變壓器端子箱抗臺風仿真強度分析

李曼, 杜振斌，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,河北 保定071056）

0 引言

電力變壓器是電廠、變電站的核心設備，端子箱是變壓器其中的一個組部件。端子箱是電力變壓器各種信號的中轉站，作用是將變壓器上各個組部件（如氣體繼電器、壓力釋放閥、變壓器CT、油位計、溫度計、開關、滅火裝置、各種監測儀等測量及保護裝置）所發出的報警信號、跳閘信號及測量信號通過端子箱匯集在一起，再通過電纜把信號傳到變壓器本地控制箱或用戶控制室的控制屏。端子箱通常采用披掛在變壓器本體上和就近落地式這2種固定方式，用戶可自行選擇。如果端子箱在外界作用力下出現箱體傾倒，引起元器件或電纜失效，則引發變壓器控制系統出現故障，從而導致變壓器不能正常運行，甚至危及電廠和電網的安全。因此，端子箱箱體及其固定方式必須具有足夠的強度，以滿足電廠或變電站現場各種環境條件下的運行安全性。

眾所周知，沿海建設的電廠或變電站由于經常受到臺風的侵擾，因此沿海地域的建筑設施或電力設備承受強臺風的強度要求要比陸地電站的高。據調查，部分沿海電站配套變壓器的端子箱采用了就近落地方式，因而在強臺風作用下箱體要承受更高的作用力，這對箱體強度提出更高要求。文中以一臺沿海電站變壓器端子箱在強臺風作用下出現傾倒為例，通過對變壓器端子箱在強臺風作用下的強度進行模擬仿真計算，提出對箱體和固定方式的優化方案，從而提高了端子箱的抗臺風強度。

1 案例描述

2019年7月11日，臺風“瑪莉亞”在福建沿海登陸，臺風中心附近最大風力達到15級（48 m/s），強臺風造成某沿海變電站現場安裝的一臺變壓器端子箱傾倒，如圖1所示，端子箱底部安裝板與基礎固定螺栓處出現了撕裂，因此造成變壓器被迫停止運行，給變電站造成了一定的經濟損失。

如圖1所示,端子箱采用就近落地式固定在變壓器附近的獨立基礎上，傾倒落地部分為端子箱上部的主體箱體，連接基礎的鋼框架為轉接箱，端子箱主體箱體和地面框架之間通過4個螺栓連接。4個螺栓分別位于端子箱主體箱體底部安裝板和轉接箱的4個角上。

2 變壓器端子箱模型及加載

2.1 材料屬性

本文中變壓器端子箱的材料假想為理想的塑性材料，表1中列出了此材料的材料屬性，包括其相關物性參數，如彈性模量、泊松比等。

圖1 變壓器端子箱事故現場圖

表1 主要材料屬性

2.2 幾何模型

按照端子箱實物，采用ANSYS Workbench軟件建立三維模型，并對三維幾何模型中不必要的部分進行了簡化處理。簡化后得到的變壓器端子箱三維幾何模型如圖2所示。此模型中端子箱主體箱體和轉接箱均為板材焊接，僅端子箱主體箱體和轉接箱之間為螺栓連接。

圖2 變壓器端子箱三維模型

2.3 變壓器端子箱的有限元模型

在Workbench軟件中，采用實體單元和殼元進行網格劃分，重要位置進行了網格細化，劃分好的有限元模型如圖3所示。此網格的縱橫比小于2：1，且滿足有限元模型的網格質量要求。

2.4 約束及加載

仿真時對此變壓器端子箱底部施加固定約束的邊界條件，約束此端子箱底板的所有節點的位移和轉角，對整個結構件施加標準重力加速度并依據國家標準《GB 50009—2001建筑結構載荷規范》和現場的實際情況，考慮了迎風面、側風面及背風面相應的風壓系數后，對端子箱施加48 m/s風況的載荷進行強度分析。根據現場端子箱的倒向，判定端子傾倒后的上表面為迎風面，風載具體加載情況如表2所示。

圖3 變壓器端子箱有限元模型

表2 風載加載方式

3 仿真計算及優化

3.1 仿真計算

經過對變壓器端子箱原始模型仿真計算后，端子箱的強度計算應力云圖結果如圖4～圖7所示，由圖7可以看出螺栓連接位置周圍的應力情況。

如圖4～圖7所示，端子箱主體箱體下部和轉接箱連接處幾處局部應力最大值接近282 MPa，超過了箱體材料的許用應力值181.8 MPa。依據計算結果判斷：應力大的位置超過了許用應力，其可能會造成撕裂情況，與實際事故中描述連接底板處撕裂且導致端子箱本體沿來風方向傾倒的情況一致。

圖4 端子箱應力云圖(變形放大10倍)

圖5 端子箱局部應力云圖一（變形放大10倍）

3.2 結構優化

為了使端子箱的強度能夠承受48 m/s的風力載荷，依據3.1節部分的分析結果對端子箱結構及其連接件的薄弱環節進行了優化。依據初始計算結果，從兩方面進行了 優 化：1）將端子箱螺栓由4 個增加到12個；2）將端子箱連接處箱沿厚度增加了1倍。

優化后端子箱的強度計算應力結果如圖8～圖10所示，其中由圖9可以看出優化后螺栓連接位置周圍的應力情況。

如圖8～圖10所示，端子箱箱體下部和轉接箱連接處局部最大應力為289 MPa，此應力由接觸位置應力失真引起，不予考慮；其他位置的強度均小于端子箱材料的許用應力181.8 MPa。優化后，螺栓連接位置周圍的應力情況均小于材料的許用應力，以上描述表明優化后的端子箱能滿足48 m/s風速下的強度要求。

4 結語

圖6 端子箱局部應力云圖二（變形放大10倍）

圖7 端子箱局部應力云圖三（變形放大10倍）

圖8 優化后的端子箱應力云圖一

圖9 優化后的端子箱應力云圖二

圖10 優化后的端子箱局部應力云圖三

按照GB 5009—2012標準，計算的原始端子箱在風速48 m/s工況下的抗風強度不滿足要求；對原始結構參照仿真結果進行了優化，優化后的仿真結果滿足強度要求。2019年該電站按照仿真計算給出的優化建議，對端子箱重新進行維修加固和就位，在恢復控制系統后變壓器重新投入運行。變壓器此次恢復運行1 a多時間中，電站歷經“森拉克”、“米克拉”等幾次臺風，端子箱沒有出現過任何問題，由此也證明了變壓器端子箱優化后結構的可靠性。

通過此次變壓器端子箱抗臺風仿真強度分析工作得出的啟示是，面向實際工程的模擬仿真計算能夠為提高產品安全可靠運行提供有力技術支持。本文提出的計算方法為類似問題提供了一定的借鑒經驗，具有較高的工程實踐意義。