某核電站主變中性點套管結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷分析及改進(jìn)

李志強，馮偉崗，武咪咪

（蘇州熱工研究院有限公司系統(tǒng)工程部，廣東 深圳 518124）

1 引言

根據(jù)套管結(jié)構(gòu)分類，可分為電容性和純瓷兩種類型，電容性套管重點需要關(guān)注電容層的性能，包括電容量和介損，避免由于運行期間其內(nèi)部持續(xù)的局部放電或過熱導(dǎo)致電容失效；對于純瓷型套管而言，在運行期間則需要重點關(guān)注其機械性的損傷，機械性的損傷同樣會對其絕緣性能造成影響，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

2 原始設(shè)計結(jié)構(gòu)受力及變形狀況分析

2.1 背景信息介紹

該變壓器為某核電站一期核電廠發(fā)電機出口升壓變壓器，運行期間中性點采用直接接地的方式，中性點套管接線板通過銅片軟連接直接與接地母排相連和接入地網(wǎng)，在考慮中性點絕緣和爬距的前提下，選擇的中性點套管型號為Type 45N2000，額定電壓45kV，額定電流2000A，爬電距離1090mm。

該變壓器油箱為鐘罩式油箱，變壓器頂部為平頂結(jié)構(gòu)，中性點套管布置在油箱頂部西側(cè)，套管的安裝采用在變壓器頂部焊接固定螺栓后，利用環(huán)型鋼圈將套管瓷套固定在焊接的載絲螺桿上，同時起到固定套管和對開口部位進(jìn)行密封的作用。套管結(jié)構(gòu)圖如下所示：

套管結(jié)構(gòu)圖

如上圖所示，瓷套與變壓器油箱載絲螺桿連接的部位，同時具有套管緊固和確保密封面壓緊力的作用，如果瓷瓶自身產(chǎn)生破裂等損傷的情況，將導(dǎo)致絕緣性能下降變壓器絕緣油做為變壓器絕緣和冷卻的重要介質(zhì)，如果在運行期間發(fā)生不可控的滲漏，將導(dǎo)致變壓器強迫推出運行，在監(jiān)控不嚴(yán)的情況下，甚至可能導(dǎo)致重大的設(shè)備損壞事故。

在變壓器檢修過程中，按照變壓器檢修相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在進(jìn)行變壓器排油檢修，工作結(jié)束后，再次注入變壓器油之前，都需要對變壓器進(jìn)行抽真空，在進(jìn)行主變油箱抽真空期間，多次發(fā)生套管底部瓷套破裂導(dǎo)致中性點法蘭密封面滲油的現(xiàn)象。

2.2 受力及變形量分析計算

現(xiàn)場條件確認(rèn)：

①該變壓器為鐘罩式結(jié)構(gòu)，變壓器頂部為平頂結(jié)構(gòu)，在水平方向跨度較大，頂部鋼板缺少額外的支撐；

②按照變壓器檢修規(guī)程的要求，在進(jìn)行變壓器抽真空期間，要求變壓器內(nèi)部真空度為4mbar以下，變壓器內(nèi)部各處壓力均相等，并且要求保持真空至少48H；

③套管處于緊固的狀態(tài)，螺桿按照力矩要求進(jìn)行緊固；

對套管瓷套表面受力情況進(jìn)行分析，在變壓器抽真空期間(在真空度為4mbar以下的狀態(tài)下)，計算是按照變壓器內(nèi)部為絕對真空進(jìn)行計算，油箱承受101Kpa(約為1個大氣壓)的內(nèi)外壓差，變壓器油箱的材料為Q235B的鋼板，厚度約為20mm厚，利用力學(xué)分析中常用的方法，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，結(jié)構(gòu)強度分析采用ANSYS軟件，在進(jìn)行數(shù)值分析時，部分單元格采用ANSYS的Mesh模型結(jié)構(gòu)和計算機硬件系統(tǒng)設(shè)定合適的單元劃分。

根據(jù)三維模型分析結(jié)果，在變壓器本體抽真空期間，等效于在箱壁內(nèi)側(cè)時間-101Kpa的載荷，在假定箱壁邊沿不發(fā)生位移的情況下，套管底座箱蓋所受應(yīng)力最大值為116.77Mpa，其最大變形量可達(dá)到1.6403mm；即在變壓器抽真空期間，油箱頂部的鋼板會向變壓器油箱內(nèi)側(cè)方向最大產(chǎn)生1.6403mm的形變量(在套管安裝固定的圓周范圍內(nèi)，由于現(xiàn)場條件可能產(chǎn)生不同的形變量，最大形變量計算為1.6403mm)。

3 改進(jìn)方案的確定及受力分析

中性點套管采用鋼壓塊壓接瓷套的固定方式，在變壓器抽真空期間，油箱頂部變形較大，變形產(chǎn)生的應(yīng)力通過鋼制壓板直接作用在套管的瓷套上，超過瓷套的機械強度后將導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。

結(jié)合三維模型的計算結(jié)果以及對套管瓷套斷裂原因的分析，要從根本上解決此問題，重點在于減少變壓器箱壁的變形或改善瓷套表面所受應(yīng)力的分布狀況，考慮改變套管安裝結(jié)構(gòu)，并利用加大的法蘭來減少應(yīng)力分布，起到加強油箱壁局部壓強的作用。

方案分析：在中性點套管法蘭處局部焊接升高座過渡的方案。采用此方案，利用加大的法蘭來改善應(yīng)力分布，同時對油箱壁起到局部加強的作用，需要通過計算，確認(rèn)改進(jìn)后形變量是否滿足要求?，F(xiàn)場條件設(shè)定：抽真空至絕緣真空，相當(dāng)于期間油箱壁內(nèi)施加載荷為-101Kpa，模型中加大的法蘭采用16Mng鋼板制成，箱蓋采用Q235B鋼板焊接制成。計算方法與原始結(jié)構(gòu)分析方法一致，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，結(jié)構(gòu)強度分析采用ANSYS軟件，在進(jìn)行數(shù)值分析時，部分單元格采用ANSYS的Mesh模型結(jié)構(gòu)和計算機硬件系統(tǒng)設(shè)定合適的單元劃分，假定箱壁邊沿在全載荷過程中位移為零。

從計算結(jié)果可以看出，在采用新的結(jié)構(gòu)和連接方式后，套管法蘭安裝部位的應(yīng)力分布和抽真空期間的變形量都得到了明顯的改善，套管底座箱蓋所受應(yīng)力最大值由116.77MPa降低為73.049MPa，其最大變形量可由1.6403mm縮小為0.36561mm，屬于安全變形量。

同時，為匹配新設(shè)計結(jié)構(gòu)帶來的裝配尺寸的差異，為確保與外部連接部件的可靠連接，對套管也進(jìn)行了重新選型，新舊套管參數(shù)對比如下所示(新套管的所有電氣性能參數(shù)均不低于原套管)：BFW-46/2000，爬電距離 1255mm。

4 項目創(chuàng)新點及結(jié)語

本項目的創(chuàng)新點在于在變壓器本體結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷的情況下，通過對中性點套管安裝部位應(yīng)力狀態(tài)的清晰分析和精確的計算，采用創(chuàng)新的方法對中性點套管安裝部分的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行局部加強，消除了變壓器在檢修期間真空環(huán)境造成油箱變形從而對套管帶來的傷害；同時在確保外部接口不做修改的情況下，對套管的絕緣性能、密封結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了改進(jìn)，使套管運行的可靠性得到了一定的提升。本項目的研究成果有效地彌補了原設(shè)計的結(jié)構(gòu)缺陷，同時也避免了對油箱整體改造所帶來的巨大的現(xiàn)場執(zhí)行風(fēng)險，對現(xiàn)場質(zhì)量、風(fēng)險和效益的管控做到了最優(yōu)化。