变电站构架多支管空间节点有限元分析

变电站构架多支管空间节点有限元分析

祁凌，李云排，刘洪，葛华

（中国电建四川电力设计咨询有限责任公司      四川  成都 610000）

发《当代电力文化》2022年5期

摘要：近年来，社会进步迅速，变电站的建设主要经历了常规变电站、综合自动化变电站、智能变电站的发展历程。智慧变电站是在汲取以往变电站设计建设经验的基础上，采用先进的传感技术对电气一次设备状态、变电站安防、消防、环境、动力等进行全面监视。智慧变电站充分应用现代信息自动化技术，体现本质安全、先进实用、面向一线、运检高效，建设状态全面感知、信息互联共享、人机友好交互、设备诊断高度智能，使运检效率大幅提升。

关键词：变电站构架；多支管空间节点；有限元分析

引言

通过变电站构架整体吊运，基于形变荷载作用下，校正构架整体吊装的垂直度，完成变电站构架整体架设和吊装。实验结果表明，该项设计施工技术的施工稳定度较高，能够有效提高变电站构架整体吊装施工的稳定性，确保变电站构架整体吊装施工安全。

1重要性

在现阶段的变电站建设中，对变电站构架整体吊装施工的要求越来越高。目前针对变电站构架整体吊装施工方面的研究较多，主要是通过起吊机实现对变电站构架整体吊装施工，但该技术由于未考虑形变荷载对变电站构架整体吊装施工质量产生的影响，导致变电站构架整体吊装施工的稳定度较低，无法实现高质量的变电站构架整体吊装施工。由此可见，当前变电站构架整体吊装施工技术中存在显著不足，针对变电站构架整体吊装施工技术的优化设计是具有现实意义的。形变荷载作用指的是物体在受力荷载不断增加的作用下发生形变，进而破坏其自身结构的稳定性。基于此，本文提出在形变荷载作用下变电站构架整体吊装施工技术，以期从根本上提高变电站构架整体吊装施工的稳定性，确保变电站构架整体吊装施工安全。

2智慧变电站相关设备配置原则

2.1一次设备技术方案

一次设备按照“本质安全、差异感知、智能表计、免（少）维护”等要求开展设备选型、设计优化，全面提升一次设备的质量和智能化水平。

2.1.1主变压器

根据电压等级与变电站重要性确定主变压器状态感知终端类型。110kV及以上电压等级变电站的主变压器配置免维护油色谱装置、铁心接地电流在线监测装置、中性点隔离开关双确认微动开关、避雷器数字远传表计、油温远传表计。对500kV及以上重要断面、重要用户的重要变电站，增配声学指纹监测装置、套管介损电容量监测装置、套管压力监测装置等。在线监测IED应采用DL/T860规约上送在线监测数据信息。

2.1.2GIS组合电器

GIS组合电器配置SF6远传表计（含IED）、局放监测装置、隔离开关/接地开关双确认微动开关、避雷器示数远传泄漏电流表。对于500kV及以上重要断面、重要用户的重要变电站，增配弹簧压力监测装置。

2.1.3AIS配电装置

AIS配电装置配置SF6远传表计（含IED）、隔离开关/接地开关双确认微动开关、避雷器示数远传泄漏电流表，无功投切间隔配置机械特性监测装置。对于500kV及以上重要断面、重要用户的重要变电站，增配弹簧压力监测装置。

2.1.4开关柜

金属铠装移开式户内交流高压开关柜（即空气柜）配置局放传感器、双确认装置、电动底盘车。主变进线柜、主变进线隔离柜、分段隔离柜、分段断路器柜配置触头在线测温装置，无功投切间隔配置机械特性监测。在电缆出线较多、供电可靠性要求高的变电站，增配主动干预消弧装置，还可选配母线弧光保护。对户内交流高压气体绝缘金属封闭开关柜（即充气柜），增配SF6远传表计。

2.2二次设备技术方案

二次设备按照“硬件标准、软件可控、信息共享、运检智能”等要求，完善二次设计，推进新设备、新技术应用，全面提升二次系统可靠性和智能化水平。

2.3一键顺控子系统

一键顺控子系统由站端监控主机、智能“五防”、通信网关机、公用测控装置等组成，接入一次设备双确认信息。

2.3.1一次设备双确认实现方法

（1）断路器采用“双位置遥信+遥测量”实现双确认。（2）隔离开关/接地开关采用“双位置遥信+微动开关”实现双确认，也可采用图像识别作为第二判据，并兼顾智能巡检功能。（3）空气开关柜采用“双位置遥信+微动开关”实现双确认，也可采用视频识别方法作为第二判据。充气开关柜采用“双位置遥信+微动开关”实现双确认。

2.3.2智能“五防”

根据“五防”原则，统一典型接线方式防误逻辑规则，实现接地线状态实时采集，对监控主机遥控、顺控操作自动进行同源或非同源原理防误校验，提升遥控、顺控操作的安全性；规范系统操作界面，简化系统硬件配置，制定锁具典型配置与安装方案，消除防误措施强制性不高的缺陷，提高就地操作安全性。

2.3.3压板状态智能判别

建立典型运行方式的压板状态规则库，通过不同监测策略实现触发式和周期式的压板状态自动巡检，根据当前一、二次设备的运行方式快速检索出相关逻辑规则，并对二次压板状态进行智能判断，当监测到压板状态异常时自动推送告警。

3节点极限承载力

节点的极限承载力指的是节点在破坏之前所能承受的最大荷载，是评判节点性能的重要指标。关于极限承载力的判定准则有很多种，对于此节点采用以下判定准则：在对节点采用弹塑性分析法时，得出节点的荷载－位移曲线，若荷载－位移曲线存在明显的极值点或有限元计算不收敛点时，则将此时荷载作为极限承载力。为在计算过程中提高计算效率，所以需对有限元模型进行简化，采用去除节点的有限元模型。本文采用了对结构施加一阶屈曲模态１０％的方法。在２种工况下，节点的荷载－位移曲线如图１所示。由图１（ａ）可知，对于大风工况节点的荷载－位移曲线有明显的极值点。在６．３５倍设计荷载时，荷载－位移曲线达到极值点，此时荷载即为其极限承载力。其破坏形式为支管④的节点板的位移发生突变，产生节点板偏向左侧屈曲破坏，其破坏形式如图2（ａ）所示。对于覆冰工况，节点的荷载－位移曲线也有明显的极值点。在１３．７倍设计荷载时，荷载－位移曲线达到极值点，此时荷载即为其极限承载力。覆冰工况下也是支管④的节点板的位移发生突变，产生节点板偏向右侧屈曲破坏，其破坏形式如图2（ｂ）所示。

图１　各工况荷载－位移曲线

图2各工况极限承载力下节点破坏形式

结语

（１）非线性有限元分析。通过分析可知节点在１．５倍大风和覆冰两种控制工况设计荷载下，各区域应力未超过节点材料的屈服强度，整体应力水平较低，且节点区并未出现较大的变形。（２）节点的非线性有限元分析。通过分析获得节点在大风工况和覆冰工况时的极限荷载，分别是设计荷载的６．３５倍和１３．７倍，模拟获得了该空间多管节点的２种破坏形式。（３）有限元分析结果及极限承载力。分析可知，节点在各工况设计荷载下上具有足够安全裕度，此多支管空间节点在实际工程应用中是安全可靠的，尚且具有进一步优化的可行性。在科技发展越来越迅速的今天，电力设计行业也要与时俱进，不断发展。智慧变电站对于传统变电站设计或许是一个全新的理念，还需要一个试行、摸索、成熟、推广的过程。曾经变电站设计从常规变电站发展到智能变电站，也是经过了长期的摸索和考验才得以发展推广，所以智慧变电站成为未来变电站设计的主流方向也是未来可期。

参考文献

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