電力變壓器開關(guān)油箱爆炸的強(qiáng)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(jié)構(gòu)性能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）,河北 保定071056）

0 引 言

電力變壓器是整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行樞紐，變壓器正常運(yùn)行對(duì)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(dāng)某些短路故障在變壓器開關(guān)油箱內(nèi)部發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的電弧將會(huì)釋放出大量的能量，致使在故障點(diǎn)處的絕緣油會(huì)瞬間被汽化而形成油蒸汽氣泡，氣泡會(huì)分解絕緣油，并且氣泡內(nèi)的壓強(qiáng)會(huì)隨著故障的延續(xù)而劇增，使得各相界面之間出現(xiàn)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(guān)油箱內(nèi)部構(gòu)件的折反射傳播導(dǎo)致油箱內(nèi)部壓力的驟升，從而造成開關(guān)油箱出現(xiàn)鼓包、破裂，甚至導(dǎo)致爆炸事故，由此可能會(huì)引發(fā)變壓器開關(guān)油箱噴油或火災(zāi)等次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員、周圍設(shè)備和環(huán)境的安全[1-2]。

某一臺(tái)大型直流換流變壓器產(chǎn)品運(yùn)行過程中，由于開關(guān)油箱內(nèi)部發(fā)生故障，引發(fā)爆炸從而釋放出20 MJ能量，導(dǎo)致開關(guān)油箱變形鼓包。本文是對(duì)此開關(guān)油箱進(jìn)行爆炸強(qiáng)度分析，首先將該爆炸能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)壓，然后對(duì)模型進(jìn)行加載，進(jìn)而計(jì)算出了開關(guān)油箱及隔板的抗爆機(jī)械強(qiáng)度。

1 能量轉(zhuǎn)換

換流變壓器產(chǎn)品在運(yùn)行過程中，由于開關(guān)油箱內(nèi)部發(fā)生故障，引發(fā)爆炸從而釋放出20 MJ能量。本文依據(jù)能量守恒定律和能量轉(zhuǎn)換公式[1]，將電弧能量載荷轉(zhuǎn)換為絕緣油蒸汽內(nèi)部壓強(qiáng)載荷，計(jì)算得到壓強(qiáng)載荷為468.5 kPa。計(jì)算內(nèi)壓所用到的公式和參數(shù)分別如式（1）和表1所示。

式中：Pgas為過熱絕緣油蒸汽內(nèi)部壓強(qiáng)；γgas為絕緣油蒸汽比熱比；μgas為絕緣油蒸汽比內(nèi)能；ΔHoil為絕緣油混合物從液態(tài)到過熱蒸汽狀態(tài) 的 焓增；α為轉(zhuǎn)化系數(shù)；Warc為電弧能量。

2 開關(guān)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(guān)油箱的材料為Q345，其相關(guān)性能參數(shù)，如彈性模量、泊松比等如表2、表3所示。

表1 計(jì)算壓強(qiáng)所用的部分參數(shù)

表2 各零部件對(duì)應(yīng)的材料

表3 主要材料屬性

2.2 幾何模型

按照1：1比例對(duì)發(fā)生故障的變壓器開關(guān)油箱建立三維幾何模型。在有限元分析之前，先對(duì)三維幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，注意需要忽略一些對(duì)強(qiáng)度分析影響較小的部分。圖1所示為簡(jiǎn)化處理后的變壓器開關(guān)油箱及隔板的幾何模型。

2.3 有限元模型

將變壓器開關(guān)油箱的三維幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，對(duì)變壓器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示。

2.4 約束及加載

進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算時(shí)，模型底部全部約束；模型整體施加重力加速度；開關(guān)油箱及隔板內(nèi)側(cè)施加內(nèi)壓載荷（其中爆炸持續(xù)時(shí)間為80 ms），內(nèi)壓加載及時(shí)間如圖3所示。

圖1 開關(guān)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(nèi)壓加載時(shí)間

3 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算云圖

圖4和圖5分別為該變壓器在爆炸載荷下的時(shí)間迭代和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。圖6～圖8為爆炸載荷下2 s時(shí)的應(yīng)力云圖。圖9～圖11為爆炸載荷下2.08 s 時(shí)的應(yīng)力云圖。

圖12為該變壓器在爆炸載荷下的變形計(jì)算結(jié)果，由圖12 可知，2.08 s時(shí)變形計(jì)算結(jié)果最大為50.5 mm。 圖13～圖15為爆炸載荷下2.08 s時(shí)的變形云圖。

圖4 時(shí)間迭代過程

圖5 爆炸載荷下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6 爆炸載荷下2 s時(shí)的應(yīng)力云圖（一）

圖7 爆炸載荷下2 s時(shí)的應(yīng)力云圖（二）

圖8 爆炸載荷下2 s時(shí)的應(yīng)力云圖（剖視圖）

圖9 爆炸載荷下2.08 s時(shí)的應(yīng)力云圖（一）

圖10 爆炸載荷下2.08 s時(shí)的應(yīng)力云圖（二）

圖11 爆炸載荷下2.08 s時(shí)的應(yīng)力云圖（剖視圖）

圖12 爆炸載荷下的變形結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

由圖6～圖11所示，開關(guān)油箱在80 ms（從2 s到2.08 s的時(shí)間內(nèi)）20 MJ爆炸能量的作用下，其應(yīng)力云圖最大值約416 MPa，大于Q345材料的許用應(yīng)力313.6 MPa；圖12～圖15所示的變形云圖中最大變形達(dá)到50.5 mm，超出標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致開關(guān)油箱箱壁向外鼓包。

圖13 爆炸載荷下2.08 s時(shí)的變形云圖（一）

圖14 爆炸載荷下2.08 s時(shí)的變形云圖（剖視圖）

圖15 爆炸載荷下2.08 s時(shí)的變形云圖（二）

4 結(jié) 論

本文用故障壓力震源模型、能量守恒定律及相關(guān)公式，來獲取電弧持續(xù)過程中絕緣油蒸汽氣泡震源的壓強(qiáng)變化規(guī)律，將電弧能量載荷轉(zhuǎn)換為絕緣油蒸汽內(nèi)部壓強(qiáng)載荷，并將內(nèi)壓施加到各個(gè)爆炸接觸面，計(jì)算結(jié)果表明，在爆炸載荷作用下該模型的抗爆機(jī)械強(qiáng)度不足，需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。此分析方法對(duì)變壓器油箱減壓防爆及結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的參考價(jià)值。