兩種接線金具型式下的特高壓變壓器高壓側套管接線柱受力分析

余開偉，梁向陽，湯會增，楊曉東，郭 果

(國網河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450007)

兩種接線金具型式下的特高壓變壓器高壓側套管接線柱受力分析

余開偉，梁向陽，湯會增，楊曉東，郭 果

(國網河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450007)

在特高壓變壓器高壓側套管引上線與避雷器T接線方式下，高壓套管接線端子普遍采用“U”型與“一”字型兩種接線方式，對高壓套管引線接線端子進行受力分析與計算，得出“一”字型接線方式下，接線柱根部的應力值較小，有利于設備的安全穩定運行。

特高壓變壓器；高壓側套管接線端子；接線方式；受力分析

0 引 言

1 000 kV特高壓交流變壓器是目前世界上變電容量最大，施工制造安裝工藝要求最嚴格的大型變壓器。特高壓變壓器采用分相和分體式布置，結構如圖1所示。變壓器安裝工藝的質量，直接決定變壓器的運行壽命和安全性能[1-3]。在1 000 kV側高壓套管引上線與避雷器T接線方式下，高壓套管端部與引線相連部分普遍采用“U”型或者“一”字型接線方式[4-6]。

下面對“U”型與“一”字型兩種接線方式下高壓套管引線的接線端子進行受力分析，并采用有限元分析的方法計算接線柱的強度。

圖1 特高壓變壓器整體示意圖

1 受力點選取

以某特高壓變電站2號主變壓器C相為例，其接線方式如圖2所示，高壓套管引上線與避雷器的連接采用T接線方式，高壓側引線采用4×JLHN58K-1600型號導線，單根JLHN58K-1600導線外徑D為70 mm。根據實際測量，套管引上線避雷器引接位置以下的長度L2為5.6 m，避雷器引接位置以上的長度L1為7.5 m，共計13.1 m；避雷器T接線長度L3為8 m，如圖2所示。

根據斷面圖可見，主變壓器套管引上線靠近絕緣子串端部，其風偏不大，且引下線馳度較大，計算中暫不考慮跨線擺動對主變壓器套管接線端子的受力影響；變壓器套管端部垂直方向的力不大，主要是大風時受的軸向和橫向水平力，且軸向水平力較橫向水平力小，所以分析僅計算橫向水平力。即選取圖2中引下線金具與套管接線端子為受力點進行橫向水平受力分析，即可得出變壓器高壓側套管接線端子處的最大受力[7,14]。

圖2 高壓套管引上線與避雷器T接線斷面圖

2 高壓套管上引線受力計算

2.1 風力計算

根據《1 000 kV變電站設計規范》(GB 50697-2011)中5.1.2條：風速選擇導體和電器在所處極端環境時的最大風速。根據水文氣象資料，某變電站離地10 m高，100年一遇10 min平均最大風速V10為25.3 m/s，根據《電力工程高壓送電線路設計手冊》第3章公式(3-1-1),風速折算公式為

(1)

式中：Vh為安裝高度處的風速；V10為離地10 m高，100年一遇10 min平均最大風速；h為安裝高度；α為與氣象臺地面粗糙程度有關的系數。

α與所在區域地形有關,分為A、B、C 三類區系。其中B類區系指風力在資源稍小的地區，例如丘陵、叢林、空曠田野、鄉村、大城市郊區、房屋比較稀疏的中、小城鎮等，取0.16。某變電站屬于B類區系，故α取0.16[8-9]。

主變壓器構架高度為32 m，扣除耐張絕緣子串的弧垂高度，主變壓器高壓套管引上線與跨線連接處的高度約為30 m，主變壓器高壓套管端子板的高度約為19 m。即主變壓器高壓套管引上線的最低點高度為19 m，最高點高度為30 m。

因此，在風速計算中，取主變壓器高壓套管引下線的最高點30 m進行折算是最保守的情況。

將V10=25.3、h=30、α=0.16代入風速折算公式(1)中，可計算得折算后Vh為30 m/s。

2.2 風壓計算

根據風壓計算公式：

(2)

將N=4、D=0.7、Vh=30代入式(2)得風壓為18.9 kg/m。

風速不均勻系數取0.75，以高壓套管引上線和避雷器T接線為整體，大風時總的橫向風壓為0.75×18.9×(13.1+8)=299.1 kg(即2 991 N)，考慮全部風壓的50%由主變壓器套管端部承受(另外50%由避雷器和上部跨線連接點承受),其端部承受的橫向水平力為0.5×2 991=1 496 N。

2.3 2號主變壓器C相高壓套管端子受力計算

根據1 000 kV變壓器技術協議，變壓器套管端部接線端子板的允許受力水平如表1所示。

表1 套管端部接線端子板的允許受力水平

根據設計院提供的特高壓某變電站《大跨線引下線線性計算》導則中相關數據，可知大風時主變壓器高壓套管下掛點(套管頂端接線部位)水平力為739 N，疊加上述導線風荷載主變壓器高壓套管總共承受的橫向水平力為1 496+739=2 235 N，小于表1技術協議中的2 500 N。

3 高壓側套管接線端子受力分析

3.1 接線方式介紹

圖3 高壓套管接線端子“U”型與“一”字型示意圖

大高差情況下引下線水平受力及風壓對其的影響會集中體現在高壓套管接線端子處。目前，主變壓器高壓側套管接線端子均采用“U”型與“一”字型金具與引線相連。

根據端子受力計算得到的橫向水平受力2 235 N，按最大允許載荷2 500 N施加于接線端子頂端及金具的頂端，并折算至套管接線柱中部位置的受力。若將力施加于連接金具頂部，由于高度增加，折算至接線柱中的受力會大大增加。為進一步分析增加連接金具后接線柱的受力情況，采用有限元分析的方法對接線柱的強度進行計算[10-13]。

3.2 “U”型接線端子有限元分析及強度計算

圖4為“U”型接線端子及連接金具的計算模型。

圖4 “U”型接線端子及金具計算模型

以最大受力2 500 N考慮，對連接金具上端部施加水平載荷。圖5和圖6分別為“U”型結構模型整體的變形云圖及等效應力云圖，等效應力最大值約為167 MPa，位于接線柱根部；最大變形約為13.2 mm，位于連接金具上部。

圖5 “U”型結構整體變形云圖

圖6 “U”型結構整體應力云圖

圖7和圖8分別為采用“U”型結構接線端子的套管接線柱變形云圖及等效應力云圖，等效應力最大值約為167 MPa，位于接線柱根部；接線柱的最大變形約為0.2 mm，位于接線柱上部。

圖7 接線柱變形云圖(“U”型)

圖8 接線柱應力云圖(“U”型)

3.3 “一”字型接線端子受力分析

圖9為“一”字型接線端子及連接金具的計算模型。

圖9 “一”字型接線端子及金具計算模型

對連接金具上端部施加水平載荷F=2 500 N。圖10和圖11分別為“一”字型結構模型整體的變形云圖及等效應力云圖，等效應力最大值約為109 MPa，位于接線柱根部；最大變形約為3.5 mm，位于連接金具上部。

圖10 “一”字型結構整體變形云圖

圖11 “一”字型結構整體應力云圖

圖12和圖13分別為采用“一”字型結構接線端子的套管接線柱變形云圖及等效應力云圖，等效應力最大值約為109 MPa，位于接線柱根部，接線柱的最大變形約為0.15 mm，位于接線柱上部。

圖12 接線柱變形云圖(“一”字型)

圖13 接線柱應力云圖(“一”字型)

3.4 兩種接線端子受力情況比較

根據上述分析結果可以看出，采用“U”字型的接線端子，端子等效應力最大為167 MPa。查閱套管廠家說明書，紫銅端子的應力承受為170 MPa，等效應力已接近承受極限，變壓器高壓側套管在受力較大情況下運行，容易造成接線端子密封面破損致使變壓器絕緣降低，嚴重時會導致電網跳閘停運；而“一”字型接線端子時端子等效應力最大為109 MPa，距離其應力承受極值還有一定裕度，可以完全滿足變壓器的安全穩定運行。

4 結 論

以某特高壓變電站2號主變壓器C相為例，對高壓套管引上線與避雷器T接線方式下，導線風荷載主變壓器高壓套管總共承受的橫向水平力進行計算，得出其受力滿足1 000 kV變壓器技術協議。對高壓套管引上線與避雷器T接線方式下的套管引線接線端子進行受力分析，采用有限元分析的方法對接線柱的強度進行計算，得出“一”字型接線方式下端子的等效應力比“U”字型接線方式下要減少很多，采用“一”字型接線端子會有效地降低整體連接結構的高度，從而使接線柱中部的受力情況改善，降低接線柱根部的應力值，有利于設備的安全穩定運行。

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For "T" connection mode of bushing lifting line in high-voltage side of UHV transformer and lightning arrester, the connection modes with "U" shape and "一" shape are widely used in high-voltage busing terminal blocks. Through the stress analysis and calculation of high-voltage bushing lead terminals, it comes to the conclusion that the stress value of terminal root is smaller in the connection mode with "一"shape, which is good for the safe and stable operation of the equipment.

ultra high voltage transformer; bushing terminal in high-voltage side; connection mode; stress analysis

TM411

A

1003-6954(2017)03-0044-04

2016-01-30)

余開偉(1983)，工程師，主要從事超特高壓變電站設備運維檢修技術工作。