陈 铁
天津经纬正能电气设备有限公司 300000
摘 要
通过建立特高压电抗器结构的数学模型，采用ANSYS Workbench有限元分析软件对该型号特高压电抗器结构进行响应谱仿真分析，可得到该型号特高压电抗器整体结构在设防烈度为9度，基本地震加速度为0.40 g地震载荷作用下的等效应力响应结果。本文可以为特高压电抗器的抗震设计和改进提供一种有效、方便的方法，为后续电子设备的抗震试验提供有效的参考数据。
关键词：特高压电抗器；ANSYS Workbench；响应谱分析；抗震分析；地震载荷
abstract
By establishing the mathematical model of the uhv filter reactor structure, using finite element analysis software ANSYS Workbench of the uhv filter reactor model structure response spectrum simulation analysis, the model can be obtained uhv filter reactor fortification intensity of 9 degrees in general structure, basic seismic acceleration of 0.40 g results of the equivalent stress response under seismic loading.
This paper can provide an effective and convenient method for the seismic design and improvement of the UHV filter reactor, and provide effective reference data for the subsequent seismic test of electronic equipment.
Key words: UHV filter reactor;ANSYS Workbench.Response spectrum analysis;
Seismic analysis;The earthquake load.
1背景技术
在输电工程中，最容易造成设备严重损坏的因素是地震，因此各种电力设施的抗震性能也在不断提升。特高压电抗器（图1-1 特高压电抗器）一般设计为多包封框架结构。在设计过程中必须对整个框架结构的机械强度进行抗震性能验算，输入等效的设防等级以保证设备的安全可靠。本文基于有限元分析软件ansysworkbench对特高压电抗器结构进行了数学建模、网格划分、模态分析及地震反应谱仿真分析，得到了特高压电抗器整个结构的等效应力模型，从而分析其等效应力。对特高压电抗器整体结构进行了可靠性评估，为后续特高压电抗器结构抗震设计提供有效的依据。
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图1-1 特高压电抗器
2建立特高压电抗器有限元分析模型
2.1输入数据条件
该型号特高压电抗器模拟环境设定设防烈度为9度，基本地震加速度为0.40 g。第二组地震区域, II类场地类型，特征周期为0.4s。
特高压电抗器整体结构为框架结构，包封与地面之间由瓷瓶绝缘连接及玻璃钢支腿连接；防雨帽为玻璃钢材料；星架为6061铝。总体高度为11.5 m,总重量为10T各部分零件的材料参数见表1。
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2.2数模建立
由于特高压电抗器整个结构单元的类型和数量庞大，如果模型过于复杂，导入ANSYSworkbench模块后，计算精度可能不会有明显提高，但如果模型细节太多，计算时间会增加数倍。本次将该模型简化了特高压电抗器的结构，直接去除了对仿真计算没有影响或影响很小的部分，提高了计算效率。过滤反应器结构的三维简化模型如图2-1所示。
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图2-1 特高压电抗器结构模型图
数模建立后对其进行网格划分，网格生成过程的细分程度和质量将直接影响计算的规模、精度和速度。在网格划分过程中，首先定义整个网格类型，然后设置为默认的自由网格。由于各部分尺寸不一致，调整相关设置值可以使网格划分更加精确，有利于提高后续计算结果的精度。有限元分析的网格生成如图2-2所示。
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图2-2网格划分图
3特高压电抗器结构抗震性能分析
3.1模态分析
Ansys模态分析是一种计算结构振动特性的数值计算方法，包括固有频率范围及振型状态。模态分析不仅是最基本的动力分析，也是其它动力分析的基础依据。如随机振动、反应谱、谐响应等分析类型。当采用ANSYS Workbench软件对特高压电抗器结构进行模态分析时，根据实际工况，将该型号特高压电抗器结构底部的支撑瓷瓶通过螺栓与基础连接，底部10个约束点位。计算出的10阶固有频率范围及振型状态如表2所示
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3.2响应谱分析
本次仿真分析应用 GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》标准规定中的地震影响系数曲线，规范中说明结构抗震设计主要包括静力法、反应谱法和时程分析法。其中，静力法假定结构是刚性的，不考虑结构的动力特性；反应谱法是在静力学基础上进一步发展起来的，它考虑结构的动力特性和地基结构的影响，是最常用的方法。结构抗震设计方法时程分析法以实际地震加速度时程记录作为动荷载的直接输入，计算结果准确，但对计算机要求高，计算时间长，成本高，实际应用较少。反应谱表示单自由度弹性系统的最大响应（加速度、速度和位移）与固有振动特性（周期和阻尼比）之间的函数关系。在结构抗震设计中，地震反应谱曲线主要由地震影响系数a和重力加速度g决定。图3-1 地震影响系数曲线
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图3-1 地震影响系数曲线
根据上述数据输入条件：设防烈度为9度，基本地震加速度为0.40 g。第二组地震区域, II类场地类型，特征周期为0.4s。采用结构标准阻尼比 5%。输入相应地震反应谱。
3.3分析结果
通过软件分析得出该型号特高压电抗器在地震载荷作用下的应力分布图，如图3-2所示，最大应力发生位置为底部支撑座处。
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图3-2 底部支撑座等效应力分布云图
本次仿真分析在0.4g加速度及相应施加条件，底部支撑座最大应力为100.8 MPa, 屈服应力为220 MPa，安全系数为2.18。该抗震分析结果表明，Ansys workbench有限元分析可以模拟设备的最大应力位置。同时，通过数据对比， ANSYS Workbench有限元分析软件的反应谱分析部分考虑了设备的动力放大系数，即存在一定的安全裕度，因此将仿真结果作为结构抗震设计的依据更为可靠的设计。
4总结
基于ansysworkbench，对地震烈度9度设防条件下的特高压电抗器进行了地震模拟分析测试。底部支撑的等效应力远小于数据中的屈服应力，安全系数满足1.67倍的要求。在工程实践中，可以利用有限元分析软件ansysworkbench对特高压电抗器的结构进行模拟，作为特高压电抗器结构抗震设计的依据，在一定程度上降低了实验分析所需的资源和人员设计成本。