西安交通大学 黎铭 等:变压器防爆油箱用多孔材料防爆增强设计与力学性能分析

科技   2024-11-11 17:14   北京  


本期精选

2024年第10


变压器防爆油箱用多孔材料防爆增强设计与力学性能分析

黎铭,方斌,汪可,赵义焜,苏欣,张进华

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20241260

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研究背景




电力变压器作为电能传输的枢纽元件,其故障会对电力系统供电可靠性和运行稳定性带来严重影响。变压器油箱爆炸主要是由于故障导致电能转化为光能、热能、动能等其他形式能量,而动能常以故障震源振动及压力波传播的形式对油箱箱体及内部构件造成严重破坏。现有变压器防爆设计主要从电弧故障检测与切除、压力释放和油箱设计这 3 个方面入手。基于本体结构加强和局部结构改进的研究思路已逐渐无法满足油箱的高能量防爆需求,因此为了提升油箱整体强度,可以采用在油箱内安装轻质化多孔材料的方法来提升油箱抗爆性能。






重点内容




1、防爆油箱多孔材料在低速冲击下的力学特性分析

正-内凹六边形多孔结构是由具有正泊松比效应和正六边形和具有负泊松比的内凹六边形间隔排列组合而成的,2 种胞元的变形会相互抵抗,进而加强其负泊松比特性。正-内凹六边形多孔结构产生了连接对角线的“ \”型的塑性坍塌带,中间胞元的密实化程度会大于上下两侧的胞元, 同时结构出现了轻微的“失稳”现象。负泊松型多孔结构在受到冲击后,靠近冲击端刚性板的胞元会率先受到横向压缩,胞元的侧肋会产生弯曲旋转变形,并带动周围的胞元旋转变形,进而形成局部塑性变形带,出现“颈缩”现象。菱形折纸型多孔结构在受到低速冲击后呈现整体变形特征,结构整体横向膨胀,未产生明显的塑性变形带,但结构铰接处出现了应力集中现象。




2、防爆油箱多孔材料在高速冲击下的力学特性分析

在高速冲击波的作用过程中, 正-内凹六边形多孔材料呈现出最大的能量吸收,该结构在高速冲击下也能表现出优异的抗爆特性。负泊松比型多孔材料在高速冲击下的能量吸收特性在 3 种结构中居中,但该结构由于其负泊松比特性,在变形过程中仍可能存在一定的失稳现象,其能量曲线的波动多,抖动大。菱形折纸型多孔材料的能量吸收特性在 3 种结构中最差,但其能够在高速冲击下快速反应,产生塑性变形,并能够在压力降低后轻微复原,在油箱后续泄压阀开启动作后,仍能起到一定的抗爆作用。








结论



(1)在变压器油箱中布置多孔材料,能够吸收油箱内部爆炸的部分能量, 并提升油箱的抗爆特性。

(2)正-内凹六边形多孔材料由于其具有较高的平台应力和较大的初始峰值应力,能够有效抵御变压器油箱内部爆炸产生的第 1 个冲击波峰值。

(3)菱形折纸型多孔材料具有较长的平台区,能够在后续爆炸冲击波的作用下持续被压缩,进而减轻变压器油箱泄压阀的工作压力。

(4)在防爆油箱选择布置多孔材料时,可以间隔分布组合使用正-内凹六边形多孔材料和菱形折纸型多孔材料,2种材料可以分别用以提升变压器油箱抵抗初始冲击波和后续持续泄压的能力。






后续研究内容





由于在变压器油箱的实际工作过程中,需要考虑加装的多孔材料与内部绝缘油的相容特性,下一步研究将会基于此处出发,根据已有应用在油箱内部的绝缘纸板材料,进一步探索能在变压器油箱绝缘油内工作的多孔结构基底材料。同时,后续也将会在变压器缩比油箱中,开展多孔材料在整机工作时的爆炸吸能实验。



引文信息:

黎铭 , 方斌 , 汪可 ,等. 变压器防爆油箱用多孔材料防爆增强设计与力学性能分析[J]. 高电压技术. 2024, 50(10): 4358-4366


作者及团队介绍





黎铭博士生,主要从事多孔材料设计、变压器防爆油箱方面的研究工作。

E-mail: percygod@stu.xjtu.edu.cn



汪可(通信作者)博士,教授级高工,主要从事先进输变电技术与变压器相关技术的研究工作。

E-mail: wangke1@epri.sgcc.com.cn


科研团队:西安交通大学现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室张进华教授团队。团队共有博士研究生10名,硕士研究生14名,团队聚焦于软体/柔性/仿生机器人技术、复杂机械系统数字化设计与装配、滚动轴承仿真分析与测试技术、非线性振动等研究领域,主持国家重点研发、国家自然科学基金等项目总计19个,参与其他项目总计9个。




责编:曾文君



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