變壓器油箱規(guī)則結(jié)構(gòu)計算分析

王新兵，趙永志，胥建文，徐蓮環(huán)，宋文翠

（1.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟南 250011；2．山東電工電氣集團有限公司，山東 濟南 250001）

變壓器油箱規(guī)則結(jié)構(gòu)計算分析

王新兵1，趙永志2，胥建文1，徐蓮環(huán)1，宋文翠1

（1.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟南 250011；2．山東電工電氣集團有限公司，山東 濟南 250001）

針對常規(guī)規(guī)則油箱強度不足或過剩的問題，通過有限元軟件對油箱抽真空試驗時的變形情況進行計算分析，并與試驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果顯示仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較接近。該方法適合生產(chǎn)質(zhì)量控制，基本滿足實際生產(chǎn)要求。尤其對于規(guī)則油箱，無論長短軸側(cè)，合理布置加強鐵至關(guān)重要。同時提出規(guī)則油箱的最佳設(shè)計方案，檢驗了結(jié)構(gòu)合理性和軟件實用性，有效地提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，控制成本，增加公司經(jīng)濟效益。

油箱；有限元仿真；試驗；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

作為變壓器重要的外部組件，油箱是油浸式電力變壓器的重要組成部分之一，在變壓器中起著盛油容器、結(jié)構(gòu)骨架和散熱等作用。施加載荷的復雜多樣性，直接影響整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，從而關(guān)系到變壓器的運行狀態(tài)，其中正負壓試驗載荷最為嚴重。變壓器油箱合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)和選材決定加工工藝，是保證油箱結(jié)構(gòu)強度和剛度的首要條件，電壓等級和容量的不同，則油箱的設(shè)計要求也不盡相同［1］。在實際生產(chǎn)過程中，由于各制造廠家所用材料及工藝水平的差異，同電壓同容量的油箱設(shè)計方法不同，也存在著不同的油箱結(jié)構(gòu)。鑒于材料成本，存在著結(jié)構(gòu)性能不足，造成試驗過程中油箱開裂或過度變形。若結(jié)構(gòu)過剩會增加產(chǎn)品成本，降低生產(chǎn)效益，所以多年來油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化備受重視，避免油箱強度薄弱和過剩，保證設(shè)計質(zhì)量和產(chǎn)品成本，將會產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

20世紀90年代以來，變壓器行業(yè)快速迅猛發(fā)展，需求也隨之大幅增加。各廠家通常從安全、經(jīng)濟和環(huán)保角度出發(fā)，采用經(jīng)驗、類比設(shè)計的方法確定油箱結(jié)構(gòu)整體參數(shù)，油箱組件加工裝配，成品完成后，根據(jù) GB 1094.1—2013、GB／T 6451—2008 及 JB／T 501—2006對變壓器油箱機械強度的要求，進行油箱抽真空注油的負壓力和運行中的正壓試驗，油箱不得有嚴重的結(jié)構(gòu)損傷和不允許的彈性變形。而作者針對常規(guī)變壓器鐘罩式油箱重點討論，采用有限元仿真計算分析變壓器油箱在抽真空試驗下的各部位準確的變形分布狀態(tài)［2-3］。將仿真結(jié)果及試驗結(jié)果對比分析，為類似油箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考和技術(shù)支持，有效降低變壓器在生產(chǎn)、運輸及裝配環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的成本浪費，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)效益。

1 結(jié)構(gòu)線性靜力學原理

在結(jié)構(gòu)線性靜力學分析中，力與時間無關(guān)，因此位移x可由下面的矩陣方程解出，則結(jié)構(gòu)靜力學通用方程：K·x=F。其中，K為剛度系數(shù)矩陣，x為位移矢量，F(xiàn)為力矢量，根據(jù)相應的強度理論來判斷結(jié)構(gòu)是否滿足強度。

假設(shè)K為一常量矩陣且必須是連續(xù)的，材料必須滿足線彈性小變形理論，邊界條件允許包含非線性的邊界條件，F(xiàn)為加載到模型上的靜載力，不隨時間變化［4］。而當考慮到運輸過程中沖擊力和運行過程中地震力沖擊時應按動載荷考慮。結(jié)構(gòu)線性靜力學原理流程如圖1所示。

圖1 靜力學分析原理

本文仿真分析和計算，均是按照油箱正負壓試驗所受的載荷為靜載荷來處理。而有限元分析中的靜載荷即為試驗壓力。表1列出了國家標準中對試驗壓力的規(guī)定。

一般來說，設(shè)計方案過程中，在保證結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下，變壓器油箱性能可靠性均能通過油箱耐壓試驗來檢測。重點進行變壓器油箱抽真空試驗狀態(tài)下的剛度校核。若有過大的變形量，則會影響變壓器的穩(wěn)定性，造成失穩(wěn)。表2給出了變壓器油箱抽真空試驗時允許最大變形量控制范圍。

表1 各電壓等級油箱試驗時真空度要求

表2 抽真空試驗時允許最大變形量控制范圍

2 仿真分析

由于油箱結(jié)構(gòu)的復雜性和形式多樣性，設(shè)計者進行基本力學性能分析計算比較困難，采用準確、有效、統(tǒng)一的經(jīng)驗公式分析誤差較大。但實際上油箱是由箱壁鋼板和橫豎布置的槽式加強鐵組成的，所以一般在簡化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真分析和最終試驗結(jié)果進行對比、修正，盡可能得出滿足基本工程實踐的計算分析方法。在工程實際中，對于規(guī)則油箱整體多采用有限元計算法進行分析。而箱壁有多處開孔使得仿真模型與實際模型有較大差距，計算也存在較大誤差。通過將開孔處設(shè)置臨時蓋板或者重點關(guān)注區(qū)域按實際模型建模，均可降低計算誤差。

2.1 材料屬性

油箱箱壁、加強鐵等材料為 Q235低碳鋼［5］，是彈塑性材料，設(shè)置材料雙線性等向強化應力應變關(guān)系，其應力應變?yōu)槎嗾劬€關(guān)系，在計算中采用塑性迭代處理，而低碳鋼拉伸時的應力應變曲線如圖2所示。

由σ-ε關(guān)系圖可知，整個階段可分為4個區(qū)域，后3個區(qū)域統(tǒng)稱為塑性區(qū)。σp稱為彈性極限，可分為線性區(qū)和非線性區(qū)；σs稱為屈服極限，Q235鋼的屈服極限大約為235 MPa；σb稱為強度極限，是材料所能承受的最大應力；Q點為鋼件的斷裂點，使該區(qū)段出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。Q235低碳鋼板主要材料屬性參數(shù)如表3所示。

圖2 低碳鋼拉伸時的應力應變曲線

表3 材料屬性參數(shù)

2.2 仿真計算

有限元法廣泛應用于工程技術(shù)的許多領(lǐng)域，基本原理為將物體離散成相互聯(lián)結(jié)的單元組合，將連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題，離散后，對各個單元分析，推導出作用力方程，組成整個結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程進行求解。

而對于油箱力學性能的有限元靜力分析，基于材料是連續(xù)、均質(zhì)、各向同性基本假設(shè)。在仿真計算中，應力不如變形仿真計算值準確，其主要原因是前者受邊界條件設(shè)置、開孔及蓋板處理等局部區(qū)域模型簡化的影響較大。但這種影響都限制在局部范圍內(nèi)，容易造成應力畸點，但對均勻應力區(qū)域內(nèi)的影響不大［6］。所以本文仿真重點考核油箱抽真空試驗時的變形量，根據(jù)結(jié)構(gòu)線性靜力學原理，變壓器油箱有限元設(shè)計改進流程如圖3所示。

圖3 油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

2.2.1 建立油箱模型

建模過程中，簡化模型，忽略吊攀、千斤頂及聯(lián)管接頭等，保留加強鐵及箱沿等典型結(jié)構(gòu)，減小網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計算時間。整體結(jié)構(gòu)采用單個零件模型來建立，所有零部件之間的連接均采用綁定（Bonded）處理。圖4為簡化處理后的變壓器油箱計算模型。

圖4 計算模型

2.2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

軟件自帶網(wǎng)格劃分工具為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)大約28萬。油箱抽真空試驗中，常規(guī)油箱工藝要求真空度為133 Pa，而有限元分析中的載荷為試驗壓力，油箱內(nèi)壁所承受的壓強為0.101 192 MPa，將載荷均勻施加在油箱內(nèi)壁所有面，方向向內(nèi)，上、下節(jié)油箱必須密封良好，油箱平置，設(shè)置下節(jié)油箱箱底為固定位移約束。固定位移約束和載荷施加示意如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格剖分、設(shè)定邊界條件和載荷施加

2.2.3 結(jié)果分析

油箱結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣的影響因素很多，比如自身結(jié)構(gòu)、材料本身、加工工藝及加強鐵的規(guī)格等［7］。通過求解和后處理，得到油箱整體的變形分布如圖6所示。

圖6 整體變形分布云圖

由圖6可以看出，變壓器油箱規(guī)則結(jié)構(gòu)采用平板式箱蓋，其加工工藝較為簡單，焊接處較少，為了達到相應的剛度要求，在設(shè)計過程中一般會選擇在箱蓋上適當位置增加板式加強鐵予以加固，從而控制變形量，但大容量高電壓變壓器油箱箱蓋目前大部分采用折彎型鋼板，剛度較好，還可以減小變壓器油用量和控制運輸高度限制。大部分油箱抽真空試驗時具有上定位和防塌墊塊作為限位支撐，防止箱蓋變形過大。但有限元方法無法設(shè)置限位支撐，只能設(shè)置直接位移支撐或者無支撐，誤差較大［8］。對于大型變壓器油箱抽真空試驗時，仿真中通常會在油箱內(nèi)部防塌墊塊處設(shè)置簡易支撐工裝撐住箱蓋，其中支撐桿質(zhì)量忽略，減小仿真分析誤差。

而此結(jié)構(gòu)油箱箱壁變形量較大區(qū)域均集中在開關(guān)側(cè)端部，通常情況下，變壓器油箱端部加強鐵一般布置在中間位置附近，用來保證端部的剛度要求。箱壁其他位置和加強鐵的變形量均較小，選取高壓側(cè)和部分加強鐵變形云圖，如圖7所示。確定選取足夠數(shù)量的測量點進行變形量標注，以供后續(xù)試驗參考。

圖7 不同部位變形分布云圖

油箱抽真空試驗時變形量仿真分析結(jié)果如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知，強度滿足試驗要求的同時，油箱箱壁和加強鐵變形量不超過試驗允許值，即剛度足夠。通過有限元計算結(jié)果的變形量與規(guī)定值即可得到剛度的安全系數(shù)。

表4 油箱各部位最大變形量仿真分析結(jié)果

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

JB／T 501—2006規(guī)范的油箱強度試驗很關(guān)鍵，通過油箱強度試驗檢定油箱強度是否符合標準［9］。本臺產(chǎn)品為公司油箱降成本結(jié)構(gòu)改進產(chǎn)品，嚴格按照公司抽真空試驗工藝要求，充分對其進行了油箱試漏、密封等試驗，在工具準備充分后，開始進行抽真空試驗，其中所用試驗設(shè)備如圖8所示，圖中紅色數(shù)字對應試驗過程的1）～5）步，即為試驗前期工作。

圖8 試驗設(shè)備及試驗前期工作

試驗前：1）初步檢查真空機組、空壓機及其管路密封良好。

2）將油箱底部固定到工作平臺上，保證箱底和工作臺在試驗過程中不發(fā)生位移變化。

3）從入孔門進入，在防塌墊塊位置將內(nèi)部模擬器身定位用支撐工裝放入油箱內(nèi)部，將油箱本體及升高座安裝密封好，上下節(jié)箱沿采用定位銷固定。

4）在油箱高壓側(cè)及開關(guān)側(cè)固定標志線，豎直穩(wěn)定用于定位標識，高度方向上設(shè)置在油箱壁中部位置，在明顯位置設(shè)置防護警示牌警告嚴禁觸動標志線。

5）布置高壓側(cè)和開關(guān)側(cè)測量點，按照相關(guān)要求在相應測點位置粘貼應變片，測量標志線到油箱測量點的原始距離，作為初始數(shù)據(jù)記錄，其測點位置如圖9所示。

Comprehensive Calculation Analysis on Regular Structure of Transformer Tank

WANG Xinbing1，ZHAO Yongzhi2，XU Jianwen1，XU Lianhuan1，SONG Wencui1
（1.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250011，China；2.Shandong Electrician Electric Group Co.，Ltd.，Jinan 250001，China）

In order to solve the problem of deficient or excessive strength of conventional regular tank，the tank deformation is calculated and analyzed under the vacuum test condition by the finite-element software and compared with the test data.Research results demonstrate that the finite element simulation results are in accordance with the test ones.It proves that this method is suitable for quality control with good compliance to the practical engineering requirements.At the same time，optimal design scheme of regular tank is put forward to checkout structure rationality and software practicability.Especially for regular tank，regardless whether the long or short side，the reasonable distribution of strengthen iron is crucial.This method is beneficial for improving the product design quality and cost control，promoting company’s economic efficiency.

tank；finite element simulation；test；structure design

TM403.9

B

1007－9904（2017）12－0050－06

國家電網(wǎng)總部管理科技項目（WNZ151-0018）