換流變壓器套管洞口封堵抗爆性能研究

賴余斌，洪巧章

(南方電網能源發展研究院有限責任公司，廣州 510000)

換流變壓器套管洞口封堵是閥廳結構的薄弱環節，換流變壓器運行時帶有大量的絕緣油，在發生內部故障的情況下，具有發生火災和爆炸事故的可能性。國內外的直流換流站工程均發生過換流變壓器爆炸事故，輕則導致換流變壓器及套管洞口封堵的破壞，重則進一步引起閥廳結構的倒塌破壞，甚至損壞閥廳內設備，嚴重影響電網運行安全。為了提高變壓器套管洞口封堵的抗爆性能，目前已建換流站工程中，主要是以方鋼龍骨與不銹鋼抗沖擊板形成抗爆窗，再與在閥廳防火墻洞口室外側設置的主鋼框架連接形成防爆封堵結構方案[1]。該方案封堵結構厚度和自重較大，不便在變壓器就位后的狹小空間進行安裝。該文依托某±1 100 kV換流站工程，對高端閥廳的換流變壓器套管洞口封堵結構進行了優化，并采用通用有限元軟件，對其進行0.1 MPa和1.0 MPa超壓爆炸荷載作用下的非線性有限元分析，模擬封堵結構的爆炸響應，了解其變形、應力、破壞模式及薄弱環節，為換流變壓器套管洞口封堵的結構設計提供參考。

1 封堵結構抗爆性能研究

1.1 封堵結構方案

換流變壓器套管洞口尺寸可達7 m×7 m，封堵結構主框架跨度達8 m，綜合考慮主框架的抗爆炸沖擊荷載承載力和安裝空間要求，選擇工程中常用的HW200×200型鋼作為主框架。次龍骨考慮間接承受抗爆炸沖擊承載力和減少換流變壓器穿墻套管封堵金屬結構中產生渦流損耗，選擇304不銹鋼方鋼管□80×6。

3 mm厚奧氏體304不銹鋼抗沖擊板與封堵結構龍骨之間采用不銹鋼自攻螺釘連接，封堵板在洞口附近局部區域采用1×4布置，在其他區域采用2×4布置(如圖1～圖2)。

1.2 爆炸荷載

換流變壓器套管洞口封堵結構抗爆設計的爆炸源主要是絕緣油，其爆炸類型為有壓氣體，及高溫高壓的可燃液體溢出到空氣中形成氣溶膠點火的蒸汽云爆炸。蒸汽云爆炸產生的沖擊波作用時間短、荷載大，是一種瞬時荷載[2]，典型的爆炸沖擊波形狀如圖3所示。

課題為模擬換流變壓器絕緣油爆炸對套管封堵結構的沖擊波作用效果，采用基于CONWEP動態加載的爆炸荷載，模擬套管封堵結構在峰值反射超壓0.1～1.0 MPa下的爆炸荷載響應，如圖4所示。

1.3 封堵結構有限元模型

對選定的換流變壓器套管封堵結構，采用通用有限元軟件ADINA建立有限元模型，并對封堵結構龍骨、不銹鋼板進行有限元網格劃分。進行具體模型分析之前，需要先研究清楚組成模型的各結構材料的本構關系。在此次分析中，主框架龍骨鋼材、奧氏體304不銹鋼選用動態Johnson-Cook材料模型。Q235鋼彈性模量為200 GPa，泊松比0.33，屈服強度293.8 MPa[3]；304不銹鋼彈性模量為193 GPa，泊松比0.33，屈服強度277 MPa[4]。

1.4 有限元分析結果

對換流變壓器套管洞口封堵結構有限元模型進行計算分析，研究封堵結構框架及不銹鋼抗沖擊板在0.1 MPa超壓的爆炸荷載作用下的動力響應，部分不同時刻下的位移、應力計算結果分別如圖5～圖7所示。

同時，對換流變壓器套管洞口封堵結構進行1.0 MPa超壓的爆炸荷載下的動力響應分析，研究封堵結構在極限爆炸荷載工況下的破壞狀態，封堵結構在1.0 MPa超壓爆炸作用下的最大變形、應變如圖8所示。

最后，對304奧氏體不銹鋼抗沖擊板與封堵結構龍骨之間采用的不銹鋼自攻螺釘連接，從上述整體封堵結構中取出一個典型的、薄弱的板格，進一步建立精細模型，進行0.1 MPa超壓的爆炸沖擊作用下的失效仿真計算，計算模型如圖9所示。

根據換流變壓器套管洞口封堵結構在0.1 MPa和1.0 MPa超壓的爆炸沖擊作用下的彈塑性動力響應分析，可以得出以下主要結論：

a.在0.1 MPa超壓的爆炸荷載作用下，鋼板整體變形最大值29.7 mm(撓跨比1/259)，框架最大變形16.2 mm(撓跨比1/475)，能滿足撓跨比<1/200的要求；3 mm厚不銹鋼板的最大應力為405.2 MPa，小于其抗拉強度值515 MPa。

b.在1.0 MPa超壓的極限爆炸荷載作用下，304奧氏體不銹鋼抗沖擊板的最大等效塑性應變5.06%，此時，抗沖擊板被撕裂的可能性很小，封堵結構能夠保持較好的完整性。

c.不銹鋼板與封堵結構框架之間采用的不銹鋼自攻螺釘連接間距200 mm時，在0.1 MPa超壓的爆炸荷載作用下，螺栓孔附近有較大塑性應變，有少量較小損傷；間距為150 mm時，螺栓孔附近有較大塑性應變，無損傷。

d.304不銹鋼板與封堵結構框架之間采用的不銹鋼自攻螺釘連接間距減小，不能明顯降低螺栓受到的拉力和剪力，但能夠改善節點處不銹鋼板的承壓性能，因此建議自攻螺釘連接間距采用150 mm。

2 結 語

根據選定的換流變壓器套管洞口封堵結構方案，結合爆炸源的特點和邊界條件，采用非線性有限元分析，模擬換流變壓器套管洞口封堵結構在0.1 MPa和1.0 MPa超壓下的動力響應，了解其變形、應力、破壞模式及薄弱環節。為后續直流換流站新建和改造項目的套管洞口封堵結構提供了設計依據，對已投運及新建換流站的安全生產運行具有十分重要的指導意義。