箱式變電站中變壓器結構尺寸優化設計研究

馮 博, 馮國勝, 王?；? 郭書英, 胡雪松

(1.河北建投交通投資有限責任公司,河北 石家莊 050051;2. 石家莊鐵道大學 機械工程學院,河北 石家莊 050043;3. 河北電力裝備有限公司,河北 邯鄲 056000)

隨著國家綠色低碳節能要求越來越高,國內變壓器制造廠商圍繞節能、可靠性、全生命周期等綠色節能需要,開發出了更低損耗要求的變壓器。目前市場需求的箱變大多為3 150 kVA以下容量,而隨著風光資源的利用率提高,5 000 kVA及以上智能型大容量箱變需求會逐漸增多。智能型大容量新能源箱變主要由智能低壓部分、升壓變壓器、高壓部分以及高防護等級外殼組成。大容量箱式變電站對變壓器的輕量化設計、散熱性能和智能檢測運維等方面提出了更高的要求[1-3]。

由于變壓器的損耗與其容積成比例,所以隨著變壓器容量的增大,其容積和損耗將以鐵芯尺寸三次方增加,而外表面積只以尺寸的二次方增加[4]。因此,大容量變壓器鐵芯及繞組應浸在油中,表面應加設輻射散熱器[5]。另外,近些年變壓器燃爆起火越來越引起重視,這對于油箱設計提出了新的要求。以箱式變電站中應用的S18-3150的冷卻變壓器油箱為工程背景,在SolidWorks中創建變壓器油箱箱體和變壓器油的三維有限元模型,使用流固耦合的方法進行了變壓器油箱箱體在受到變壓器油的壓力和鐵芯及繞組重力作用下的靜強度分析,以油箱壁厚和加強筋厚度為設計變量,采用多目標遺傳算法優化油箱結構參數[6]。

1 變壓器油箱有限元模型的建立

研制的變壓器油箱型號為S18-3150,總重為7 500 kg,油重1 500 kg,箱體(含散熱器)為3 380 kg。其體積為0.36 m3,鐵芯及繞組質量2 620 kg。

1.1 箱體建模

油箱主要由后箱體、高壓面板、低壓面板、箱底、箱蓋5個重要部分組成[7]。如圖1所示,其中后箱體外側懸掛有4組散熱器,高壓面板外側有傳感器支撐件、高壓法蘭、避雷器支撐架等組件,低壓面板外側有隔磁板、溫控管、手拉閥、壓力表座等組件。油箱箱底內部有3個凸起的加強筋,用于支撐變壓器鐵芯及繞組。需要冷卻的變壓器鐵芯及繞組如圖2所示。

圖1 油箱結構圖

圖2 變壓器鐵芯及繞組

根據變壓器油箱箱體的相關尺寸,在SolidWorks中創建變壓器箱體和變壓器油的三維模型。該三維模型為實體模型,具有許多螺紋孔、銷孔和零件安裝孔等,為進行箱體的有限元分析對模型進行了整理和簡化,如圖3所示。

ANSYS Workbench軟件將變壓器油箱箱體抽取中間面之后進行仿真分析。一般在抽取完中間面后零件與零件之間會產生縫隙,為了使零件之間的網格連接起來,需要采取延伸命令消除縫隙。網格的劃分至關重要,擁有較高質量的網格可以得出較為精準的結果。通常合理的網格尺寸需要多次的調整,甚至需要網格局部加密等,該變壓器油箱采取了殼單元和實體單元混合建模。通過反復調整和比較網格質量系數、網格縱橫比、偏斜系數和正交質量系數,最后確定網格尺寸為10 mm,網格數量為167 596,網格節點數量為171 458。

1.2 鐵芯和繞組建模

圖4 實體單元網格(單位:mm)

浸泡在變壓器油箱中的鐵芯和繞組形狀復雜。將其等效簡化為長方體,以便使用六面體單元劃分網格,在這里采用SOLID185單元進行模擬。反復調整網格質量系數、網格縱橫比、偏斜系數和正交質量系數,最后確定網格尺寸為10 mm,網格數量為634 092,網格節點數量為2 554 097,如圖4所示。

1.3 變壓器油建模

變壓器油模型在SolidWorks中建立后便和變壓器油箱箱體裝配到一起,變壓器油模型的尺寸由變壓器油質量和密度決定,選用的是25#變壓器油。在變壓器油與油箱箱體壁面的接觸面和變壓器油與鐵芯和繞組的接觸面構建了變壓器油的約束壁面。變壓器油模型可以和油箱箱體模型一起輸出(.x_t)文件導入ANSYS Workbench的變壓器油模塊。

在DesignModeler中可定義變壓器油的邊界條件。將變壓器油與油箱接觸區域命名為F-IN-WALL作為耦合面,用于輸出變壓器油的壓力,如圖5所示。將變壓器油的上表面以及其余邊界面命名為F-OUT-WALL作為邊界,用于定義變壓器油的形狀,如圖6所示。將油箱箱體與變壓器油接觸面,即與F-IN-WALL對應的面命名為S-IN-WALL,用于靜應力模塊中接受變壓器油模塊輸出結果。

圖5 F-IN-WALL 耦合面(單位:m)

圖6 F-OUT-WALL邊界(單位:m)

在變壓器油模塊的mesh中將箱體模型全部抑制,只保留變壓器油模型。變壓器油模型需要使用體網格劃分,對小尺寸面進行了更精細的尺寸劃分, 將尺寸設為5 mm,變壓器油網格節點數量為346 192,網格單元數量為1 825 924。

2 基于單向流固耦合的油箱靜強度分析

變壓器油箱箱體受到變壓器油的壓力和鐵芯及繞組重力的作用,一般有2種計算靜強度方法。一種是使用液體壓強公式直接在容器內壁施加靜壓力,但研究的變壓器油內浸泡有鐵芯及繞組生熱組件,該方法無法模擬出真實情況。另一種是流固耦合,在流體模塊中計算出變壓器油的表面壓強,再導入靜強度模塊中進行靜強度分析,流固耦合法可更好地模擬實際工況[8]。

2.1 實現單向流固耦合的主要步驟

單向流固耦合的流程包括如下幾個步驟:

圖7 變壓器油壓力云圖

(1)在SolidWorks中創建變壓器油箱箱體和變壓器油的三維有限元模型。

(2)在ANSYS Workbench中搭建出單向流固耦合模塊。

(3)導入三維模型,進行變壓器油箱及變壓器油的有限元前處理。

(4)在Fluent模塊中進行只在重力作用下的變壓器油域仿真分析。Fluent啟動器選用雙精度,運算線程增加到3,GPU加速增加1,以便提高運算速度。

(5)變壓器油模塊通過刷新將結果導入靜應力模塊,在靜應力模塊中加載約束并計算。

通過有限元分析,變壓器油的最大壓力出現在變壓器油的最底部,為12 230 Pa。如圖7所示。

圖8 導入載荷

2.2 單向流固耦合靜強度分析

為對變壓器油箱進行單向流固耦合靜強度分析,首先需要加載重力載荷,變壓器鐵芯及繞組重2 620 kg,重力加速度為9.8 m/s2,變壓器生熱件施加于底面的重力為25 676 N。然后添加邊界約束,變壓器油箱箱底一側、高壓面板底面和低壓面板底面與地面固定,3面添加固定約束。接著在導入的載荷中插入變壓器油產生的壓力,將導入壓力的范圍限定方法選為‘命名選擇’,然后選擇在前處理中命名的S-IN-WALL,導入載荷后如圖8所示。

這里分析的變壓器油箱中既有鐵芯及繞組也有變壓器油。分析結果得到了總變形和等效應力。變壓器油箱的總變形和等效應力如圖9和圖10所示。

圖9 總變形圖(單位:mm)

圖10 等效應力圖(單位:mm)

分析結果表明,流體模塊中計算出變壓器油的最大壓強為12 230 Pa。在既有鐵芯及繞組也有變壓器油的工況下,油箱的最大應力為114.42 MPa,未超過材料的許用應力180 MPa。最大應力處于底面加強筋和低壓面板焊接處,變壓器油箱的最大變形出現在低壓面板中心處,為2.1 mm,變形處于接受范圍內,整體有優化空間。

3 基于多目標遺傳算法的油箱結構參數優化

通過單向流固耦合靜強度分析,油箱的最大應力未超過材料的許用應力,油箱的最大變形在許用變形范圍內。優化設計的主要目的為在滿足應力強度和變形的前提下盡可能減少變壓器油箱的質量。為優化油箱結構參數,使用敏感度分析提取設計變量,響應代理模型分析誤差,基于多目標遺傳算法對油箱進行了優化設計。

3.1 設計變量和約束條件的確定

為了減少變壓器油箱的質量,依據油箱結構主要設計參數,確定了9個設計變量,如表1所示。

表1 設計變量

約束條件即對設計變量的域添加一個范圍,同時對目標函數添加最大條件,即優化后的目標函數不可超出所添加的最大條件,如變壓器油箱材料Q235的屈服強度為235 MPa,安全系數取1.3～1.5,則最大等效應力不可超出156 ～180 MPa。本文對目標函數的約束為最大等效壓力小于180 MPa,最大變形量小于5 mm,油箱箱體總質量(不包括散熱器等)小于704.0 kg。

3.2 使用敏感度分析確定主要設計變量

只有少數設計變量會對目標函數有較大的作用,為節省計算成本,使用靈敏度分析可以篩選出重要的設計變量,分析哪些設計變量的變化對總質量的影響較大。由設計變量對總質量靈敏度分析可知,設計變量P1后箱體厚度、P6高壓面板厚度、P8 箱底厚度、P12低壓面板厚度對總質量影響較大。取P1后箱體厚度、P6高壓面板厚度、P8箱底厚度、P12低壓面板厚度這4個設計變量。

3.3 基于多目標遺傳算法的油箱結構參數優化

采用多目標遺傳算法對變壓器油箱箱體進行結構優化。在許多問題的決策過程中,存在著一些問題的優化目標間的沖突,也就是不能讓每一個目標函數都具有最優解。而多目標遺傳算法則是利用自己獨特的運算邏輯,尋找多目標優化問題的最佳解集。在系統計算出的多組目標中,系統會選擇3組最優解,再從3組最優解中選出1組目標。優化圓整后將數據導入靜強度分析模塊中重新分析,目標參數見表2,設計變量優化結果見表3。優化后變壓器油箱箱體的質量降低了202.0 kg。

表2 目標參數

表3 設計變量優化結果

3.4 優化前后油箱的性能對比

優化后變壓器油箱的位移及應力的仿真結果如圖11和圖12所示。由圖11可知,優化后最大變形量約為4.3 mm,出現在低壓面板加強筋區域中心,雖然最大變形量增加,但仍然處于安全范圍內。由圖12可知,等效應力為176.12 MPa,處于底面加強筋和低壓面板焊接處,雖然最大等效應力增大,但仍然小于180 MPa,位于安全區內。

經過油浸式變壓器的電場計算,繞組表面的油隙是整個絕緣結構的薄弱點,該處的場強值小于容許的場強值,優化后其絕緣結構符合要求[7,9]。

圖11 優化后總變形圖

圖12 優化后等效應力

4 結語

以型號S18-3150的變壓器油箱為工程背景,基于單向流固耦合的方法對油箱箱體進行了靜強度仿真分析,并對油箱主要的結構參數進行了優化設計,使得油箱箱體在滿足材料的許用應力和最大變形量的條件下,變壓器油箱的質量降低了202.0 kg,節約了產品制造成本。