智能變電站新型復合材料預制艙技術研究

供稿/國網四川省電力公司經濟技術研究院 李俊 茍旭丹 李松濤許繼集團 張永峰

智能變電站新型復合材料預制艙技術研究

供稿/國網四川省電力公司經濟技術研究院 李俊 茍旭丹 李松濤許繼集團 張永峰

隨著智能變電站的大面積推廣，預制艙作為其核心設備得到廣泛應用。由于預制艙艙體需要適應更復雜、苛刻的條件，其防腐和使用壽命問題尤為重要。本文對智能變電站預制艙的材料、框架結構和受力情況進行了深入分析，結合仿真分析手段，設計出一種新型復合材料預制艙，并根據仿真分析結果進行多次調整，最終完成了智能變電站預制艙框架實施方案，解決了預制艙在腐蝕環境下的耐腐蝕性問題并延長整個艙體的使用壽命，為智能變電站預制艙解決了一項科技難題。

一、引言

預制艙是國網新型預裝式智能變電站的核心設備。目前，國家做出建設資源節約型、環境友好型社會的重大決策，加快經濟發展方式轉變，全力突破發展中的資源環境瓶頸。這一轉變對電力工業發展有著深遠的影響，變電站建設模式必須向減少土地占用、降低造價、縮短建設周期、與周圍環境協調以及提高運行可靠性的模式發展。因此國網推出了具有極大優越性的整站預制式生產模式，并且從2014年開始，每年投入上百億資金建設幾百座變電站。所以開展預制艙關鍵技術的研究具有十分重大的意義。

預制艙采用鋼結構箱房，艙內根據需要配置消防、安防、暖通、照明、通信、智能輔助控制系統及集中配線架（艙）等輔助設施。其環境應滿足變電站二次設備運行條件及變電站運行調試人員現場作業要求。

由于預制艙需要代替原來變電站中的二次基建房屋使用，因此艙體設計的最大難題是防腐和使用壽命，國網在預制艙技術標準規范中明確要求使用壽命為40年。在沿海、靠近化工廠等腐蝕條件惡劣的環境中，此項要求很難達到。

二、現有預制艙防腐壽命方面措施

現有預制艙多采用鋼結構廂房，通過重防腐噴涂來抵御外界腐蝕。由于鋼結構廂房存在大量焊接結構，焊接后會出現大量飛濺、焊渣、氣孔和虛焊等現象，而在噴砂、打磨、除油和處理過程中也難以完全消除不良隱患。噴涂過程中依然會出現流掛、漏刷、針孔、氣泡以及薄厚不均勻等缺陷，缺陷處都為后期發生腐蝕的聚集點。因此鋼結構廂房很難實現40年使用壽命的要求。

所以開展其他新型材料艙體的研究,對于預制艙今后的發展、應用及推廣具有非常重要的意義。

三、新型復合材料預制艙研究

玻璃鋼具有優異的力學性能和超強的耐腐蝕能力，被廣泛應用于風電發電葉片，游艇等產品。因此，預制艙采用玻璃鋼復合材料，可以充分滿足艙體的力學及防腐要求。本文將就玻璃鋼復合材料預制艙力學性能進行詳細設計與研究，并通過SOLODWORKS進行仿真、驗證，以提高設計的準確性與可靠性。

1．預制艙結構研究

預制艙底部采用16號重型槽鋼，排布后整體焊接而成。槽鋼上部鋪設20mm厚水泥纖維板，滿足4KN/m2承重性能參數。底部水泥纖維板與艙底密封，避免水汽由底部進入艙內。艙體底部設置4個可抽拉式起吊軸，起吊軸滿足艙體滿負荷承重下起吊要求。

艙體前、后、左、右墻板及頂板內外蒙皮采用一次成型的5mm玻璃鋼單板，內部采用優質冷軋鋼板多道折彎焊接作為骨架，中間填充40mm聚氨酯保溫材料，保證艙體承重與保溫要求。

由于艙體尺寸太大無法進行實際實驗和檢測，所以通過新型的電子仿真分析手段——SOLIDWORKS軟件進行分析，既能快速有效的仿真分析，又能較為準確的得到結論，為產品設計提供優化設計的方向。

2.艙體力學仿真分析

（1）模型簡化。

玻璃鋼預制艙總重量約13.5t，底座材料采用16#槽鋼拼焊而成，艙體四周立柱采用優質冷軋鋼板多道折彎焊接成骨架，艙體采用兩側四點吊裝，吊點間水平距離7m。在SOLIDWORKS軟件中，通過一系列的模型簡化和處理，簡化模型如圖1所示。

圖1 玻璃鋼預制艙簡化模型

（2）網格劃分。

網格質量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。細化網格可以使計算結果更精確，但是會增加CPU計算時間、需要更大的存儲空間。因此，網格劃分時需要權衡計算成本和細化網格之間的矛盾。借助SOLIDWORKS Simulation，網格劃分結果如圖2、3所示，共有192498個有限元網格單元，有936615個有限元節點。

（3）工況仿真。

根據GB 17467—2010《高壓/低壓預裝式變電站》和GB/T 11022—2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》對預裝式變電站的技術要求，預裝式變電站的外殼應有足夠的機械強度，并應耐受以下的負荷。

圖2 預制艙網格劃分

圖3 網格劃分局部細節

（a）頂部負荷：最小值為2500N/M2（豎向負荷或其他負荷）。

（b）雪（覆冰）負荷：覆冰厚度20mm（惡劣情況）。

（c）風速不超過34m/s（相當于圓柱表面上的700Pa）。

本次預制艙結構強度力學仿真分析主要從預制艙的正面承壓12級風、頂部承載兩種工況進行有限元分析，計算出零部件應力、位移的分布圖，給產品結構設計提供參考。

十二級風工況分析：風速34m/s，風壓力0.75KN/ m2。根據GB/T 4797.5—2008《電工電子產品環境條件分類自然環境條件降水和風》標準文件的4.4節中表3和GB/T 11022—2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》標準文件的2.2.2節，預制艙在工作環境中最大受風風力為12級，即風速不超過34m/s（相應于圓柱表面上的700Pa）。

12級風工況下預制艙強度仿真計算的位移、應力云圖如圖7、8所示。結果表明，最大變形發生在艙體立柱中上部位置，最大變形為2.18mm，零部件的最大應力為373.2MPa，結構抗風壓安全性較高。

艙頂覆冰工況分析：（GB/T 11022—2011要求）。根據GB 17467—2010第5.13節要求，預裝式變電站外殼應有足夠的機械強度，所能耐受的頂部負荷最小值為2500N/m2（豎負荷或其他負荷）。由于覆冰20mm產生的壓力（200N/m2）遠小于國標規定的頂部負荷最小值，本次力學仿真分析時采用國標規定負荷值，即2500N/m2。

圖4 12級風工況下位移云圖

圖5 12級風工況下應力云圖

圖6頂部載荷約束圖

艙頂覆冰工況下預制艙強度仿真計算的位移、應力云圖如圖7、8所示。結果表明，艙體進行吊裝時，最大位移變形位于頂部焊接支撐板中間位置，最大變形為1.5099mm，零部件受力應力小于50MPa（最大應力為110.14MPa），艙體能夠滿足國標規定的頂部負荷要求。

圖7頂部負荷工況下位移云圖

圖8頂部負荷工況下應力云圖

（4）仿真分析。

艙體豎向立柱及頂蓋橫梁較密，因此艙體在豎直方向具有良好的力學性能，如在頂部載荷、雪載情況下。但在艙體橫向受力情況下，艙體安全系數一般，如在12級風工況下預制艙強度仿真計算的位移、應力云圖如圖4、5所示，最大變形發生在艙體立柱中上部位置，最大變形為2.18mm，零部件的最大應力為373.2MPa，結構抗風壓安全性一般。

按照仿真分析結果，在后期設計中將艙體立柱中間增焊一排水平矩形管，以加強立柱框架的整體穩定性，同時頂蓋四角也采用采用電焊機滿焊形式以提高框架強度。

四、結語

由于智能變電站預制艙艙體需要適應更復雜、苛刻的條件要求，而艙體又尺寸太大無法進行承重、載荷及抗震實驗。通過SOLIDWORKS可以進行仿真分析，可以對設計進行校核，并發現設計中的受力薄弱點，不斷地對艙體性能進行優化提升。

本研究提出了一種新型復合材料在預制艙上的應用，并重點研究、分析了框架力學性能，及通過仿真分析，改進了框架結構，完整設計了一種新的框架結構。通過這一系列的客觀研究得出兩點結論。

（1）框架的結構形式對框架的力學性能起著至關重要的作用。

（2）焊接形式對提高局部力學性能有著重要作用。

此次研究缺乏對預制艙抗震力學性能的仿真分析與驗證，后續可以通過添加地震波進行動態力學分析。