳等[4]研究了双层钢结构预制舱受12级风荷载的结构强度，尚未见以高性能纤维（尤其是玄武岩纤维）复合预制件为舱体围护结构的非金属双层预制舱抗环境荷载的研究文献。因此，开展环境荷载下智能变电站高性能纤维双层预制舱结构强度的研究，对推动非金属预制舱式智能变电站的发展与应用具有重大意义。

本文以四川省乐山市某110 kV智能变电站新建工程高性能纤维双层立体组合预制舱为抗环境荷载性能评估对象，采用有限元动力时程分析方法，并应用SolidWorks、Hypermesh、ANSYS等非线性有限元仿真软件，分析并校核了该双层预制舱结构在雪荷载及屋面活荷载、10级强风、8级地震作用下是否发生破坏，是否满足相应服役地区的使用要求。提出了强化双层立体组合预制舱结构强度的建议措施，对确保智能变电站预制舱设备安全稳定运行提供了有价值的借鉴和参考。

1 高性能纤维双层预制舱立体结构

为节约变电站建设用地，受儿童积木玩具启发，将预制舱设计成上下双层立体组合结构，像搭建积木一样，上层二次组合设备预制舱置于下层一次设备预制舱上面，如图1所示。下层10 kV开关设备预制舱尺寸为长32 100 mm、宽5 000 mm、高3 100 mm，上层二次组合设备预制舱尺寸为长26 400 mm、宽5000 mm、高2900 mm，每一层由多个拼接单元并列焊接组成，上下舱之间通过多点螺栓锁紧和断续焊的形式固定，以增强上下舱之间的连接强度。按此设计既可节约土地资源，又可缩短建设周期和节省工程投资[5]。

图1 高性能纤维预制舱双层立体结构

预制舱整体结构可分为舱体、舱顶和舱底三部分。舱底采用交叉布置的U型钢架支撑，梁采用H形布置的方钢支撑，舱底板采用钢板，与支撑钢架焊接牢固。舱体和舱顶围护结构均采用玄武岩纤维复合预制件，通过干式工法拼装而成。该预制件是一种将玄武岩纤维丝（网、布）、高分子保温材料（岩棉或聚苯乙烯泡沫等）、快硬硫铝酸盐水泥、水、砂、化合物等多种材料按特定比例，经搅拌高压喷射浇筑在用槽钢、钢筋制作成型的模具内，经24小时静置形成的高性能纤维复合材料。由于该复合预制件聚集了高性能纤维、高分子材料和金属钢材的性能优势，从而具有抗冲击能力强、防腐能力强、防辐射性强、隔热性能好、抗冻性能好、隔音性能好、燃烧性能等级高、耐火性能长、耐候性能好等物理性能[6-7]。

其物理性能参数如表1所示。

表1 玄武岩纤维复合预制件物理性能参数

2 双层立体组合预制舱有限元分析模型的建立

进行环境荷载下智能变电站高性能纤维双层预制舱结构强度研究的前提是建立科学的有限元分析模型。

2.1 模型简化

将连接下层和上层预制舱的楼梯部分去除，简化预制舱上层顶盖的形状，将其视为一定倾角的斜坡顶。

将U型钢架（结构尺寸为160 mm×65 mm）和方钢架（结构尺寸为160 mm×1600 mm）视为统一整体。

2.2 几何模型

依照高性能纤维双层预制舱实物测量和工程图测量，利用SolidWorks软件进行编辑，可以建立研究对象几何模型，如图2所示。该模型可以表征双层预制舱的实际几何尺寸和元件连接关系。

图2 双层立体组合预制舱几何模型示意图

2.3 双层立体组合预制舱有限元分析模型

下层10 kV开关设备预制舱内部沿长度方向布置一列18台KYN28-12kV金属铠装移开式开关柜，上层二次组合设备预制舱内部沿长度方向布置两列电力二次设备屏柜，每列各20面二次设备屏柜，预制舱总质量（含设备载荷及预制舱体结构自重）128 000 kg，以均布载荷分布到预制舱底框梁上。将图2的双层立体组合预制舱几何模型导入Hypermesh有限元分析软件，选取舱体拼接单元作为有限元分析单元，建立预制舱整体模型。该模型零件总数1 037个，共划分为133 726个有限元网络单元，193 687个有限元节点。

按照划分的模型网络，加入表1中材料的物理参数，考虑室温环境、重力和残余应力引起结构变形的情况，具体相关边界及载荷等情况如下：

（1）约束条件：对舱底部预埋部分（高度约500 mm）完全固定；

（2）热边界条件：室温25℃；

（3）整体受重力：重力加速度取9.8 m/s2；

（4）静强度载荷分布：将变电站设备自重、人员等简化为平面静力载荷。

据此形成的双层立体组合预制舱静态强度性能有限元分析模型如图3所示。

图3 立体组合预制舱有限元分析模型

3 立体组合预制舱雪荷载及屋面活荷载仿真分析

积雪以静荷载的形式对预制舱顶部施加压力，使舱顶构件产生形变，积雪冰冻后温度变化也会改变钢型材结构的刚度特性[8]。屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算：

式中：S为雪荷载标准值，kN/m2；µ为屋面积雪分布系数；0为基本雪压，kN/m2。

四川乐山地区基本雪压按乐山峨眉山50年重现期的雪压0.55 kN/m2计算；预制舱结构屋面为单跨双坡面，其屋面坡度角为6°；根据文献[10]，当屋面坡度角≤25°时，雪载应按均匀分布考虑，故μ为1.0。分析四川乐山地区冬季覆雪情况后设定预制舱结构顶部积雪厚度为0.3 m，雪的密度取0.7 kg/m³。最后计算得到实际雪载荷S＝5.39 Pa。

根据文献[10]，屋面活荷载中主要考虑的仅是施工或维修荷载，选取设备和人员荷载为L＝500 Pa。由于实际雪载荷相较设备和人员载荷较小，故仿真时选取的静荷载为500 Pa。

带入ANSYS有限元分析软件，最后分析得到的雪荷载及屋面活荷载响应位移云图及响应应力云图如图4所示。

当立体组合预制舱加入雪荷载及屋面活荷载后，整体结构最大应力值为13.84 MPa，最大变形值为0.709 mm，变形量最大位置主要集中在预制舱顶部的中间区域，仿真分析结果表明：预制舱最大应力远小于Q235钢材235 MPa屈服强度，整舱最大应变属于弹性变形区间，预制舱最大应力远小于Q235钢材215 MPa抗弯强度，因此舱体结构强度是足够保证的。

图4 雪荷载及屋面活荷载作用下的预制舱云图

4 立体组合预制舱风荷载分析

横风对立体组合预制舱体受力最大，舱体正面由于面积最大，也是风荷载最为集中的地方[9]，故考虑将10级风荷载（风速约为28.4 m/s）形成的风压全部作用在上下预制舱正面，并转化为预制舱迎风面的各个节点受到的等值节点力，计算出相关节点的应力变形、位移变形的分布图，从而验证结构的强度和设计方案的合理性。

风载荷计算方法按照文献[10]，垂直于建筑物表面的风荷载标准值按下式计算：

式中：W为风荷载标准值，kN/m2；β为高度处的风振系数，按规定，预制舱结构可不考虑风压脉动对结构产生风振的影响，遂取值1.0；µ为风荷载体型系数，按文献[10]第8.3.1条，当屋面坡度角≤15°时，取值0.6；µ为风压高度变化系数，取值1.0；0为基本风压，kN/m2。基本风压按10级强风计算，得到的风荷载标准值W＝0.504 kN/m2。

根据舱体尺寸，可得下层预制舱正面迎风面面积A＝32 100 mm×3 100 mm≈99.51 m2；上层预制舱正面迎风面面积A＝26 400 mm× 2 900 mm≈76.56 m2。

经计算可知，10级强风对下层预制舱正面迎风面产生的风压力F＝50 153.04 N；10级风对上层预预制舱正面迎风面产生的风压力F＝38 586.24 N。

代入ANSYS有限元分析软件，添加风荷载约束后得到的立体组合预制舱位移云如图5所示。

可见，通过有限元分析结果可知，该立体组合预制舱最大变形处位移为0.061 mm，位于上层舱底部与下层舱结合部位，这是因为当大风来袭时，由于预制舱体的传导作用，舱体迎风面受到了的风压力，被分散到舱体各个支撑节点进行受力平衡，而上下层舱通过多点螺栓锁紧和断续焊的形式固定的，因此该部位是整个舱体受力最薄弱点，受到力矩最大，造成变形量最大。但是该位移变形量在材料物理参数的约束允许范围内，因此舱体结构整体完好，可以保持稳定不被破坏。

图5 风载荷作用下的预制舱结构位移云图

5 立体组合预制舱地震荷载分析

为了准确分析双层立体组合预制舱抗震性能（随机振动性能），首先需要分析立体组合预制舱在1～6阶六个自由度的响应情况。

5.1 立体组合预制舱结构模态性能分析

与高层建筑结构自振周期特性不同，立体组合预制舱结构通过玄武岩纤维复合预制件干式工法拼装形成。其固有频率应按模态分解法计算。设立1～6阶的响应，取1～6阶振动频率如表2所示。

表2 振动阶数对应频率

将振动频率带入有限元分析软件中，将形变大小扩展到5000倍后，得到1～6阶模态振动相应云图。

5.2 加速度反应频谱

反应谱依照国家强震动观测数据库提供的2008年5月12日四川省汶川8级强震的地震加速度反应谱数据，以及强震动记录时间历程数据。通过对地震数据的位置进行筛选，选取绵阳市安州区（安县）塔水站台获取的信息作为样本。挑出样本中NS（南北）方向，即朝着立体组合预制舱正面的方向（坐北朝南）进行有限元仿真分析。

通过Matlab软件对数据做傅里叶变换，获得加速度反应频谱如图6所示，取NS方向加速度频谱进行地震仿真。

5.3 立体组合预制舱抗震性能分析

通过有限元分析软件，在固有频率性能分析基础上，输入NS方向加速度反应频谱（PSD加速度），得到8级地震振动情况下的位移云图、应力云图如图7所示。

图6 加速度频谱（NS方向）

可见，通过有限元分析结果可知，该立体组合预制舱最大变形处位移为0.921 mm，位于上层舱顶部位，这是因为地震波来袭时，预制舱的水平载荷和垂直载荷被分散到舱体的支撑点进行受力平衡，各支撑点由型钢固接构成无铰钢架受力结构，最大应力处受压为18.81 MPa，发生在下层预制舱顶部（即上层预制舱底部）部位，这是因为钢架的上梁中部是受力薄弱点。但是该位移变形量和最大应力，均在材料物理参数的约束允许范围内，因此立体组合预制舱结构整体完好，可保持稳定不被破坏。

图7 8级地震作用下的预制舱云图

6 结束语

从仿真研究结果可以得出如下结论：

（1）在雪荷载及屋面活荷载、10级强风、8级地震等荷载作用下，该二次组合设备和开关设备立体组合预制舱结构整体完好，可以保持稳定不被破坏，满足规范要求，能够满足相应服役地区的使用要求。

（2）对玄武岩纤维复合预制件生产质量的控制好坏和对干式工法拼装工艺的过程控制好坏，决定了双层立体组合预制舱的整体结构力学性能。

（3）焊接形式对提高局部力学性能有着重要作用，而上下层舱就是通过多点螺栓锁紧和断续焊的形式固定的，本次仿真结果也是基于焊接过程无虚焊、漏焊的前提条件下计算而得的，因此应当特别重视焊接过程的工艺控制，减少焊接连接处的腐蚀，确保焊接质量。

[l]祝德春，吴明. 环境载荷下智能变电站预制舱结构强度有限元分析[J]. 机械与电子，2016，34（10）：30-33.

[2]聂建春，席向东，张振，等. 预装式变电站在内蒙古地区的应用分析[J]. 电力勘测设计，2019（10）：32-37.

[3]李俊，苟旭丹，李松涛，等. 智能变电站新型复合材料预制舱技术研究[J]. 智能制造，2016（12）：54-56.

[4]方春阳，谢春洋，殷帅兵. 双层预制舱风载工况结构强度分析[J]. 科技视界，2020（26）：36-37.

[5]左涛，张新太. 高性能纤维预制舱式智能变电站研究与应用[J]. 高电压技术，2021，47（ZK1）：7-12.

[6]张新太，左涛．高性能纤维复合材料预制舱的技术价值和发展举措[J]．输配电观察，2020（3）：83-84.

[7]张新太，左涛．试验新材料获得新性能[J]．电力科技通讯，2020（2）：58-61.

[8]王楠，任慧龙，王晓天，等. 高寒地区浮桥环境载荷与强度评估[J]. 武汉理工大学学报，2014，36（8）：62-68.

[9]陈勇，戴斌，周云斌. 基于有限元原理的110 kV预装式变电站箱体受力分析[J]. 云南电力技术，2014，42（4）：60-63.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 建筑结构荷载规范：GB 50009－2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

Finite Element Simulation Study of Prefabricated Cabin in Intelligent Substation Subjected to Environmental Loads

ZUO Tao1，LIU Jiantao2，LI Min3，SONG Yingjie1

(1.Leshan ELECT Electrified Wire Netting Automation Co.,Ltd., Leshan 614000,China;2. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong Universit, Chengdu 610031,China; 3.Leshan Normal University, Leshan 614000,China)

The purpose of this paper is to verify the structural strength of the high-performance fiber double-layer three-dimensional combination prefabricated cabin subjected to environmental loads. The prefabricated cabin of a new 110 kV intelligent substation in Leshan city, Sichuan province is used as the object of environmental load performance evaluation. Finite element dynamic time history analysis is adopted. Nonlinear finite element simulation softwares such as SolidWorks, Hypermesh, and ANSYS are applied to analyze and verify the occurrence of damage subjected to the snow load and roof live load, whole gale, and the 8-level seismic fortification. Whether the structural strength of the cabin body meets the environmental load requirements, and whether it meets the requirements for use in the corresponding service areas, are also analyzed and verified. Measures to strengthen the structural strength of the prefabricated cabin are proposed, which provides valuable reference for ensuring the safe and stable operation of the prefabricated cabin equipment in the intelligent substation. The research methods can be used to calculate and evaluate the strength and stiffness of complex framing structures.

environmental loads；high-performance fibers；three-dimensional combination prefabricated cabin；structural strength；finiteelement；simulation

O242.21

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.09.008

1006-0316 (2023) 09-0053-07

2022-10-17

2020年四川省科学技术厅第一批省级科技计划项目——220kV环保型模块化智能变电站（2020ZHCP0024）

左涛（1977－），男，四川彭山人，硕士，教授级高级工程师，主要从事500 kV及以下成套电力开关设备的研发和设计、制造工作，E-mail：77733484@qq.com；刘建涛（1982－），男，河北石家庄人，博士后，副研究员，主要研究方向为机械和电力设计及理论、计算力学与CAE开发等。