电力变压器开关油箱爆炸的强度分析

杜振斌， 李曼, 路素银, 任瑞杰

（河北省输变电装备电磁与结构性能重点实验室（筹）,河北 保定071056）

0 引 言

电力变压器是整个电力系统运行枢纽，变压器正常运行对电能的可靠传输、灵活分配以及安全使用起着决定性作用。当某些短路故障在变压器开关油箱内部发生时，产生的电弧将会释放出大量的能量，致使在故障点处的绝缘油会瞬间被汽化而形成油蒸汽气泡，气泡会分解绝缘油，并且气泡内的压强会随着故障的延续而剧增，使得各相界面之间出现巨大压差并且以压力波的形式向四周传播，压力波在变压器开关油箱内部构件的折反射传播导致油箱内部压力的骤升，从而造成开关油箱出现鼓包、破裂，甚至导致爆炸事故，由此可能会引发变压器开关油箱喷油或火灾等次生灾害，严重威胁到现场运行人员、周围设备和环境的安全[1-2]。

某一台大型直流换流变压器产品运行过程中，由于开关油箱内部发生故障，引发爆炸从而释放出20 MJ能量，导致开关油箱变形鼓包。本文是对此开关油箱进行爆炸强度分析，首先将该爆炸能量转换成内压，然后对模型进行加载，进而计算出了开关油箱及隔板的抗爆机械强度。

1 能量转换

换流变压器产品在运行过程中，由于开关油箱内部发生故障，引发爆炸从而释放出20 MJ能量。本文依据能量守恒定律和能量转换公式[1]，将电弧能量载荷转换为绝缘油蒸汽内部压强载荷，计算得到压强载荷为468.5 kPa。计算内压所用到的公式和参数分别如式（1）和表1所示。

式中：Pgas为过热绝缘油蒸汽内部压强；γgas为绝缘油蒸汽比热比；μgas为绝缘油蒸汽比内能；ΔHoil为绝缘油混合物从液态到过热蒸汽状态 的 焓增；α为转化系数；Warc为电弧能量。

2 开关油箱模型及加载

这一部分主要介绍仿真分析中所用到的材料属性、几何模型、有限元模型及其约束和加载。

2.1 材料属性

此变压器开关油箱的材料为Q345，其相关性能参数，如弹性模量、泊松比等如表2、表3所示。

表1 计算压强所用的部分参数

表2 各零部件对应的材料

表3 主要材料属性

2.2 几何模型

按照1：1比例对发生故障的变压器开关油箱建立三维几何模型。在有限元分析之前，先对三维几何模型进行简化处理，注意需要忽略一些对强度分析影响较小的部分。图1所示为简化处理后的变压器开关油箱及隔板的几何模型。

2.3 有限元模型

将变压器开关油箱的三维几何模型导入到ANSYS Workbench软件中，对变压器进行网格划分，有限元模型如图2所示。

2.4 约束及加载

进行瞬态计算时，模型底部全部约束；模型整体施加重力加速度；开关油箱及隔板内侧施加内压载荷（其中爆炸持续时间为80 ms），内压加载及时间如图3所示。

图1 开关油箱及隔板的几何模型

图2 变压器及附件有限元模型

图3 内压加载时间

3 瞬态计算结果

3.1 计算云图

图4和图5分别为该变压器在爆炸载荷下的时间迭代和应力计算结果。图6～图8为爆炸载荷下2 s时的应力云图。图9～图11为爆炸载荷下2.08 s 时的应力云图。

图12为该变压器在爆炸载荷下的变形计算结果，由图12 可知，2.08 s时变形计算结果最大为50.5 mm。 图13～图15为爆炸载荷下2.08 s时的变形云图。

图4 时间迭代过程

图5 爆炸载荷下的应力计算结果

图6 爆炸载荷下2 s时的应力云图（一）

图7 爆炸载荷下2 s时的应力云图（二）

图8 爆炸载荷下2 s时的应力云图（剖视图）

图9 爆炸载荷下2.08 s时的应力云图（一）

图10 爆炸载荷下2.08 s时的应力云图（二）

图11 爆炸载荷下2.08 s时的应力云图（剖视图）

图12 爆炸载荷下的变形结果

3.2 结果分析

由图6～图11所示，开关油箱在80 ms（从2 s到2.08 s的时间内）20 MJ爆炸能量的作用下，其应力云图最大值约416 MPa，大于Q345材料的许用应力313.6 MPa；图12～图15所示的变形云图中最大变形达到50.5 mm，超出标准要求，导致开关油箱箱壁向外鼓包。

图13 爆炸载荷下2.08 s时的变形云图（一）

图14 爆炸载荷下2.08 s时的变形云图（剖视图）

图15 爆炸载荷下2.08 s时的变形云图（二）

4 结 论

本文用故障压力震源模型、能量守恒定律及相关公式，来获取电弧持续过程中绝缘油蒸汽气泡震源的压强变化规律，将电弧能量载荷转换为绝缘油蒸汽内部压强载荷，并将内压施加到各个爆炸接触面，计算结果表明，在爆炸载荷作用下该模型的抗爆机械强度不足，需进一步优化结构。此分析方法对变压器油箱减压防爆及结构优化有一定的参考价值。