油浸式非晶配電變壓器波紋油箱強(qiáng)度分析

張 弛，呂較鵬，李庚原，李 巖

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變壓器在電力系統(tǒng)中的作用已越發(fā)重要。油箱作為變壓器的一部分，在變壓器計(jì)算中較為重要。然而，現(xiàn)今油箱計(jì)算尤其是波紋油箱計(jì)算存在兩方面不足：一是其油箱受力缺乏準(zhǔn)確的計(jì)算，二是針對(duì)變壓器用波紋油箱的薄弱點(diǎn)，尤其是波紋油箱焊縫缺乏較為深入的研究。焊縫作為波紋油箱中最為薄弱的部分，在變壓器遭受到短路沖擊時(shí)，油箱焊縫經(jīng)常發(fā)生焊縫滲、漏油等狀況，一旦發(fā)生該種事故，將影響變壓器的使用，從而影響正常供電。因此對(duì)變壓器波紋油箱在短路工況下的油箱強(qiáng)度及波紋片焊縫強(qiáng)度進(jìn)行研究具有重要的意義。

目前不少學(xué)者針對(duì)變壓器油箱強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究，主要針對(duì)大型變壓器，而對(duì)配電變壓器研究較少。文獻(xiàn)[1]針對(duì)一臺(tái)180 MVA/220 kV上下分體式變壓器的油箱正壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，利用有限元分析軟件 ANSYS對(duì)油箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)大型變壓器油箱不同結(jié)構(gòu)分析方法的仿真對(duì)比，為變壓器油箱強(qiáng)度分析提供了一種可靠有效的仿真分析方法。文獻(xiàn)[3]通過電流在變壓器繞組中的傳變特性，得出一種簡(jiǎn)便的變壓器短路電流分析方法，但并未對(duì)油箱強(qiáng)度進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[4]針對(duì)油浸式變壓器密封失效問題進(jìn)行探討，并針對(duì)密封失效的因素，提出相應(yīng)對(duì)策，但并未對(duì)油箱強(qiáng)度進(jìn)行分析。綜上可知，上述文獻(xiàn)是針對(duì)電力變壓器油箱進(jìn)行研究，但其研究方法并不適用于配電變壓器波紋油箱。配電變壓器波紋油箱強(qiáng)度分析與電力變壓器油箱存在兩點(diǎn)差異：一是配電變壓器與電力變壓器油箱強(qiáng)度分析方法不同，二是油箱本體所受載荷沖擊不同。

針對(duì)近年來配電變壓器波紋油箱強(qiáng)度分析較少的情況，本文以一臺(tái)500 kVA非晶配電變壓器為研究對(duì)象，對(duì)其三相短路工況下短路電流和繞組軸向電磁力進(jìn)行了數(shù)值分析，提出了一些關(guān)于波紋油箱的受力特點(diǎn)，并對(duì)變壓器油箱在遭受繞組軸向電磁力時(shí)，箱蓋及波紋片焊縫形變和應(yīng)力變化過程進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

1 變壓器電磁特性分析

對(duì)于變壓器而言，當(dāng)兩個(gè)繞組高度不等或內(nèi)有分接段時(shí)，會(huì)使軸向高度安匝分布出現(xiàn)不平衡，產(chǎn)生徑向漏磁分量，而這些徑向漏磁分量與短路電流相互作用，會(huì)產(chǎn)生軸向力。在實(shí)際變壓器中，繞組之間存在一定的軸向不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向力。繞組軸向力通過夾件等部件傳遞到配電變壓器油箱箱蓋，對(duì)變壓器箱蓋進(jìn)行軸向沖擊，在油箱箱底被約束的條件下，油箱波紋板焊縫等薄弱位置易受力損壞而發(fā)生滲、漏油等狀況。

本文針對(duì)一臺(tái)容量為500 kVA、電壓等級(jí)為10 kV的非晶配電變壓器為例，建立三維電磁場(chǎng)模型如圖1所示。其中油箱設(shè)置為隱藏。

圖1 變壓器三維模型

為研究變壓器繞組短路軸向力，采用三相短路進(jìn)行分析，設(shè)A相電壓過零時(shí)發(fā)生三相短路，A相電流達(dá)到一個(gè)最大的峰值。變壓器高低壓繞組高度不等，對(duì)變壓器繞組軸向力有較大影響，而在實(shí)際工作中，變壓器繞組在安裝過程中，繞組軸向高度一般不會(huì)處于理想情況，而會(huì)發(fā)生一定的軸向偏移。因此主要從以下三種情況分析，三種情況如圖2所示。

圖2 變壓器繞組截面

如圖2所示，三種情況分別是：①變壓器理想情況；②變壓器高壓繞組向下偏移0.5%高度；③變壓器高低壓繞組底面平行，處于同一水平面上。

從圖3和圖4可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，變壓器A相繞組短路電流在10 ms時(shí)達(dá)到最大，因此，在10 ms時(shí)，變壓器A相繞組軸向力達(dá)到最大。

圖3 變壓器高壓繞組短路電流

圖4 變壓器低壓繞組短路電流

采用有限元分析的方法，仿真變壓器三相短路運(yùn)行工況下繞組漏磁場(chǎng)與電磁力分布，結(jié)果如圖5和圖6所示，磁通密度達(dá)到3 T，其高壓繞組向外受力，低壓繞組向內(nèi)受力。

圖5 繞組漏磁場(chǎng)云圖

圖6 繞組電磁力分布

進(jìn)行變壓器短路過程的繞組電磁力計(jì)算時(shí)，考慮電磁力的瞬態(tài)效應(yīng)，短路電磁力可以用式(1)表示：

(1)

式中Kn為沖擊短路電動(dòng)力系數(shù)[5]。

通過場(chǎng)計(jì)算器分別計(jì)算變壓器在10 ms時(shí)三種情況下三相繞組的軸向力，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器三相繞組在10 ms時(shí)軸向力 N

由表1可以看出：隨著變壓器繞組軸向偏移位移的增大，變壓器整體軸向力也逐漸增大。

2 變壓器油箱強(qiáng)度仿真分析

2.1 箱壁變形理論計(jì)算

在小撓度(fmax≤2t，t為鋼板厚度)情況下，橫向均布載荷ρ作用下的鋼板平壁的最大應(yīng)力σmax(MPa)和最大撓度fmax(m)分別為：

(2)

(3)

2.2 油箱強(qiáng)度仿真分析計(jì)算

配電變壓器在三相對(duì)地短路中，繞組軸向力通過夾件等部件傳遞到配電變壓器油箱箱蓋，對(duì)變壓器箱蓋進(jìn)行軸向沖擊。設(shè)A相繞組電流過零點(diǎn)，取起始短路第一個(gè)周期內(nèi)即10 ms時(shí)的繞組軸向力對(duì)箱蓋進(jìn)行沖擊。通過簡(jiǎn)化夾件等部件，其箱蓋受到繞組短路軸向力沖擊示意圖如圖7所示。

圖7 箱蓋受到繞組軸向力簡(jiǎn)化示意圖

采用Workbench軟件用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊計(jì)算油箱強(qiáng)度，變壓器油箱模型如圖8，其材料參數(shù)見表2。

圖8 變壓器油箱模型

表2 油箱材料屬性

圖9和圖10常情況下，油箱受變壓器繞組軸向載荷力作用下，油箱整體的形變和應(yīng)變?cè)茍D。可以看出：最大位移和應(yīng)力均出現(xiàn)于油箱箱蓋中部，最大位移為0.23 mm，最大應(yīng)力為24.25 MPa。其中變壓器油箱箱蓋厚度為10 mm，根據(jù)JBT 10319-2014變壓器用波紋油箱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，箱蓋在強(qiáng)度試驗(yàn)中允許的最大形變量為0.5倍箱蓋厚，所以最大位移并未超過變壓器油箱強(qiáng)度試驗(yàn)下允許最大變形量，其最大應(yīng)力未超過油箱材料的屈服強(qiáng)度，符合行業(yè)要求。

圖9 正常情況油箱形變?cè)茍D

圖10 正常情況油箱應(yīng)變?cè)茍D

圖11圖12別為正常情況油箱正面波紋片形變和應(yīng)變?cè)茍D，可以看出正面波紋片最大位移主要集中于波紋片波翅焊縫處，最大位移為0.046 mm，而最大應(yīng)力位于波紋片、波紋片波翅焊縫與箱壁接觸位置，為12.045 MPa。其中變壓器油箱波紋片波翅厚度為1.5 mm，根據(jù)JBT 10319-2014變壓器用波紋油箱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，波紋片波翅在強(qiáng)度試驗(yàn)中允許的最大形變量為3倍片厚，所以最大位移并未超過變壓器油箱強(qiáng)度試驗(yàn)下允許最大變形量，其最大應(yīng)力未超過油箱材料的屈服強(qiáng)度，符合行業(yè)要求。

圖11 正常情況油箱正面波紋片形變?cè)茍D

圖12 油箱正面波紋片應(yīng)變?cè)茍D

圖13為正常情況油箱正面波紋片與箱壁接觸處應(yīng)力曲線圖，可以看出正面波紋片最大應(yīng)力主要集中于波紋片波翅焊縫處，最大應(yīng)力為13.338 MPa，隨著距離的增加，當(dāng)位于波紋片焊縫處時(shí)，應(yīng)力變大，當(dāng)位于兩片波紋片波翅中間時(shí)，應(yīng)力減小。

圖13 正常情況油箱正面波紋片與箱壁接觸處應(yīng)力曲線圖

同理，計(jì)算變壓器高壓繞組向下軸向偏移0.5%高度和變壓器高低壓繞組底面平行，處于同一水平面上兩種情況下的變壓器油箱正面波紋片最大位移和最大應(yīng)力。

綜上所述，在實(shí)際工作中，變壓器繞組因受到自身重力的影響和安裝過程中操作的問題，繞組軸向高度一般不會(huì)處于理想情況，而會(huì)發(fā)生一定的軸向偏移，可能達(dá)到變壓器高壓繞組向下軸向偏移0.5%高度和變壓器高低壓繞組底面平行，處于同一水平面上兩種情況，從而對(duì)變壓器油箱在短路時(shí)的強(qiáng)度校核產(chǎn)生影響。由表3可以看出：隨著變壓器繞組軸向偏移位移的增大，變壓器整體軸向力逐漸增大，變壓器油箱波紋片波翅焊縫的最大位移和最大應(yīng)力也隨之增大。

表3 變壓器油箱正面波紋片最大位移和最大應(yīng)力

3 結(jié) 語(yǔ)

1)針對(duì)配電變壓器在短路沖擊試驗(yàn)中存在的油箱波紋板焊縫漏油問題，以一臺(tái)500 kVA非晶配電變壓器油箱為研究對(duì)象進(jìn)行電磁和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，從而得出變壓器在三種情況下各相繞組的軸向力，隨著變壓器繞組軸向偏移位移的增大，變壓器整體軸向力也逐漸增大。

2)仿真計(jì)算了變壓器油箱在三種情況下波紋片波翅焊縫處的最大位移和最大應(yīng)力，隨著變壓器繞組軸向偏移位移的增大，變壓器整體軸向力逐漸增大，變壓器油箱波紋片波翅焊縫的最大位移和最大應(yīng)力也隨之增大。

3)對(duì)波紋油箱強(qiáng)度計(jì)算得到油箱最大形變?cè)诓y片波翅焊縫處，最大位移為0.046 mm，而最大應(yīng)力位于波紋片、波紋片波翅焊縫與箱壁接觸位置，為12.045 MPa，本文方法能夠?yàn)樽儔浩饔拖鋸?qiáng)度校核提供參考依據(jù)。