基于ANSYS的大型电力变压器地震仿真分析

发表时间：2019-07-17T11:15:58.230Z 来源：《河南电力》2018年23期作者：叶良

[导读] 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。

（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。