CN113450999B - 基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法，变压器安装于箱体内,包括以下步骤：分析确定引起变压器爆炸的高压电弧故障的常见位置，所述常见位置包括套管、线圈和分接开关处；建立考虑故障位置的模拟变压器爆炸的流固耦合有限元模型，根据流固耦合有限元模型分析变压器箱体的荷载分布规律及结构薄弱点；根据上述分析所得的荷载比较大、结构比较薄弱的位置，在箱体靠近这些位置的部位预留孔洞；在所述孔洞上布置泄爆装置，所述泄爆装置相对于箱体为薄弱点，爆炸强度足够大时泄爆装置发生破坏，冲击波由孔洞处释放达到泄爆的目的。

Description

基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法
技术领域
本发明属于变压器安全应用技术领域，尤其涉及一种基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法。
背景技术
变压器是电力系统中的核心设备，主要功能是实现能量和电压的转换，一旦变压器发生故障，将导致整个区域内的电力网瘫痪。变压器内部有大量的绝缘油，而且绝缘油直接与高压原件接触，一旦产生高压电弧故障，绝缘油会瞬间气化，导致变压器爆炸。因此，变压器是一种存在危险性的电气设备。2019年11月22日，锡盟-山东1000千伏特高压济南泉城变电站变压器爆燃，事故造成1死两伤。2018年12月27日晚，纽约皇后区联合爱迪生公司变电站的变压器发生爆炸，爆炸产生的蓝光照亮了纽约市的夜空，将天际线都变成了亮蓝色。2016年的6月18日，西安的某330kV变电站主变压器爆炸事故中，本是35kV线路的故障，却一石激起干层浪，电路设备接二连三的发了故障，直至爆燃、烧损主变压器。
变压器爆炸事故会带来巨大的经济损失和安全隐患，会产生非常严重的社会负面影响，尤其是特高压变压器。现有的研究中主要是针对加固变压器箱体和继电保护展开的，众多事故表明效果并不理想。本专利提出变压器泄爆思想，从新的角度解决该类问题。
发明内容
基于此，针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法，以解决变压器高压电弧故障问题，降低该类事故带来的人员伤亡以及经济损失。
本专利技术的核心目的是“泄爆”。变压器爆炸防护领域现有的研究中主要是针对变压器继电保护的技术展开的，本专利提出与之不同的思路，在变压器箱主动设置一个薄弱的部位——泄爆装置。当变压器内部发生高压电弧故障等所诱发的爆炸时，该薄弱位置的泄爆装置首先破坏，释放压力，从而保护变压器的套管等关键部位，同时避免火灾等次生灾害的产生。西安交通大学闫晨光的博士论文《基于压力特征的油浸式电力变压器保护新原理研究》中总结了现有电力变压器减压防爆技术。主要包括：继电保护、压力释放装置。对于继电保护现在最常用的装置是识别故障气体形成而触发的瓦斯继电器，触发时会终止变压器运行。现阶段瓦斯继电器存在可靠性低下、凭经验取阈值、易发生误触和灵敏度低等问题。本专利通过脆性断裂实现泄爆很好地解决了装置灵敏度较低的问题。压力释放装置通过压力释放阀端部爆破封盖破裂，喷油释放压力，但是装置的布设缺乏科学的方法。本专利思想优化的地方在于我们基于数值模拟布设泄爆装置，让该类装置有了更系统和科学的设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法，变压器安装于箱体内,包括以下步骤：
步骤一：分析确定引起变压器爆炸的高压电弧故障的常见位置，所述常见位置包括套管、线圈和分接开关处；
步骤二：建立考虑故障位置的模拟变压器爆炸的流固耦合有限元模型，根据流固耦合有限元模型分析变压器箱体的荷载分布规律及结构薄弱点；
步骤三：根据第二步分析所得的荷载比较大、结构比较薄弱的位置，在箱体靠近这些位置的部位预留孔洞；
步骤四：在所述孔洞上布置泄爆装置，所述泄爆装置相对于箱体为薄弱点，爆炸强度足够大时泄爆装置发生破坏，冲击波由孔洞处释放达到泄爆的目的。
较佳地，所述流固耦合有限元模型对于最可能发生的爆炸工况能得到准确的应力分布特征，使得泄爆装置的布设具有更高的科学性，大大提高了装置的可靠性。
较佳地，泄爆装置的破坏为装置与箱体连接的脆性破坏或装置本身的脆性破坏，通过材料的脆性断裂实现。
较佳地，泄爆装置与箱体的连接处布设密封圈以起到密封作用。
与现有技术对比，总结来说本专利的优点在于：(1)本设计在传统的继电保护方案基础上加了另外一层保护，采用全新的泄爆理念降低变压器高压电弧故障可能带来的经济损失；(2)基于数值模拟结果布设确定泄爆装置位置及触发阈值提高装置的可靠性；(3)本专利采用机械强度控制原则——变压器内部压力达到泄爆阈值，泄爆装置位置处发生机械破坏，可以即时发挥装置的泄爆功能，减少信号转换所需要的时间，提高泄爆装置的灵敏度。
附图说明
图1是本发明建立的流固耦合有限元模型；
图2是本发明箱体材料的双折线材性模型；
图3是本发明流固耦合有限元模型的观测点分布图；
图4是本发明流固耦合有限元模型模拟所得应力时程曲线；
图5是本发明泄爆装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以某公司880kV换流变图纸为基础进行算例说明。该实施方式只是本设计思想所包含的一种具体表现。
步骤一：建立变压器几何模型。变压器的主要组成部分包括油箱、铁心、线圈、分接开关、升高座、套管、油枕和冷却装置等。油箱、铁心、线圈以及升高座等位置的模型建立是根据力学概念和结构抗爆的相关理论开展的，具体过程此处不做展开，模型如图1所示。
步骤二：赋予箱体材料属性。因变压器箱体由钢材组成，可采用双折线材性模型，见图2，应考虑钢材的应变率和强化效应。
步骤三：为考虑流固耦合，赋予绝缘油材料属性。当电弧故障产生时，冲击波会在流体中传递，并且作用在变压器箱体、铁心、线圈以及分接开关等固体结构上。固体结构发生变形和位移会引起流场边界发生改变，使得绝缘油流场的性质改变。所以本设计需要考虑绝缘油与箱体之间的流固耦合作用，以保证计算结果的精确程度。
步骤四：施加荷载工况。高压电弧故障常发生的位置有套管、线圈和分接开关，本算例的电弧故障取在故障率较高的分接开关位置。
步骤五：分析关键位置(箱体荷载比较大、结构比较薄弱的位置)的动力响应时程曲线，如图3所示。对比分析关键位置的动力响应时程曲线(图4)，可以发现：变压器箱体的应力上升速度是非常快的，结构应力响应会在故障产生之后的几毫秒内会达到峰值；变压器箱体的应力响应是从故障位置逐渐扩散开的；变压器箱体的应力分布存在明显的空间分布不均匀特性；且与电弧故障位置相关；变压器的破坏位置的主要影响因素有：变压器箱体薄弱位置、电弧故障位置以及箱体内的压力上升速度。
步骤六：根据步骤五分析结果确定变压器箱体薄弱位置和荷载较大位置，并布设排爆装置。
以下结合图5介绍一种泄爆装置的安装过程。图5包括1-变压器箱体侧壁、2-环形加劲肋、3-刚性盖板、4-高强螺栓。泄爆装置包括环形加劲肋、刚性盖板和高强螺栓，根据步骤六确定的位置，在变压器侧壁开洞，在洞口布设环形加劲肋并在加劲肋上预留螺栓孔。预制与洞口大小匹配的刚性盖板，刚性盖板上也预留螺栓孔。根据设计要求确定所需螺栓强度，并用螺栓将刚性盖板安装到加劲肋上即完成。当变压器箱体内部发生超过阈值的高压电弧故障时，距离故障位置最近的泄爆装置中的高强螺栓先发生脆性断裂从而使刚性盖板打开，释放压力，可在保护套管等关键部位的同时避免火灾等次生灾害。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不仅限于本发明，尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法，变压器安装于箱体内,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：分析确定引起变压器爆炸的高压电弧故障的常见位置，所述常见位置包括套管、线圈和分接开关处；
步骤二：建立考虑故障位置的模拟变压器爆炸的流固耦合有限元模型，并在绝缘油中初始化高压气体模拟变压器的起爆，根据流固耦合有限元模型分析变压器箱体的荷载分布规律及结构薄弱点；
步骤三：根据第二步分析所得的荷载比较大、结构比较薄弱的位置，在箱体靠近这些位置的部位预留孔洞；
步骤四：在所述孔洞上布置泄爆装置，所述泄爆装置相对于箱体为薄弱点，爆炸强度足够大时泄爆装置发生破坏，冲击波由孔洞处释放达到泄爆的目的。
2.根据权利要求1所述的基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆的方法，其特征在于：所述流固耦合有限元模型对于最可能发生的爆炸工况能得到准确的应力分布特征，使得泄爆装置的布设具有更高的科学性，大大提高了装置的可靠性。
3.根据权利要求1所述的基于薄弱点破坏的油浸式变压器泄爆方法，其特征在于：泄爆装置的破坏为装置与箱体连接的脆性破坏或装置本身的脆性破坏，通过材料的脆性断裂实现。
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