換流變壓器套管洞口封堵抗爆性能研究

賴(lài)余斌，洪巧章

(南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣州 510000)

換流變壓器套管洞口封堵是閥廳結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，換流變壓器運(yùn)行時(shí)帶有大量的絕緣油，在發(fā)生內(nèi)部故障的情況下，具有發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故的可能性。國(guó)內(nèi)外的直流換流站工程均發(fā)生過(guò)換流變壓器爆炸事故，輕則導(dǎo)致?lián)Q流變壓器及套管洞口封堵的破壞，重則進(jìn)一步引起閥廳結(jié)構(gòu)的倒塌破壞，甚至損壞閥廳內(nèi)設(shè)備，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。為了提高變壓器套管洞口封堵的抗爆性能，目前已建換流站工程中，主要是以方鋼龍骨與不銹鋼抗沖擊板形成抗爆窗，再與在閥廳防火墻洞口室外側(cè)設(shè)置的主鋼框架連接形成防爆封堵結(jié)構(gòu)方案[1]。該方案封堵結(jié)構(gòu)厚度和自重較大，不便在變壓器就位后的狹小空間進(jìn)行安裝。該文依托某±1 100 kV換流站工程，對(duì)高端閥廳的換流變壓器套管洞口封堵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并采用通用有限元軟件，對(duì)其進(jìn)行0.1 MPa和1.0 MPa超壓爆炸荷載作用下的非線性有限元分析，模擬封堵結(jié)構(gòu)的爆炸響應(yīng)，了解其變形、應(yīng)力、破壞模式及薄弱環(huán)節(jié)，為換流變壓器套管洞口封堵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 封堵結(jié)構(gòu)抗爆性能研究

1.1 封堵結(jié)構(gòu)方案

換流變壓器套管洞口尺寸可達(dá)7 m×7 m，封堵結(jié)構(gòu)主框架跨度達(dá)8 m，綜合考慮主框架的抗爆炸沖擊荷載承載力和安裝空間要求，選擇工程中常用的HW200×200型鋼作為主框架。次龍骨考慮間接承受抗爆炸沖擊承載力和減少換流變壓器穿墻套管封堵金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生渦流損耗，選擇304不銹鋼方鋼管□80×6。

3 mm厚奧氏體304不銹鋼抗沖擊板與封堵結(jié)構(gòu)龍骨之間采用不銹鋼自攻螺釘連接，封堵板在洞口附近局部區(qū)域采用1×4布置，在其他區(qū)域采用2×4布置(如圖1～圖2)。

1.2 爆炸荷載

換流變壓器套管洞口封堵結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的爆炸源主要是絕緣油，其爆炸類(lèi)型為有壓氣體，及高溫高壓的可燃液體溢出到空氣中形成氣溶膠點(diǎn)火的蒸汽云爆炸。蒸汽云爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用時(shí)間短、荷載大，是一種瞬時(shí)荷載[2]，典型的爆炸沖擊波形狀如圖3所示。

課題為模擬換流變壓器絕緣油爆炸對(duì)套管封堵結(jié)構(gòu)的沖擊波作用效果，采用基于CONWEP動(dòng)態(tài)加載的爆炸荷載，模擬套管封堵結(jié)構(gòu)在峰值反射超壓0.1～1.0 MPa下的爆炸荷載響應(yīng)，如圖4所示。

1.3 封堵結(jié)構(gòu)有限元模型

對(duì)選定的換流變壓器套管封堵結(jié)構(gòu)，采用通用有限元軟件ADINA建立有限元模型，并對(duì)封堵結(jié)構(gòu)龍骨、不銹鋼板進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。進(jìn)行具體模型分析之前，需要先研究清楚組成模型的各結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系。在此次分析中，主框架龍骨鋼材、奧氏體304不銹鋼選用動(dòng)態(tài)Johnson-Cook材料模型。Q235鋼彈性模量為200 GPa，泊松比0.33，屈服強(qiáng)度293.8 MPa[3]；304不銹鋼彈性模量為193 GPa，泊松比0.33，屈服強(qiáng)度277 MPa[4]。

1.4 有限元分析結(jié)果

對(duì)換流變壓器套管洞口封堵結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，研究封堵結(jié)構(gòu)框架及不銹鋼抗沖擊板在0.1 MPa超壓的爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，部分不同時(shí)刻下的位移、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

同時(shí)，對(duì)換流變壓器套管洞口封堵結(jié)構(gòu)進(jìn)行1.0 MPa超壓的爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)分析，研究封堵結(jié)構(gòu)在極限爆炸荷載工況下的破壞狀態(tài)，封堵結(jié)構(gòu)在1.0 MPa超壓爆炸作用下的最大變形、應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

最后，對(duì)304奧氏體不銹鋼抗沖擊板與封堵結(jié)構(gòu)龍骨之間采用的不銹鋼自攻螺釘連接，從上述整體封堵結(jié)構(gòu)中取出一個(gè)典型的、薄弱的板格，進(jìn)一步建立精細(xì)模型，進(jìn)行0.1 MPa超壓的爆炸沖擊作用下的失效仿真計(jì)算，計(jì)算模型如圖9所示。

根據(jù)換流變壓器套管洞口封堵結(jié)構(gòu)在0.1 MPa和1.0 MPa超壓的爆炸沖擊作用下的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)分析，可以得出以下主要結(jié)論：

a.在0.1 MPa超壓的爆炸荷載作用下，鋼板整體變形最大值29.7 mm(撓跨比1/259)，框架最大變形16.2 mm(撓跨比1/475)，能滿(mǎn)足撓跨比<1/200的要求；3 mm厚不銹鋼板的最大應(yīng)力為405.2 MPa，小于其抗拉強(qiáng)度值515 MPa。

b.在1.0 MPa超壓的極限爆炸荷載作用下，304奧氏體不銹鋼抗沖擊板的最大等效塑性應(yīng)變5.06%，此時(shí)，抗沖擊板被撕裂的可能性很小，封堵結(jié)構(gòu)能夠保持較好的完整性。

c.不銹鋼板與封堵結(jié)構(gòu)框架之間采用的不銹鋼自攻螺釘連接間距200 mm時(shí)，在0.1 MPa超壓的爆炸荷載作用下，螺栓孔附近有較大塑性應(yīng)變，有少量較小損傷；間距為150 mm時(shí)，螺栓孔附近有較大塑性應(yīng)變，無(wú)損傷。

d.304不銹鋼板與封堵結(jié)構(gòu)框架之間采用的不銹鋼自攻螺釘連接間距減小，不能明顯降低螺栓受到的拉力和剪力，但能夠改善節(jié)點(diǎn)處不銹鋼板的承壓性能，因此建議自攻螺釘連接間距采用150 mm。

2 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)選定的換流變壓器套管洞口封堵結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合爆炸源的特點(diǎn)和邊界條件，采用非線性有限元分析，模擬換流變壓器套管洞口封堵結(jié)構(gòu)在0.1 MPa和1.0 MPa超壓下的動(dòng)力響應(yīng)，了解其變形、應(yīng)力、破壞模式及薄弱環(huán)節(jié)。為后續(xù)直流換流站新建和改造項(xiàng)目的套管洞口封堵結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)已投運(yùn)及新建換流站的安全生產(chǎn)運(yùn)行具有十分重要的指導(dǎo)意義。