風(fēng)電升壓干式變壓器組件模態(tài)仿真分析

郗小龍 朱天佑 黃策 胡 雷涌

（1.海南金盤智能科技股份有限公司 2.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司?？诜止?.國網(wǎng)北京市電力公司朝陽供電公司）

0 引言

風(fēng)電升壓干式變壓器在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境中的可靠性非常重要，尤其是外界激勵(lì)所引起的共振往往會(huì)產(chǎn)生對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)的破壞。因此應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的干式變壓器在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的分析，通過進(jìn)行模態(tài)仿真分析虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)，在物理樣機(jī)制造之前提前預(yù)測(cè)理論上存在的發(fā)生共振的可能性，提前進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免由于結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)失效。

1 仿真模型

應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行建模，將變壓器幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分為285909個(gè)單元，389504個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立模型如圖1所示。

圖1 變壓器有限元模型

2 材料屬性

進(jìn)行變壓器鐵心模態(tài)分析的過程中，需要確定材料的屬性，包括彈性模量、泊松比和密度。硅鋼片的密度、泊松比可以從材料手冊(cè)中查出，其他材料屬性需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的等效設(shè)置，如表1所示。

表1 材料屬性

3 邊界條件

在模態(tài)計(jì)算中，不同的邊界條件將直接影響到鐵心結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型及固有頻率，根據(jù)實(shí)際變壓器的安裝情況，對(duì)變壓器底部進(jìn)行固定約束。實(shí)際的邊界條件約束如圖2、圖3 所示。

圖2 變壓器頂部約束條件

圖3 變壓器底部約束條件

4 仿真結(jié)果

完成變壓器有限元模型建立后，對(duì)約束條件下的變壓器進(jìn)行模態(tài)分析，求得頻率范圍0~200Hz的固有頻率結(jié)果，觀察結(jié)果可知，變壓器的變形主要發(fā)生在連線管、低壓出線排、高壓引出排、絕緣筒。

（1）連線管模態(tài)分析

完成變壓器有限元模型建立后，對(duì)約束條件下的變壓器進(jìn)行模態(tài)分析，求得連線管的模態(tài)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，約束狀態(tài)下連線管主要發(fā)生沿X、Y軸方向的平動(dòng)變形，固有頻率范圍為11.31~107.13Hz。典型模態(tài)振型如圖4~圖6所示。

圖4 AC相連線管振型

圖5 BC相連線管振型

圖6 AB相連線管振型

表2 連線管的模態(tài)分析結(jié)果

綜上所述，連線管的變形位置多發(fā)生于連線管中部，當(dāng)外界激勵(lì)頻率達(dá)到以上固有頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生共振產(chǎn)生較大的變形。為此，應(yīng)優(yōu)化連線管的輪廓結(jié)構(gòu)，抑制共振時(shí)連線管的變形量。

（2）銅排模態(tài)分析

完成變壓器有限元模型建立后，對(duì)約束條件下的變壓器進(jìn)行模態(tài)分析，求得低壓出線排、分接排、封線母排和引出排的模態(tài)結(jié)果，如表3所示。

表3 銅排的模態(tài)分析結(jié)果

由圖7可知，低壓出線排主要繞Z軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，整裝時(shí)低壓出線排與分接排之間沒有綁定，缺少固定約束，因而變壓器共振時(shí)，低壓出線排存在一定變形。

圖7 低壓出線排振型

由圖8可知，封線母排兩端會(huì)發(fā)生繞Z軸的反向扭轉(zhuǎn)變形和沿X軸的平動(dòng)變形。原因?yàn)樵O(shè)計(jì)的幾何模型中，封線母排的約束只依靠兩個(gè)絕緣子與彎板連接，兩端缺少約束，因而兩端變形最大。

圖8 封線母排振型

由圖9可知，變形位置位于引出排左端，分析原因：由于避雷器右端偏置安裝，因此引起引出排的折彎位置變形較大。

圖9 高壓引出排振型

（3）絕緣筒模態(tài)分析

完成VESTAS變壓器有限元模型建立后，對(duì)約束條件下的變壓器進(jìn)行模態(tài)分析，求得絕緣筒的模態(tài)結(jié)果如表4所示。

表4 絕緣筒的模態(tài)分析結(jié)果

由圖10可知，固有頻率為157.38Hz時(shí)，A相內(nèi)部絕緣筒頂部發(fā)生輻向變形，分析原因：由于絕緣筒的安裝時(shí)，絕緣筒與上墊塊之間軸向裕度較大，沒有壓緊絕緣筒頂部，因而頂部變形較大。

圖10 絕緣筒振型

由圖11可知，固有頻率為157.33Hz時(shí)，B相內(nèi)部絕緣筒頂部發(fā)生輻向變形，分析原因同上。

圖11 絕緣筒振型

由圖12可知，固有頻率為157.29Hz時(shí)，C相內(nèi)部絕緣筒頂部發(fā)生輻向變形，分析原因同上。

圖12 絕緣筒振型

5 結(jié)束語

綜上所述，建議對(duì)風(fēng)電升壓干式變壓器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化如下：① 連線管：針對(duì)連線管變形較大的位置，對(duì)其進(jìn)行一定程度上的壓扁，接頭部分加厚。② 低壓出線排、分接排：對(duì)低壓線圈的分接排和2根出線排進(jìn)行綁定約束。③ 封線母排：對(duì)封線母排兩端添加與夾件之間的連接。④ 引出排：將避雷器的安裝位置向中間調(diào)整。⑤ 絕緣筒：調(diào)整絕緣筒軸向尺寸，實(shí)現(xiàn)上、下墊塊的壓緊。