变压器端子箱抗台风仿真强度分析

李曼, 杜振斌，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,河北 保定071056）

0 引言

电力变压器是电厂、变电站的核心设备，端子箱是变压器其中的一个组部件。端子箱是电力变压器各种信号的中转站，作用是将变压器上各个组部件（如气体继电器、压力释放阀、变压器CT、油位计、温度计、开关、灭火装置、各种监测仪等测量及保护装置）所发出的报警信号、跳闸信号及测量信号通过端子箱汇集在一起，再通过电缆把信号传到变压器本地控制箱或用户控制室的控制屏。端子箱通常采用披挂在变压器本体上和就近落地式这2种固定方式，用户可自行选择。如果端子箱在外界作用力下出现箱体倾倒，引起元器件或电缆失效，则引发变压器控制系统出现故障，从而导致变压器不能正常运行，甚至危及电厂和电网的安全。因此，端子箱箱体及其固定方式必须具有足够的强度，以满足电厂或变电站现场各种环境条件下的运行安全性。

众所周知，沿海建设的电厂或变电站由于经常受到台风的侵扰，因此沿海地域的建筑设施或电力设备承受强台风的强度要求要比陆地电站的高。据调查，部分沿海电站配套变压器的端子箱采用了就近落地方式，因而在强台风作用下箱体要承受更高的作用力，这对箱体强度提出更高要求。文中以一台沿海电站变压器端子箱在强台风作用下出现倾倒为例，通过对变压器端子箱在强台风作用下的强度进行模拟仿真计算，提出对箱体和固定方式的优化方案，从而提高了端子箱的抗台风强度。

1 案例描述

2019年7月11日，台风“玛莉亚”在福建沿海登陆，台风中心附近最大风力达到15级（48 m/s），强台风造成某沿海变电站现场安装的一台变压器端子箱倾倒，如图1所示，端子箱底部安装板与基础固定螺栓处出现了撕裂，因此造成变压器被迫停止运行，给变电站造成了一定的经济损失。

如图1所示,端子箱采用就近落地式固定在变压器附近的独立基础上，倾倒落地部分为端子箱上部的主体箱体，连接基础的钢框架为转接箱，端子箱主体箱体和地面框架之间通过4个螺栓连接。4个螺栓分别位于端子箱主体箱体底部安装板和转接箱的4个角上。

2 变压器端子箱模型及加载

2.1 材料属性

本文中变压器端子箱的材料假想为理想的塑性材料，表1中列出了此材料的材料属性，包括其相关物性参数，如弹性模量、泊松比等。

图1 变压器端子箱事故现场图

表1 主要材料属性

2.2 几何模型

按照端子箱实物，采用ANSYS Workbench软件建立三维模型，并对三维几何模型中不必要的部分进行了简化处理。简化后得到的变压器端子箱三维几何模型如图2所示。此模型中端子箱主体箱体和转接箱均为板材焊接，仅端子箱主体箱体和转接箱之间为螺栓连接。

图2 变压器端子箱三维模型

2.3 变压器端子箱的有限元模型

在Workbench软件中，采用实体单元和壳元进行网格划分，重要位置进行了网格细化，划分好的有限元模型如图3所示。此网格的纵横比小于2：1，且满足有限元模型的网格质量要求。

2.4 约束及加载

仿真时对此变压器端子箱底部施加固定约束的边界条件，约束此端子箱底板的所有节点的位移和转角，对整个结构件施加标准重力加速度并依据国家标准《GB 50009—2001建筑结构载荷规范》和现场的实际情况，考虑了迎风面、侧风面及背风面相应的风压系数后，对端子箱施加48 m/s风况的载荷进行强度分析。根据现场端子箱的倒向，判定端子倾倒后的上表面为迎风面，风载具体加载情况如表2所示。

图3 变压器端子箱有限元模型

表2 风载加载方式

3 仿真计算及优化

3.1 仿真计算

经过对变压器端子箱原始模型仿真计算后，端子箱的强度计算应力云图结果如图4～图7所示，由图7可以看出螺栓连接位置周围的应力情况。

如图4～图7所示，端子箱主体箱体下部和转接箱连接处几处局部应力最大值接近282 MPa，超过了箱体材料的许用应力值181.8 MPa。依据计算结果判断：应力大的位置超过了许用应力，其可能会造成撕裂情况，与实际事故中描述连接底板处撕裂且导致端子箱本体沿来风方向倾倒的情况一致。

图4 端子箱应力云图(变形放大10倍)

图5 端子箱局部应力云图一（变形放大10倍）

3.2 结构优化

为了使端子箱的强度能够承受48 m/s的风力载荷，依据3.1节部分的分析结果对端子箱结构及其连接件的薄弱环节进行了优化。依据初始计算结果，从两方面进行了 优 化：1）将端子箱螺栓由4 个增加到12个；2）将端子箱连接处箱沿厚度增加了1倍。

优化后端子箱的强度计算应力结果如图8～图10所示，其中由图9可以看出优化后螺栓连接位置周围的应力情况。

如图8～图10所示，端子箱箱体下部和转接箱连接处局部最大应力为289 MPa，此应力由接触位置应力失真引起，不予考虑；其他位置的强度均小于端子箱材料的许用应力181.8 MPa。优化后，螺栓连接位置周围的应力情况均小于材料的许用应力，以上描述表明优化后的端子箱能满足48 m/s风速下的强度要求。

4 结语

图6 端子箱局部应力云图二（变形放大10倍）

图7 端子箱局部应力云图三（变形放大10倍）

图8 优化后的端子箱应力云图一

图9 优化后的端子箱应力云图二

图10 优化后的端子箱局部应力云图三

按照GB 5009—2012标准，计算的原始端子箱在风速48 m/s工况下的抗风强度不满足要求；对原始结构参照仿真结果进行了优化，优化后的仿真结果满足强度要求。2019年该电站按照仿真计算给出的优化建议，对端子箱重新进行维修加固和就位，在恢复控制系统后变压器重新投入运行。变压器此次恢复运行1 a多时间中，电站历经“森拉克”、“米克拉”等几次台风，端子箱没有出现过任何问题，由此也证明了变压器端子箱优化后结构的可靠性。

通过此次变压器端子箱抗台风仿真强度分析工作得出的启示是，面向实际工程的模拟仿真计算能够为提高产品安全可靠运行提供有力技术支持。本文提出的计算方法为类似问题提供了一定的借鉴经验，具有较高的工程实践意义。