變壓器端子箱抗臺風(fēng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)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(guān)、滅火裝置、各種監(jiān)測儀等測量及保護裝置）所發(fā)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(xiàn)箱體傾倒，引起元器件或電纜失效，則引發(fā)變壓器控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致變壓器不能正常運行，甚至危及電廠和電網(wǎng)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(xiàn)場各種環(huán)境條件下的運行安全性。

眾所周知，沿海建設(shè)的電廠或變電站由于經(jīng)常受到臺風(fēng)的侵?jǐn)_，因此沿海地域的建筑設(shè)施或電力設(shè)備承受強臺風(fēng)的強度要求要比陸地電站的高。據(jù)調(diào)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(fēng)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(fēng)作用下出現(xiàn)傾倒為例，通過對變壓器端子箱在強臺風(fēng)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(yōu)化方案，從而提高了端子箱的抗臺風(fēng)強度。

1 案例描述

2019年7月11日，臺風(fēng)“瑪莉亞”在福建沿海登陸，臺風(fēng)中心附近最大風(fēng)力達(dá)到15級（48 m/s），強臺風(fēng)造成某沿海變電站現(xiàn)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(chǔ)固定螺栓處出現(xiàn)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(jīng)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(chǔ)上，傾倒落地部分為端子箱上部的主體箱體，連接基礎(chǔ)的鋼框架為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)物性參數(shù)，如彈性模量、泊松比等。

圖1 變壓器端子箱事故現(xiàn)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(zhuǎn)接箱均為板材焊接，僅端子箱主體箱體和轉(zhuǎn)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(wǎng)格劃分，重要位置進行了網(wǎng)格細(xì)化，劃分好的有限元模型如圖3所示。此網(wǎng)格的縱橫比小于2：1，且滿足有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)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(jié)點的位移和轉(zhuǎn)角，對整個結(jié)構(gòu)件施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度并依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》和現(xiàn)場的實際情況，考慮了迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面及背風(fēng)面相應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)后，對端子箱施加48 m/s風(fēng)況的載荷進行強度分析。根據(jù)現(xiàn)場端子箱的倒向，判定端子傾倒后的上表面為迎風(fēng)面，風(fēng)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(fēng)載加載方式

3 仿真計算及優(yōu)化

3.1 仿真計算

經(jīng)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(yīng)力云圖結(jié)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(yīng)力情況。

如圖4～圖7所示，端子箱主體箱體下部和轉(zhuǎn)接箱連接處幾處局部應(yīng)力最大值接近282 MPa，超過了箱體材料的許用應(yīng)力值181.8 MPa。依據(jù)計算結(jié)果判斷：應(yīng)力大的位置超過了許用應(yīng)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(dǎo)致端子箱本體沿來風(fēng)方向傾倒的情況一致。

圖4 端子箱應(yīng)力云圖(變形放大10倍)

圖5 端子箱局部應(yīng)力云圖一（變形放大10倍）

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使端子箱的強度能夠承受48 m/s的風(fēng)力載荷，依據(jù)3.1節(jié)部分的分析結(jié)果對端子箱結(jié)構(gòu)及其連接件的薄弱環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化。依據(jù)初始計算結(jié)果，從兩方面進行了 優(yōu) 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(yōu)化后端子箱的強度計算應(yīng)力結(jié)果如圖8～圖10所示，其中由圖9可以看出優(yōu)化后螺栓連接位置周圍的應(yīng)力情況。

如圖8～圖10所示，端子箱箱體下部和轉(zhuǎn)接箱連接處局部最大應(yīng)力為289 MPa，此應(yīng)力由接觸位置應(yīng)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(yīng)力181.8 MPa。優(yōu)化后，螺栓連接位置周圍的應(yīng)力情況均小于材料的許用應(yīng)力，以上描述表明優(yōu)化后的端子箱能滿足48 m/s風(fēng)速下的強度要求。

4 結(jié)語

圖6 端子箱局部應(yīng)力云圖二（變形放大10倍）

圖7 端子箱局部應(yīng)力云圖三（變形放大10倍）

圖8 優(yōu)化后的端子箱應(yīng)力云圖一

圖9 優(yōu)化后的端子箱應(yīng)力云圖二

圖10 優(yōu)化后的端子箱局部應(yīng)力云圖三

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

通過此次變壓器端子箱抗臺風(fēng)仿真強度分析工作得出的啟示是，面向?qū)嶋H工程的模擬仿真計算能夠為提高產(chǎn)品安全可靠運行提供有力技術(shù)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(jīng)驗，具有較高的工程實踐意義。