風電升壓干式變壓器組件模態仿真分析

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.天津市政工程設計研究總院有限公司海口分公司3.國網北京市電力公司朝陽供電公司）

0 引言

風電升壓干式變壓器在現場的運行環境中的可靠性非常重要，尤其是外界激勵所引起的共振往往會產生對變壓器結構的破壞。因此應用于風電場的干式變壓器在研發設計階段，需要進行結構動態特性的分析，通過進行模態仿真分析虛擬樣機的結構，在物理樣機制造之前提前預測理論上存在的發生共振的可能性，提前進行結構優化，避免由于結構共振產生的結構失效。

1 仿真模型

應用有限元軟件進行建模，將變壓器幾何模型進行網格劃分為285909個單元，389504個節點。建立模型如圖1所示。

圖1 變壓器有限元模型

2 材料屬性

進行變壓器鐵心模態分析的過程中，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中查出，其他材料屬性需根據實際情況進行合理的等效設置，如表1所示。

表1 材料屬性

3 邊界條件

在模態計算中，不同的邊界條件將直接影響到鐵心結構的模態振型及固有頻率，根據實際變壓器的安裝情況，對變壓器底部進行固定約束。實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 仿真結果

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

（1）連線管模態分析

完成變壓器有限元模型建立后，對約束條件下的變壓器進行模態分析，求得連線管的模態結果如表2所示。

由表2可知，約束狀態下連線管主要發生沿X、Y軸方向的平動變形，固有頻率范圍為11.31~107.13Hz。典型模態振型如圖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 連線管的模態分析結果

綜上所述，連線管的變形位置多發生于連線管中部，當外界激勵頻率達到以上固有頻率時，會發生共振產生較大的變形。為此，應優化連線管的輪廓結構，抑制共振時連線管的變形量。

（2）銅排模態分析

完成變壓器有限元模型建立后，對約束條件下的變壓器進行模態分析，求得低壓出線排、分接排、封線母排和引出排的模態結果，如表3所示。

表3 銅排的模態分析結果

由圖7可知，低壓出線排主要繞Z軸發生扭轉變形，整裝時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，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，封線母排兩端會發生繞Z軸的反向扭轉變形和沿X軸的平動變形。原因為原設計的幾何模型中，封線母排的約束只依靠兩個絕緣子與彎板連接，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）絕緣筒模態分析

完成VESTAS變壓器有限元模型建立后，對約束條件下的變壓器進行模態分析，求得絕緣筒的模態結果如表4所示。

表4 絕緣筒的模態分析結果

由圖10可知，固有頻率為157.38Hz時，A相內部絕緣筒頂部發生輻向變形，分析原因：由于絕緣筒的安裝時，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，B相內部絕緣筒頂部發生輻向變形，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，C相內部絕緣筒頂部發生輻向變形，分析原因同上。

圖12 絕緣筒振型

5 結束語

綜上所述，建議對風電升壓干式變壓器進行結構優化如下：① 連線管：針對連線管變形較大的位置，對其進行一定程度上的壓扁，接頭部分加厚。② 低壓出線排、分接排：對低壓線圈的分接排和2根出線排進行綁定約束。③ 封線母排：對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整。⑤ 絕緣筒：調整絕緣筒軸向尺寸，實現上、下墊塊的壓緊。