李志強(qiáng) 馮偉崗 武咪咪

【摘 要】某核電站500KV升壓變壓器在檢修完成后在進(jìn)行本體抽真空處理時(shí)，多次發(fā)生純瓷型中性點(diǎn)套管瓷套斷裂造成變壓器絕緣油外漏的事件，針對(duì)此狀況，結(jié)合變壓器油箱結(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)套管結(jié)構(gòu)、安裝固定方式、抽真空期間變壓器油箱應(yīng)力分布及箱壁變形情況等進(jìn)行綜合分析和計(jì)算，提出改進(jìn)方案，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)施和驗(yàn)證。

【Abstract】After completing the overhaul of the 500KV boost transformer in a nuclear power station， when carrying out the body evacuation treatment， the insulating oil leakage of transformer， which caused by the fracture of the porcelain sleeve of the neutral bushing of pure porcelain type， occurs many times. In view of this situation， combined with the structure of transformer fuel tank， the structure of neutral point bushing， the installation and fixing mode， the stress distribution of transformer oil tank during vacuum pumping and the deformation of tank wall， the comprehensive analysis and calculation are carried out. The improvement scheme is put forward and implemented and verified in the field.

【關(guān)鍵詞】油箱；中性點(diǎn)套管；瓷套；應(yīng)力

【Keywords】 oil tank； neutral point bushing； porcelain bushing； stress

施英杰【中圖分類號(hào)】TE931.2 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）07-0170-02

1 引言

根據(jù)套管結(jié)構(gòu)分類，可分為電容性和純瓷兩種類型，電容性套管重點(diǎn)需要關(guān)注電容層的性能，包括電容量和介損，避免由于運(yùn)行期間其內(nèi)部持續(xù)的局部放電或過(guò)熱導(dǎo)致電容失效；對(duì)于純瓷型套管而言，在運(yùn)行期間則需要重點(diǎn)關(guān)注其機(jī)械性的損傷，機(jī)械性的損傷同樣會(huì)對(duì)其絕緣性能造成影響，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

2 原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受力及變形狀況分析

2.1 背景信息介紹

該變壓器為某核電站一期核電廠發(fā)電機(jī)出口升壓變壓器，運(yùn)行期間中性點(diǎn)采用直接接地的方式，中性點(diǎn)套管接線板通過(guò)銅片軟連接直接與接地母排相連和接入地網(wǎng)，在考慮中性點(diǎn)絕緣和爬距的前提下，選擇的中性點(diǎn)套管型號(hào)為Type 45N2000，額定電壓45kV，額定電流2000A，爬電距離1090mm。

該變壓器油箱為鐘罩式油箱，變壓器頂部為平頂結(jié)構(gòu)，中性點(diǎn)套管布置在油箱頂部西側(cè)，套管的安裝采用在變壓器頂部焊接固定螺栓后，利用環(huán)型鋼圈將套管瓷套固定在焊接的載絲螺桿上，同時(shí)起到固定套管和對(duì)開(kāi)口部位進(jìn)行密封的作用。套管結(jié)構(gòu)圖如下所示：

如上圖所示，瓷套與變壓器油箱載絲螺桿連接的部位，同時(shí)具有套管緊固和確保密封面壓緊力的作用，如果瓷瓶自身產(chǎn)生破裂等損傷的情況，將導(dǎo)致絕緣性能下降變壓器絕緣油做為變壓器絕緣和冷卻的重要介質(zhì)，如果在運(yùn)行期間發(fā)生不可控的滲漏，將導(dǎo)致變壓器強(qiáng)迫推出運(yùn)行，在監(jiān)控不嚴(yán)的情況下，甚至可能導(dǎo)致重大的設(shè)備損壞事故。

在變壓器檢修過(guò)程中，按照變壓器檢修相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在進(jìn)行變壓器排油檢修，工作結(jié)束后，再次注入變壓器油之前，都需要對(duì)變壓器進(jìn)行抽真空，在進(jìn)行主變油箱抽真空期間，多次發(fā)生套管底部瓷套破裂導(dǎo)致中性點(diǎn)法蘭密封面滲油的現(xiàn)象。

2.2 受力及變形量分析計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)條件確認(rèn)：

①該變壓器為鐘罩式結(jié)構(gòu)，變壓器頂部為平頂結(jié)構(gòu)，在水平方向跨度較大，頂部鋼板缺少額外的支撐；

②按照變壓器檢修規(guī)程的要求，在進(jìn)行變壓器抽真空期間，要求變壓器內(nèi)部真空度為4mbar以下，變壓器內(nèi)部各處壓力均相等，并且要求保持真空至少48H；

③套管處于緊固的狀態(tài)，螺桿按照力矩要求進(jìn)行緊固；

對(duì)套管瓷套表面受力情況進(jìn)行分析，在變壓器抽真空期間（在真空度為4mbar以下的狀態(tài)下），計(jì)算是按照變壓器內(nèi)部為絕對(duì)真空進(jìn)行計(jì)算，油箱承受101Kpa（約為1個(gè)大氣壓）的內(nèi)外壓差，變壓器油箱的材料為Q235B的鋼板，厚度約為20mm厚，利用力學(xué)分析中常用的方法，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用ANSYS軟件，在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，部分單元格采用ANSYS的Mesh模型結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)定合適的單元?jiǎng)澐帧?/p>

根據(jù)三維模型分析結(jié)果，在變壓器本體抽真空期間，等效于在箱壁內(nèi)側(cè)時(shí)間-101Kpa的載荷，在假定箱壁邊沿不發(fā)生位移的情況下，套管底座箱蓋所受應(yīng)力最大值為116.77Mpa，其最大變形量可達(dá)到1.6403mm；即在變壓器抽真空期間，油箱頂部的鋼板會(huì)向變壓器油箱內(nèi)側(cè)方向最大產(chǎn)生1.6403mm的形變量（在套管安裝固定的圓周范圍內(nèi)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件可能產(chǎn)生不同的形變量，最大形變量計(jì)算為1.6403mm）。

3 改進(jìn)方案的確定及受力分析

中性點(diǎn)套管采用鋼壓塊壓接瓷套的固定方式，在變壓器抽真空期間，油箱頂部變形較大，變形產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)鋼制壓板直接作用在套管的瓷套上，超過(guò)瓷套的機(jī)械強(qiáng)度后將導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。

結(jié)合三維模型的計(jì)算結(jié)果以及對(duì)套管瓷套斷裂原因的分析，要從根本上解決此問(wèn)題，重點(diǎn)在于減少變壓器箱壁的變形或改善瓷套表面所受應(yīng)力的分布狀況， 考慮改變套管安裝結(jié)構(gòu)，并利用加大的法蘭來(lái)減少應(yīng)力分布，起到加強(qiáng)油箱壁局部壓強(qiáng)的作用。

方案分析：在中性點(diǎn)套管法蘭處局部焊接升高座過(guò)渡的方案。采用此方案，利用加大的法蘭來(lái)改善應(yīng)力分布，同時(shí)對(duì)油箱壁起到局部加強(qiáng)的作用，需要通過(guò)計(jì)算，確認(rèn)改進(jìn)后形變量是否滿足要求。現(xiàn)場(chǎng)條件設(shè)定：抽真空至絕緣真空，相當(dāng)于期間油箱壁內(nèi)施加載荷為-101Kpa，模型中加大的法蘭采用16Mng鋼板制成，箱蓋采用Q235B鋼板焊接制成。計(jì)算方法與原始結(jié)構(gòu)分析方法一致，采用PRO/engineer Wildfire建立的模型，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用ANSYS軟件，在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，部分單元格采用ANSYS的Mesh模型結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)定合適的單元?jiǎng)澐?，假定箱壁邊沿在全載荷過(guò)程中位移為零。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在采用新的結(jié)構(gòu)和連接方式后，套管法蘭安裝部位的應(yīng)力分布和抽真空期間的變形量都得到了明顯的改善，套管底座箱蓋所受應(yīng)力最大值由116.77MPa降低為73.049MPa，其最大變形量可由1.6403mm縮小為0.36561mm，屬于安全變形量。

同時(shí)，為匹配新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的裝配尺寸的差異，為確保與外部連接部件的可靠連接，對(duì)套管也進(jìn)行了重新選型，新舊套管參數(shù)對(duì)比如下所示（新套管的所有電氣性能參數(shù)均不低于原套管）：BFW-46/2000，爬電距離1255mm。

4 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)及結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于在變壓器本體結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷的情況下，通過(guò)對(duì)中性點(diǎn)套管安裝部位應(yīng)力狀態(tài)的清晰分析和精確的計(jì)算，采用創(chuàng)新的方法對(duì)中性點(diǎn)套管安裝部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行局部加強(qiáng)，消除了變壓器在檢修期間真空環(huán)境造成油箱變形從而對(duì)套管帶來(lái)的傷害；同時(shí)在確保外部接口不做修改的情況下，對(duì)套管的絕緣性能、密封結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了改進(jìn)，使套管運(yùn)行的可靠性得到了一定的提升。本項(xiàng)目的研究成果有效地彌補(bǔ)了原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)缺陷，同時(shí)也避免了對(duì)油箱整體改造所帶來(lái)的巨大的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量、風(fēng)險(xiǎn)和效益的管控做到了最優(yōu)化。