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技术信息 Zhe Jiang GNHG Electric Co., Ltd.
一种理想的箱式变电站箱体——玻纤水泥GRC箱变箱体
发布:广亨电气企划部   添加时间:2018年4月22日      
内容提要:波纤水泥GRC箱变箱体,从结构上成功解决了大型箱式变电站箱体制造、运输难题,克服了GRC水泥材质脆性的弱点,并使箱体重量下降30~40%。
   这种箱体结构,能够采用分体制造技术、现场安装方式,解决运输上超高超宽限制,使大型箱式变电站应用非金属箱体成为可能。另外,箱体内的立体钢骨架空间结构,对箱变抗强地震有着特殊意义。预计,由于其结构的先进性,将可能对箱变应用和箱体制造业产生积极影响。
关键词:结构特点、受力分析、强度验算
引言:
箱式变电站始于上世纪60年代研发应用,70年代我国也开始箱变研制和生产。其箱体外壳材料从普通钢板、铝板、不锈钢板、彩钢板等逐步有被新兴非金属GRC复合材料所替代。箱体中的材料除底架为钢制外,其余如隔室板、门等逐步非金属化。由于非金属GRC材料制造的箱体有着多重优点,而且可在如城市人行道旁、绿化区、高架桥下、生活小区、景区等地方安装,外观可与环境相匹配,又由于占地面积较小,仅是土建变电所的1/5~1/10,不但减少占地和建筑费用,而且还省去申报基建项目的审批麻烦等,所以箱式变电站得到快速发展。随之而来的是非金属箱体应用范围和数量不断增加,使用非金属箱体已不仅限于10KV箱式变电站,20KV、35KV箱变上也相继使用,并扩展到电站用消弧线圈柜、中性点电阻柜、110KV高压电熔补偿柜箱体等,其他行业如天燃气户外燃气调压站箱体,电信户外站箱体也广泛开始使用。GRC材料箱体与其他材质制造的箱体相比,见阿尔斯通推荐的评估表。其优点是显而易见,不容置疑的。但是,自然界的美好事物,并非都是十全十美的,非金属GRC箱体同样也存
箱变箱体材料评价比较表
评估项目
GRC
传统水泥
金属
抗腐蚀性
抗火性
抗内部燃烧性
维护性
寿命
总评
在着不足的一面。
首先,现有的非金属GRC箱体,是由GRC材料浇注的墙板、顶盖与型钢底架通过焊接技术联结为一体。但中间没有钢骨架结构作支撑,因此,墙板就成为箱体的承重墙,虽其强度可满足箱体的技术要求,但它毕竟是以水泥为基材的制品,其质地脆性是自身存在的。在运输过程中可能遇到路况欠佳,颠簸或急刹车等特殊情况,可能会发生意外的裂缝、开裂等现象,这是用户最担心的。
其次,非金属GRC箱体为保证其自身的强度和刚度要求,其GRC制品构件墙板、顶盖的厚度均在7cm以上,个别达10cm,与相同尺寸的金属材料制作的箱体相比较重5~8倍。一般箱体重在2.5吨~6吨,个别大的箱体重达10吨以上,因此给起重作业增加一定危险性。
再次,对用户需求的超大型的非金属箱变箱体,受道路超宽、超高限制而无法运输。所以很多较高、较宽的大型箱体无法运输到现场,限制了大型非金属GRC箱体的使用。
因此研制一种新型的非金属GRC箱体,满足客户需求和解决客观环境上的限制是非常必要的。我公司设计新型结构是针对现有非金属GRC箱体的不足,从结构上克服了GRC材质上的弱点,并大幅度减轻了箱体重量,设计上解决了客观环境(限高、限宽)的限制。因此,新型加强型非金属GRC箱体是深受广大用户欢迎和放心的产品。
一、 加强型非金属箱体结构和特点:
其结构见图(一),底座架(1)是按承重要求设计由型钢焊接而成,骨架(2)是由结构钢方管,按结构具体要求焊接在底架(1)上。箱体由各种形状和尺寸的墙板(3),及顶盖(4),通过其中的预埋件钢板与方管骨架(2)焊接成一体。墙板、顶盖除承受自身质量的重力外,不再承受其
 
 顶盖(4)
 
 
 
                                                                          
                                                                                       骨架(2)
 
 
墙板(3                                      底架(1)
 
图(一)
他外力,与原非金属箱体结构相比,改变了GRC墙体承受外力的构件性质。
由于结构上的这种改进,箱体内部的结构钢方管骨架,在与底座架牢固焊接成一体后,形成了具有承受自重和运输中产生的惯性等外力的空间刚体。故加强型结构箱体在任何情况下都不会发生墙体开裂、折断、脱离等现象出现。
新箱体特点:
1)其外观完全与非金属GRC箱体相同。其特性完全保持非金属GRC箱体的抗曝晒、抗辐射、隔热、吸音、防冻、阻燃、不凝露、寿命长等优点。
2、由于采用了钢管的内骨架结构,箱体四周的GRC构件的墙板,不再承受箱体运输中产生的速度和冲击加速度惯性力及其他外力,故墙板厚度由原来7~10cm减至4cm,与相同尺寸的非金属GRC箱体相比,重量减轻30~40%。减轻了起重的危险性和提高起重设备利用率,便于起重和运输。
3)、加强型非金属GRC箱体,由于其结构上整体性,底架与内骨架经焊接后浑然一体。可以顺利运往路况不佳偏远地区,以及路程超过1000公里以上箱变安装场所。
4)、可以采用分体制造现场安装方式,解决大型非金属箱体的运输上道路的限宽、限高难题,同样也可以采用分体制造,现场安装方式解决道路狭窄,整体箱式变电站无法进入安装现场的难题。
5)、由于箱体内部增添的钢管骨架,焊接在型钢底架上,则成为立体空间刚体结构,从而提高了箱式变电站抗强震能力。据资料介绍,我国是一个多地震国家,国土占全球面积1/15,而全球陆地7级以上地震有1/3发生在我国。上世纪唐山地震和去年的汶川大地震,都给电力设施造成不可估量的损失。调查统计资料显示,凡有金属为主要支撑和安装重心低的电力设施,强震中损失较小。因此,提高箱式变电站抗强震能力有着特殊意义。
二、箱体在运输中的受力情况分析:
箱式变电站承重载体为箱体,其强度除能满足箱式变电站产品全部型式试验之外,还要保证满足起吊、运输装卸中对其强度的要求。箱变产品及其他户外装置,从产品到使用地都有一个运输过程,因运输受道路状况、车速等因素影响,故这一过程是影响箱式变电站及其他户外装置箱体强度极重要的受力过程。因为箱体实际受力在运输中是一个整体搭建的可移动房屋,当箱体在载荷如风,运输中速度和冲击加速度作用下,力不仅在纵墙和屋盖组成的平面内传递,而且还通过屋盖平面和横墙(山墙)平面进行传递,形成箱体空间上的内力传播分布的空间工作状态,由箱体的整体刚度,即空间刚度来确保箱体受力情况下的安全。房屋空间受力体系的强度,建筑学称为空间刚度。在搭建箱体的施工中,各构件之间互相支撑和约束,大大增加了整体强度和刚度。但在实际使用中,由于一些单位,对GRC复合材料制造箱体相关技术和工艺掌握有一定距离,选材严肃性不够,对起重运输这些体积大,重量重的箱体的特殊性和危险性认识不足,故出现了一些问题,如箱体出现裂缝,箱体底架与箱体分离等质量问题也有发生。这些问题大部分都产生在运输过程中。为解决和克服运输过程中的不利因素,如道路路况差,路程过长超1000公里,及偏远地区等。在应用中得到上海、广州、深圳、丹东、成都等地用户的证实和肯定,证明了新结构的箱体的优越性。打消这些用户在承接偏远地区箱变运输中箱体可能出现质量问题的担忧。
三、加强型非金属GRC箱体强度试验算:
箱式变电站箱体强度根据实际使用和上面分析,认为使箱体遭受开裂、损坏等质量问题,主要是发生在动态的起吊、装卸及运输过程中,尤其是以运输中损坏最为突出。静态的主要表现在为内部故障电弧破坏力的损坏。自然界主要表现在地震、大雪、大风的破坏力等损坏。就箱变使用经验看,箱体在静态中损坏的概率极低。目前发生的大风吹掉在箱变安装过程的门较多,关于这方面的问题已经引起制造厂家注意。下面重点讨论箱变箱体在运输中所受的力及强度试验算。
箱变在运输时,一般是采取用角钢将箱体底架槽钢与汽车车身板相焊接,前后及侧面多处电焊。现以一台外型尺寸长5m,宽2.4m,高3m箱变为例。当汽车在行驶中,车速30~60km/h时,根据有关单位重物30~50吨行驶试验的仪器测得其行驶中的速度冲击加速度为3.2g。
其受力情况见图(二)。
 
 
 
 
 
 
 
箱变在车速30~60km/h行驶中,当可能产生3.2g的冲击加速度时,箱变所受力是由自身重量G与冲击加速度所产生惯性力Q组成,其合力R对箱体产生一个很大的破坏力矩M,其力矩大小为合力R及其作用线至箱体前后底支点的垂直距离的乘积,即Mmax = R ×ed  R — 合力  ed — R作用线垂直距离
1、箱变运输中瞬间在自重G和惯性力Q作用下所产生的合力R见图(二
在三角形aob中
ob =          ob = R — 合力
                         oa = Q — 惯性力
 R =              ab = oc = G — 箱变自重
关于箱变重心点o确定的说明:箱体顶盖重量约箱体重,故箱体重心偏上约h,但组装成箱变后,由于变压器、高低压柜重心偏下,故箱变重心基本在(,)处,即中心点附近,具体可根据实际计算求得重心坐标。
2、箱变在运输中,在冲击加速度作用下,所产生的惯性力Q为:
Q = ma = ×a             a = 3.2g —(加速度)
Q = 3.2G                  G — 箱变自重
                          m — 质量
                          g — 重力加速度
   3、箱变重量G由以下部份组成:
      箱变重量G
a、箱体重量W,按经验公式求得为
 W = L×b×K2                    L — 箱体外型长度(m
= 5×2.4×350~400 kg/ m2     b — 箱体外型宽度(m
= 4200~4800 kg               K1 — 500~550kg/m(墙板厚7cm)
 W = 4800 kg               K2 — 350~400kg/m(墙板厚4cm)
 
          b、配置电器重    变压器  1500 kg
                           高压柜400 kg×2台 = 800 kg
                           低压柜300 kg×4台 = 1200 kg
                G = 8300 kg
                  = 81340 N
  4、由 R =
        R = 3.35 G
          = 27805 kg
          = 272489 N
5、Mmax = R ×ed
若求出ed,首先求出od及β角
在三角形ofd中   od = = 
 已知h = 3 m  L = 5 m    求得  od = 2.915 m
β=
在三角形oab中,Cos =  =  = 0.9552
                   =17.2°
在三角形ofd中,Cos =  =  = = 0.8576
                    = 30.95°
                    = 17.2°+30.95°
                      = 48.15°
在三角形oed中
ed = Sin×od = Sin48.15°×2.915 m
ed = 2.1713 m
最大破坏力矩:Mmax = R ×ed
                   = 272489 N×2171.3 mm
                   = 591655365.7 N.mm
6、图(一)结构中的方管钢骨架,是由35根5×50×50方管和25根45°方管斜支撑两端按设计要求焊接而成。最大破坏力矩Mmax,由上述35根直管和25根45°斜支撑两端焊接后的焊缝共同承受,见图(三)。
 
 
 
 
 
 
每个焊接接头所受力最大力矩,见图(四)
 
 
 
 
 
 
Mmax(个) =
           = 4930461.4 N.mm
由电弧焊接头静强度计算公式:
丁字接头角焊缝强度实际应力
 = ≤〔
查表:角焊缝许用应力       Q235钢〔=118 N/mm2
每端电焊接头应力:
 =          =(150×35+100×25)×2/(35+25)×2
=102 N/ mm2               =129.2mm(接头焊缝加权平均长度)
                     a = 5×0.7 = 3.5 mm
                   + a =2(50+3.5)=107 mm
即:<〔〕。   可以满足强度要求
以上分析和强度验算,供参考。
结束语:
内置钢骨架的加强型非金属GRC箱体,经深圳、辽宁丹东、上海等地箱式变电站制造企业使用,反应良好。这种箱体从结构上解决了大型箱式变电站箱体制造和运输的难题,克服了GRC水泥材质脆性的不足,并大大降低箱体重量。内置钢骨架的立体空间结构,对频发地震的我国也有着重要意义。预计这种结构的非金属箱体将可能对箱变应用和箱体制造业产生积极影响。
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