箱式变电站箱体设计与力学性能分析

发布时间：2020-07-28 10:54

【摘要】：箱式变电站作为电网线路的连接点,由于长期暴露在室外,极易受到外界环境和机械因素的影响。因此,对箱式变电站箱体进行设计并研究它在极端条件下的力学性能具有重要的实际应用价值和研究意义。本文在分析国内外研究现状的基础上,根据新疆地区独特的地形和气候特点提出了箱式变电站的设计要求,设计了应用于新疆地区的箱式变电站箱体结构;根据箱体的受力特点,对其强度进行了校核计算,验证了结构设计的合理性。根据新疆地区的气候特点,对箱式变电站箱体受到风载荷、雪载荷和风雪组合载荷情况下的性能进行了静力学分析和屈曲稳定性分析,结果表明:在上述三种状况下,箱体受到的最大等效应力均小于材料的许用应力,满足箱体的防风抗雪强度设计要求,且在上述三种情况下,箱体不会发生屈曲失稳。对于外观尺寸形状相同的箱式变电站,在不同工况下的力学性能存在差异,通过Visual Basic调用ANSYS软件,设计了一套针对不同材料、不同工况的箱式变电站防风抗雪力学性能分析软件。研究了立柱与墙板间连接形式的抗风性能,确定了立柱与墙板间的螺栓连接形式,建立了螺栓和螺栓连接系统的模型,分别对螺栓在仅受预紧力作用和同时受预紧力和风荷载作用两种工况下的应力和变形进行分析。结果表明:在上述两种情况下螺栓的最大应力都没有超过许用应力的范围,应力存在一定的裕度,立柱与墙板间的螺栓连接满足抗风性能的要求。利用有限元分析软件对箱式变电站箱体的支撑立柱截面进行优化设计,优化后的结果表明:优化后的角立柱边长为175mm,边立柱的边长为140mm;在满足抗风雪性能要求的条件下,角立柱的质量减轻了 12.9%,边立柱的质量减轻了 13.51%,实现了轻量化的要求。根据新疆地区的地形特点,以8度地震烈度的地震加速度反应谱作为激励,利用响应谱分析法对优化后的箱式变电站箱体在X方向、Z方向、Y方向、X+Y方向、Z+Y方向激励下的抗震性能进行研究。分析表明:箱式变电站箱体在不同地震加速度反应谱下受到的最大应力均小于材料的许用应力,满足抗震设计要求,且水平方向地震响应大于竖直方向,宽度方向大于长度方向。本文对箱式变电站箱体进行结构设计并对其力学性能进行分析,为后续特殊环境下箱式变电站箱体的设计提供了新思路。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM63
【图文】：

箱式变电站,箱变

式箱变基础上设计的，由于当时箱变体积较大，我国从２０世纪９０年代起，逐逡逑步引入了美国箱式变电站［８］，美式箱式变电站是组合式变电站。欧式箱变和美逡逑式箱变的外观如图１－１所示，国产箱变在是在美式箱变的基础上发展来的。国逡逑产箱变的各部分结构相互独立，根据功能特性分别安装在变压器室、高压开关逡逑室、低压开关室中，且通过导线将各部分连接成一个完整的供电系统。逡逑！？邋＇ＷＭ邋？逡逑ｓ邋－逦？逦？？逡逑＇邋ａ逦ｒ邋－逡逑ｉ邋ｉ邋：逦ｖ逡逑（ａ）欧式箱式变电站逦（ｂ）美式箱式变电站逡逑图１－１箱式变电站逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｂｏｘ－ｔｙｐｅ邋ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ逡逑相比传统土建变电站建筑面积大、施工周期长、资源浪费高的缺点，箱式逡逑变电站采用预装型设计，箱式变电站箱体和一次设备在工厂完成制作后，运输逡逑至现场进行安装，大大缩短了建设周期，提高了工作效率。箱式变电站箱体主逡逑要由底座、外壳、顶盖组成，其中外壳材料主要有金属材料外壳和非金属材料逡逑外两种。金属材料外壳一般有普通钢板、铝板、不锈钢板和彩钢板等，为保证逡逑外壳具有足够的强度和刚度

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２．１．３有限元分析基本流程逡逑ＡＮＳＹＳ邋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ是ＡＮＳＹＳ公司推出的协同仿真环境，是一个集多学科逡逑于一体的ＣＡＥ仿真系统［３９］，如图２－１所示，ＡＮＳＹＳ邋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元分析流逡逑程大致可分为以下几个阶段：逡逑开始逡逑－邋－■逡逑逦＾逦逡逑定义材料属性逡逑逦＾逦逡逑创建几何模型逡逑Ｉ逡逑创建有限元模型逡逑■－逦＿逡逑分析与求解逡逑后处理逡逑结束逡逑图２－１邋ＡＮＳＹＳ邋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元分析流程逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ＡＮＳＹＳ邋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ邋ｆｉｎｉｔｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔ邋ａｎａｌｙｓｉｓ逡逑（１）

示意图,应力,示意图,弹性应变

丨Ｆ丨为作用到结构上的外力矢量；＆丨为结构节点的位移矢量；为逡逑结构整体的刚度矩阵；ｐｉ为弹性应变；＆丨为材料应变向量，它可以用各个逡逑组成分量表示，如图２－２所示：逡逑｛ｃｊ｝邋＝邋［（Ｊｘ邋ａｙ邋ａ：逦ｃｒｘｙ逦ｃｒ：ｘＪ逦（２＂８）逡逑｜＜Ｊｙ逡逑／ｕ／邋％逡逑Ｊ＿邋ｘ逦Ｏｘ－—0２Ｘ￣］邋NB一ＣＴｌ逡逑ｏｉｙ邋ｉＵｒ？＝．．ＣＴ！………逡逑ｏｒ／逦ａ，／逡逑ａｘｙ＞－？…丫，逡逑ｆ逡逑0ｙ逡逑图２－２各向应力示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｓｔｒｅｓｓ邋ｉｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ逡逑材料的弹性应变由普通应变丨ｅ｝和热膨胀ＰＩ两部分组成，所以式（２－７）逡逑可以改写为：逡逑神”＋邋［心｝逦（２－９）逡逑其中，［尺；１＿１为挠度矩阵，其值可用以下公式求得：逡逑＼／Ｅｘ邋－Ｖｉｙ／Ｅｘ邋－ｖｘＪＥｘ邋０逦０邋0逡逑＿ｖｙＪＥｙ邋ｙＥｙ逦￣ＶｙＪ邋Ｅｙ逦０００逡逑ｒＫ］，＝邋￣ｖＪＥ：逦Ｖ４邋0邋0邋0逡逑Ｌ邋Ｊ邋０逦０逦０邋ｌ／Ｇ＾邋０逦０逦（２－１０）逡逑０逦０逦０逦０逦＼／Ｇｙ．逦０逡逑０逦０逦０逦０逦０逦＼／Ｇｘ：逡逑其中，Ｖ为泊松比，￡为弹性模量。［火广为对阵矩阵，那么有以下关系存逡逑在：逡逑１１逡逑

【参考文献】