（中山ABB变压器有限公司）
摘要：依据GB 50260-2013，GB50011-2010和Q/GDW 11132-2013标准仿真计算了变压器在地震、自重、变压器内部油压的各种可能的工况，对静力学、模态、响应谱、时程动力进行分析，对变压器承受的应力分布进行评估。得出经验系数，地震反应谱的最大峰值加速度为水平地面加速度的2.5倍，对所有可能承受强烈地震作用力的部件，按响应谱峰值加速度进行保守的静力学计算。
关键词：ANSYS；电力变压器；地震；仿真分析；模态分析；响应谱分析；时程动力分析
1 引言
变压器作为变电站中的关键设备，一旦发生破坏将导致相关线路的失效，进而影响整个输配电系统的正常运行。为了提高输配电系统的安全性，保障其在震中和震后的正常运行，进行变压器的抗震性能和减震技术的研究已经成国内外地震工程研究的重要课题之一。
本论文针对220kV大型油浸式电力变压器力学强度的有限元分析。变压器三维模型、使用材料属性及质量信息均来自ABB变压器，计算工况源自GB50260-2013? GB50011-2010和国家电网公司企业标准 Q/GDW 11132-2013《特高压瓷绝缘电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程》。我们主要计算变压器的主箱体、框架、散热器及主要附件的应力分布，对静力学、模态、响应谱进行分析。通过有限元仿真计算，校验变压器强度。
《电气设施抗震设计规范》适用于抗震烈度6度至9度地区新建和扩建的电力设施的抗震设计，其中指出，变压器套管可以简化为悬臂多质点体系，并且要求计入法兰连接刚度。该规范附则中还指出变压器的出线套管抗震设计应考虑变压器本体的动力 响应放大作用，建议取 2.0，在这一点上，我国规范参 考了IEEE693 标准。同时还规定对变压器仅进行套 管的抗震测试，再乘以变压器本体的动力响应放大系数。根据以上的分析比较，变压器抗震设计主要规范对比对比结果如表1 所示。
表1 抗震设计方法对比表
2 仿真软件
主要使用了ANSYS Workbench 软件的前处理（pre-processing）、有限元分析模块（Static-structural/Modal/Response Spectrum）及有限元后处理模块（post-processing）。
利用ANSYS计算地震力除了反应谱分析法之外还有时间历程响应分析法。时间历程响应理论的分析方法是通过输入对应于工程场地的若干条地震加速度记录或人工加速度时程曲线，通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态随时间变化的全过程，并以此进行结构构件的界面抗震承载力验算和变形验算。
结构的地震分析根据现行抗震规范要求，一般分为以下两类：基于结构自振特性的地震反应谱分析和基于特定地震波的地震时程分析。
2.1分析过程
使用有限元软件进行地震分析。更复杂结构的分析其基本过程也与之类似。
（a）模态分析
（b）谱分析
（c）地震反应谱输入
（d）地震时程输入
（e）时程动力分析。
3 仿真输入数据
3.1 几何模型
应用有限元对变压器整体模型简化，包括冷却器及支架，储油柜及支架，套管及升高座等。
3.2 重量
对于220kV大型油浸式电力变压器，模型简化后的重量与变压器重量一致，对于不做分析的部件重量采用质点方式处理。
3.3模型离散
本报告中的有限元模型建模及分网等前处理完成。模型分网选用四面体实体单元、六面体实体单元、四节点壳单元联合划分，主要附件采取质量点的形式添加，其他质量偏差通过非结构质量补齐。有限元分网后的模型如下图1。
3.5载荷及边界条件
3.5.1 载荷
变压器站址处于高海拔、高地震烈度、日温差大、紫外线强、超低温的地区。
基于标准Q/GDW 11132-2013要求，经过分析载荷主要有以下：
1）重力载荷（Standard Earth Gravity）。重力载荷方向为Z轴的负方向，重力加速度取9.8m/s2。
2）静水压力（Hydrostatic pressure）。由于变压器内部存油，所以容器内壁受到静水压力作用，压力大小与油的密度和到自由面的距离有关。
3）风载（Wind load）。根据客户提供的环境条件，变压器受到35m/s的风力作用，等效成压力为765Pa。所以在设备的最大迎封面上加上765Pa的压力，四个方向共四个载荷工况。
4）地震载荷（Seismic load）。根据标准的要求，地震载荷加速度可以按最大支架放大系数2 倍输入，对支架与电气设备作为一个整体进行抗震评估。所以水平向的基本加速度按0.3*2进行计算（见图3），垂直向基本加速度按0.24*2进行计算（见图4）。
图4 变压器应力云图
4.2.2 组合自重荷载、100 年一遇大风风荷载、设备内部压力载荷工况，四个方向风载的四个载荷工况中最大应力结果。
从仿真结果得出，最大有效应力值为 112.81 MPa，相对 Q345 钢的屈服强度值 345Mpa，设备荷载长期作用时安全系数为 3.06 大于 2.5 满足设计要求。
局部有应力集中区域，是由于几何模型和网格划分的质量所影响，应力集中区域面积小于一个网格，属于局部应力集中，对仿真结果没有影响。
5 结论
针对 220kV大型变压器力学强度的有限元分析。结论如下：
1）地震和风载的计算工况源自GB50260-2013? GB50011-2010和国家电网公司企业标准 Q/GDW 11132-2013《特高压瓷绝缘电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程》；
2）220kV变压器的模态分析满足设计要求，各方向的有效质量都超过 95%；
3）组合地震、自重荷载、0.25 倍大风荷载、设备内部压力四种荷载工况，最大应力仿真结果显示：最大有效应力值为 199.87 MPa，相对 Q345 钢的屈服强度值 345Mpa，设备抗震安全系数为 1.73 大于 1.67 满足设计要求；
4）组合自重荷载、100 年一遇大风风荷载、设备内部压力四个方向的风载荷载工况，最大应力仿真结果显示：最大有效应力值为 112.81 MPa，相对 Q345 钢的屈服强度值。
结果显示，220kV变压器的结构设计符合地震标准要求。
6 经验系数
按地震设计的相关标准，根据ANSYS分析结果对比得出：地震反应谱的最大峰值加速度为水平地面加速度的2.5倍。变压器结构的阻尼系数取值5%。
标准按照地震烈度7度，水平地面加速度为2 m/s2。协议要求地震烈度6度，风载荷影响较小，设计裕度大忽略不计。
地震反应谱最大峰值加速度计算如下：
ax = ay = ag ? ? ? 2.5
系数?考虑粘带阻尼ξ = 5%，如下式：
= 1
则有水平方向最大加速度：
ax = ay = ag ? ? ? 2.5 = 2 ? 1 ? 2.5 = 5 m/s2
竖直方向加速度取水平加速度的90%，即：
az = 0.9 ? ax= 4.5 m/s2
对所有可能承受强烈地震作用力的部件，按响应谱峰值加速度进行保守的静力学计算。安全系数 Sf大于1.67。
参考文献：
[1]谢毓城. 电力变压器手册[M]. 机械工业出版社，2014（6）：209-223.
[2]王仕统。结构稳定性。广州：华南理工大学出版社，1997
[3]CAE应用联盟组编. ANSYS Workbench 16.0理论解析与工程应用实例. 机械工业出版社
[4]机械工程手册编委会编.机械工程手册. 第2版. 北京：机械工业出版社，1996
论文作者:叶良
论文发表刊物:《河南电力》2018年23期
论文发表时间:2019/7/17
标签：变压器论文; 加速度论文; 载荷论文; 应力论文; 荷载论文; 工况论文; 模型论文; 《河南电力》2018年23期论文;