多层铝泡沫夹芯板在防爆换流变压器套管中的优化设计与性能研究

本文针对超高压变压器套管爆炸事故，创新性提出采用梯度密度铝泡沫夹芯板（aluminium foam sandwich panels）防护方案。通过建立气泡-流体-结构耦合数值模型，结合径向基函数（RBF）代理模型和多目标粒子群算法（MOPSO），优化得到面板厚度和芯层密度的全局最优解。研究表明：该设计可有效抵御5 MJ高能电弧故障（high-energy arcing faults），较等质量均质泡沫铝使套管最大应力降低11.6%，位移减少20.4%，为电力设备防爆提供新思路。

　　

Highlight

电弧诱发气泡动力学模型

当油浸式电力设备发生电弧时，会引发周围绝缘油蒸发分解形成气泡。图1通过高速摄像机捕捉到电弧故障期间的气泡行为。高压气泡压缩周围绝缘油导致油压升高，进而冲击设备结构。本质上，气泡增长及其与液体相互作用属于流体-结构耦合问题。

计算模型

在典型ZZDFPZ-405130/500-200换流变压器套管中建立数值模型（图2）。套管直径960 mm，高度3500 mm，壁厚8 mm，采用S355J2高强度结构钢，弹性参数为：杨氏模量E=200 GPa，屈服强度σ_s=355 MPa，切线模量G=6450 MPa，泊松比ν=0.3。套管内侧铺设20 mm厚铝泡沫夹芯板作为防护层。

基于代理模型的夹芯板优化

改变夹芯板结构参数需重新建模计算，传统灵敏度优化方法难以适用。本研究提出代理模型优化流程：

步骤1 通过径向基函数（RBF）建立结构参数与能量吸收/位移的映射关系

步骤2 采用多目标粒子群算法（MOPSO）获取面板厚度和芯层密度的帕累托最优解

Conclusion

研究表明：梯度密度铝泡沫夹芯板能有效分散电弧冲击波能量，优化设计使套管应力集中降低11.6%，形变减少20.4%，为变压器防爆结构设计提供量化依据。