電力變壓器開關油箱爆炸的強度分析

杜振斌， 李曼, 路素銀, 任瑞杰

（河北省輸變電裝備電磁與結構性能重點實驗室（籌）,河北 保定071056）

0 引 言

電力變壓器是整個電力系統運行樞紐，變壓器正常運行對電能的可靠傳輸、靈活分配以及安全使用起著決定性作用。當某些短路故障在變壓器開關油箱內部發生時，產生的電弧將會釋放出大量的能量，致使在故障點處的絕緣油會瞬間被汽化而形成油蒸汽氣泡，氣泡會分解絕緣油，并且氣泡內的壓強會隨著故障的延續而劇增，使得各相界面之間出現巨大壓差并且以壓力波的形式向四周傳播，壓力波在變壓器開關油箱內部構件的折反射傳播導致油箱內部壓力的驟升，從而造成開關油箱出現鼓包、破裂，甚至導致爆炸事故，由此可能會引發變壓器開關油箱噴油或火災等次生災害，嚴重威脅到現場運行人員、周圍設備和環境的安全[1-2]。

某一臺大型直流換流變壓器產品運行過程中，由于開關油箱內部發生故障，引發爆炸從而釋放出20 MJ能量，導致開關油箱變形鼓包。本文是對此開關油箱進行爆炸強度分析，首先將該爆炸能量轉換成內壓，然后對模型進行加載，進而計算出了開關油箱及隔板的抗爆機械強度。

1 能量轉換

換流變壓器產品在運行過程中，由于開關油箱內部發生故障，引發爆炸從而釋放出20 MJ能量。本文依據能量守恒定律和能量轉換公式[1]，將電弧能量載荷轉換為絕緣油蒸汽內部壓強載荷，計算得到壓強載荷為468.5 kPa。計算內壓所用到的公式和參數分別如式（1）和表1所示。

式中：Pgas為過熱絕緣油蒸汽內部壓強；γgas為絕緣油蒸汽比熱比；μgas為絕緣油蒸汽比內能；ΔHoil為絕緣油混合物從液態到過熱蒸汽狀態 的 焓增；α為轉化系數；Warc為電弧能量。

2 開關油箱模型及加載

這一部分主要介紹仿真分析中所用到的材料屬性、幾何模型、有限元模型及其約束和加載。

2.1 材料屬性

此變壓器開關油箱的材料為Q345，其相關性能參數，如彈性模量、泊松比等如表2、表3所示。

表1 計算壓強所用的部分參數

表2 各零部件對應的材料

表3 主要材料屬性

2.2 幾何模型

按照1：1比例對發生故障的變壓器開關油箱建立三維幾何模型。在有限元分析之前，先對三維幾何模型進行簡化處理，注意需要忽略一些對強度分析影響較小的部分。圖1所示為簡化處理后的變壓器開關油箱及隔板的幾何模型。

2.3 有限元模型

將變壓器開關油箱的三維幾何模型導入到ANSYS Workbench軟件中，對變壓器進行網格劃分，有限元模型如圖2所示。

2.4 約束及加載

進行瞬態計算時，模型底部全部約束；模型整體施加重力加速度；開關油箱及隔板內側施加內壓載荷（其中爆炸持續時間為80 ms），內壓加載及時間如圖3所示。

圖1 開關油箱及隔板的幾何模型

圖2 變壓器及附件有限元模型

圖3 內壓加載時間

3 瞬態計算結果

3.1 計算云圖

圖4和圖5分別為該變壓器在爆炸載荷下的時間迭代和應力計算結果。圖6～圖8為爆炸載荷下2 s時的應力云圖。圖9～圖11為爆炸載荷下2.08 s 時的應力云圖。

圖12為該變壓器在爆炸載荷下的變形計算結果，由圖12 可知，2.08 s時變形計算結果最大為50.5 mm。 圖13～圖15為爆炸載荷下2.08 s時的變形云圖。

圖4 時間迭代過程

圖5 爆炸載荷下的應力計算結果

圖6 爆炸載荷下2 s時的應力云圖（一）

圖7 爆炸載荷下2 s時的應力云圖（二）

圖8 爆炸載荷下2 s時的應力云圖（剖視圖）

圖9 爆炸載荷下2.08 s時的應力云圖（一）

圖10 爆炸載荷下2.08 s時的應力云圖（二）

圖11 爆炸載荷下2.08 s時的應力云圖（剖視圖）

圖12 爆炸載荷下的變形結果

3.2 結果分析

由圖6～圖11所示，開關油箱在80 ms（從2 s到2.08 s的時間內）20 MJ爆炸能量的作用下，其應力云圖最大值約416 MPa，大于Q345材料的許用應力313.6 MPa；圖12～圖15所示的變形云圖中最大變形達到50.5 mm，超出標準要求，導致開關油箱箱壁向外鼓包。

圖13 爆炸載荷下2.08 s時的變形云圖（一）

圖14 爆炸載荷下2.08 s時的變形云圖（剖視圖）

圖15 爆炸載荷下2.08 s時的變形云圖（二）

4 結 論

本文用故障壓力震源模型、能量守恒定律及相關公式，來獲取電弧持續過程中絕緣油蒸汽氣泡震源的壓強變化規律，將電弧能量載荷轉換為絕緣油蒸汽內部壓強載荷，并將內壓施加到各個爆炸接觸面，計算結果表明，在爆炸載荷作用下該模型的抗爆機械強度不足，需進一步優化結構。此分析方法對變壓器油箱減壓防爆及結構優化有一定的參考價值。