关于电力变压器油箱强度分析与仿真研究

蒙朝刚

摘 要：电力变压器油箱在承受一定的真空度以及正压机械强度时，其油箱在正常情况下是不会出现损伤和永久变形的。但是根据不同等级电压的变压器，由于其油箱内部绝缘条件的真空度的要求不同，其承受的真空和正压的强度也会发生变化，因此本篇文章主要采用仿真对比的方式对电力变压器油箱在真空或正压工作的情况下，采用等效解析算法对导致油箱变形的因素进行了分析，仅供参考。

关键词：电力变压器油箱；强度；仿真研究；解析算法

引 言：一般情况下，电力变压器油箱在真空或正压工作的情况下，出现变形或应力的概率会相对较大，其在施压过程中出现局部弹性变形或是在泄压后出现局部永久变形为主要的变形问题；其中局部焊缝处开裂和钢板出现裂缝为主要的应力问题。

1. 油箱强度的分析

在进行油箱结构的选择时，考虑到力学和散热原理，需要采用平板和加强筋进行结合的方式，能够对其可靠性有着较好的保证，同时加强筋能够根据油箱的具体要求设计出多种结构，以下主要对其中的立板加强结构形式做主要的分析。其中油箱单侧示意图如下：

图1 立板加强筋油箱示意图

1.1等效梁解析算法

在进行局部的分析计算的时候，将加强筋所处的位置作为等效位置，采取均布载荷下梁受力的计算方式，其中几何非线性的情况不计入考虑范畴之内，变形最大值以及弯度应力最大值的计算公式应如下所示：

∱_max=5∙q∙B₁∙H⁴/384∙E∙I (1) ；σ_max=q∙B₁∙H²/8∙∙W （2）；^[1]

1.2等厚矩形板解析算法

如上图所示，其虚线的位置对梁位置的影响作用相对较小，其应力与变形的计算方式可采用等效梁的计算方式，但是在仿真和实际测算过程中，发现箱壁加强板之间会出现区域变形的情况，因此在计算过程中，需要对宽度的应力（即宽度在受到外界作用时，其箱体表面产生的与其对抗的反作用力）与变形情况进行一定的考虑，再将平板与加强板之间的刚度关系进行结合，其计算公式应如下所示：

σ_max=α∙（B₂/t）²∙q （1）；∱_max=β∙（B₂/t）⁴∙q/E∙t （2）^[2]

1.3有限元仿真计算

图2 油箱变形云图 图3 油箱应力云图

电力变压器油箱的箱壁壁体相对较薄，在求解过程中使用壳单元进行运算，同时根据工程仿真技术与实际测量的数据，可以得出该模型的相对大小和结构形状，将其网格大小控制在30——50mm，其载荷为60kPa，从而计算可得出整个油箱的变形最大值为8.6mm，变形位置为其箱体上部的连接位置，但是并未超过材料的最大承受范围。

2. 影响强度的因素

2.1解析值与仿真值对比结果

项目	变形				应力
	长轴加强板	长轴箱壁	短轴加强板	短轴箱壁	长轴加强板	长轴箱壁	短轴加强板	短轴箱壁
解析值	4.72	8.50	3.94	3.45	123.42	259.08	95.84	161.92
仿真值	4.58	8.49	3.02	2.64	204.1	151.35	136.94	76.87
偏差	-2.5%	-0.1%	-23.3%	-23.0%	-65.2%	-41.5%	-42.8%	-52.4%

根据上表中的数据结果可以看出，在油箱变形的计算过程中采用解析算法的计算方式，相对结果较为准确，误差小；但是在油箱应力的计算过程中，出现了误差过大的情况，主要是因为其力学方程和边界条件的相关方程设定的关系。在实际的工作过程中，对于油箱的应变和应力测量过程相对较为繁琐，而从油箱受损的情况可以分析出其主要的受损状态为永久性不可恢复的变形问题，因此在进行工程操作的过程中，采用解析算法在一定程度上能够减少油箱发生损坏的情况。

2.2影响因素

影响油箱出现变形问题与应力问题的原因是复杂多样的，除去比较常见的箱壁厚度、加强板的高度、厚度、间距甚至是排列顺序，都会对油箱整体的强度和刚度产生不同程度的影响，此外包括在计算方式的选择，边界条件的设定以及实验过程中其箱体的固定方式等都会对其计算结果产生一定的影响，因此在实验的过程中，要将各个可能对实验因素造成影响的数据进行更为精准的把控，从而将实验结果的准确性控制在合理的范畴之内。

3. 油箱真空强度仿真

在对电力变压器油箱进行仿真分析的过程中，选取了7802MVA/500kV型号的

三相变压器，采用ANSYS分析系统进行全面研究，同时选用分体结构和整体结构两种分析方法对其进行更为全面的分析。

3.1分体结构仿真

图4 分体结构油箱模型

由于本次实验选取的油箱为桶式结构，因此在箱体高度上，上箱体要小于下箱体，上下箱体通过螺栓进行连接。在实验过程中，主要实验部分集中在下箱体，同时要对上下箱体连接处条件进行处理，在适当的情况下进行一定的简化，将小部件的影响降低到最小，选择油箱受压部分载荷进行计算。当结果不超过Q235钢235MPa屈服强度时，是符合标准的。在进行分体结构分析时，油箱由于其连接处的螺孔尺寸与螺栓尺寸具有一定差异，因此其最大的变形值与测量值中间应该存在固定的差值，在其侧壁尺寸较小的时候，其数值是相对较为准确的。

3.2整体结构仿真

图5 整体结构油箱模型

当桶式油箱的油箱边缘的刚度不足的时候，采用分体结构进行实验时，会出现位移的情况，因此采用整体结构分析的分析方式能够得出相对比较准确的实验结果。即将油箱箱盖加入到模型当中，其计算方式同分体结构的计算方式相同，计算得出结果。然后对其油箱的运输、起吊以及安装过程等进行仿真实验，从而对其油箱的强度进行是否合格的判断。

3.3仿真数据与试验数据分析

分体分析方式油箱变形分布（高压侧） 分体分析方式油箱变形分布（低压侧）

整体分析方式油箱变形分布（高压侧） 整体体分析方式油箱变形分布（低压侧）

在实验过程中，对油箱高低压测变形数值进行实时的跟踪记录，文章中低压侧数据为代表，设置固定的A/B两点进行测量，起始变形量为30mm和22mm，对实验结果进行分析，其具体数值如下：

当总装抽真空时长为13h，真空压强为110pa时，A点变形量为35mm，B点变形量为22mm；总装抽真空时长为20h，真空压强为95pa时，A点变形量为36mm，B点变形量为32mm；总装抽真空时长为32h，真空压强为60pa时，A点变形量为48mm，B点变形量为41mm；总装抽真空时长为48h，真空压强为40pa时，A点变形量为47mm，B点变形量为43mm。

下表是对整个实验数据进行统计，将数据进行概括后，进行分析的结果（本实验结果=实验中最大变形值-原始变形值）：

位置	高压侧	低压侧	左侧	右侧
分体分析/mm	15.95	12.45	3.74	3.76
整体分析/mm	15.84	16.69	3.43	3.41
实验结果/mm	20	21	4	4

根据上表中的数据可以得出，在高压侧与低压侧一端仿真数据与试验数据存在着一定的差异，其中高压侧分体两种仿真分析方式数据差异较小，低压侧整体分析方式数据更接近于试验数据；左侧与右侧一端其仿真数据与试验数据相对较为接近。由此表可以看出整体分析方法与分体分析方法在实际的操作过程中都会存在一定的误差，但是相对比较起来，整体分析方式更接近实际的实验数据。

3.4影响实验因素

导致其仿真实验出现误差的因素具有多样化，一方面由于桶式油箱在实际的工作工程中，上下油箱之间会出现位移的情况，而位移大小与螺母的松紧，箱沿的尺寸都有着相关的联系，另一方面由于上箱盖的开孔相对较大，在进行整体分析的时候，需要对相关的条件进行较为明确的设定，从而将开孔位置与开孔大小对刚度的影响进行降低。

4. 结束语

本篇文章一方面对油箱强度的影响因素进行了分析，另一方面以桶式油箱为

例，进行了分体仿真分析和整体仿真分析的研究，表明在研究的过程中，其箱沿的刚度，以及侧壁尺寸的大小等，都会对油箱变形产生较大的影响。同时箱盖开孔尺寸相对较大时，会出现箱沿刚度不足的情况，都会对油箱的强度产生一定的影响。因此在进行强度分析与仿真研究的过程中，要对其各种因素进行全方位的考量，将各方面数都进行较好的把控，以便在实际的工作过程中能够更好地进行施工操作，保证施工顺利进行。

参考文献：
[1]刘小鹏,李小蓉,宁朝辉,刘国训,于水.电力变压器油箱强度分析与仿真研究[J].电工技术,2019(12):27-28+71.
[2]欧强,辛朝辉,李英,李小蓉,李中祥,陈洪波.大型变压器油箱强度的仿真研究[J].变压器,2015,52(01):20-23.