變壓器排油注氮滅火裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

變壓器排油注氮滅火裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1變壓器油箱設(shè)計(jì)的基本原則電力變壓器是能源系統(tǒng)的一個(gè)中心設(shè)備。它在整個(gè)能源系統(tǒng)中起到了能量和電壓的作用。這個(gè)缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了整個(gè)能源系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。由于變壓器內(nèi)部含有大量絕緣油且直接與高壓元件相連接,因此變壓器是一種存在危險(xiǎn)性的電氣設(shè)備。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生高能量電弧故障時(shí),電弧弧芯溫度將達(dá)到上千攝氏度,使得故障點(diǎn)周?chē)慕^緣油瞬間汽化,由于故障持續(xù),汽化后的絕緣油將發(fā)生裂解反應(yīng)而生成分子結(jié)構(gòu)更小的氣體。大量氣體的析出將與周?chē)^緣油的相界面上產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力波,通過(guò)絕緣油在變壓器油箱內(nèi)部的金屬構(gòu)件之間反射、傳播,導(dǎo)致靜態(tài)壓力的升高,當(dāng)壓力升高超過(guò)變壓器油箱的承壓極限時(shí)將導(dǎo)致油箱開(kāi)裂或爆炸。理論上,變壓器油箱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在其內(nèi)部發(fā)生最嚴(yán)重電弧故障情況下,油箱不發(fā)生變形、開(kāi)裂或爆炸。但是,基于這種觀點(diǎn)油箱將按照壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)、制造。事實(shí)上,并非所有的內(nèi)部電弧故障都是高能量故障,而這樣的設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上都不能被業(yè)界接受。相反,通過(guò)對(duì)變壓器油箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以及在薄弱點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,可以有效提高變壓器油箱的最大承壓能力。在我國(guó)排油注氮裝置主要用于變壓器發(fā)生火災(zāi)后的消防滅火領(lǐng)域,《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GB50229-2006)》中寫(xiě)道:“變壓器排油注氮滅火裝置的應(yīng)用可以解決水噴霧滅火系統(tǒng)的許多困難,排油注氮滅火系統(tǒng)比起火噴霧滅火系統(tǒng)來(lái)是較為簡(jiǎn)單的”。2變壓器動(dòng)態(tài)壓力持續(xù)波動(dòng)的影響油浸式電力變壓器是通過(guò)具有高介電性能的絕緣油進(jìn)行內(nèi)部的冷卻與絕緣。變壓器長(zhǎng)期進(jìn)行過(guò)程中,絕緣油由于受潮、氧化等因素使得介電性能下降,導(dǎo)致電弧故障的發(fā)生。由于電弧阻抗很小,弧芯溫度將達(dá)到上千攝氏度,使其電弧周?chē)慕^緣油瞬間氣化而產(chǎn)生許多氣泡;同時(shí)由于電弧能量的持續(xù)釋放,將進(jìn)一步使已經(jīng)氣化的絕緣油裂解而生成更小分子結(jié)構(gòu)的氣體如氫氣、甲烷、乙烷、乙烯和乙炔等。隨著氣泡的產(chǎn)生,變壓器內(nèi)部的動(dòng)態(tài)壓力驟升并以壓力波的形式在變壓器內(nèi)部金屬構(gòu)件之間反射、傳播。動(dòng)態(tài)壓力的持續(xù)波動(dòng)將使得變壓器內(nèi)部靜態(tài)壓力升高,當(dāng)靜態(tài)壓力升高水平超過(guò)變壓器油箱所能承受的最大機(jī)械強(qiáng)度時(shí),將引發(fā)油箱開(kāi)裂或爆炸。靜態(tài)壓力的升高水平將取決于電弧的能量大小、持續(xù)時(shí)間和發(fā)生位置。相關(guān)文獻(xiàn)中所述的試驗(yàn)性研究表明:變壓器油箱所能承受的最大靜態(tài)壓力能力取決于變壓器油箱的膨脹特性以及油箱的體積。3電弧能量與油箱爆炸文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)了關(guān)于加拿大魁北克地區(qū)25年來(lái)發(fā)生在735kV輸電系統(tǒng)中的175次變壓器故障記錄。其中,高能量電弧故障發(fā)生111次,導(dǎo)致變壓器油箱爆炸44次,引發(fā)火災(zāi)18次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。表2中列出了電弧能量與油箱爆炸、火災(zāi)概率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由表可以看出,在700kV等級(jí)、電弧能量大于8.5MJ的情況下將導(dǎo)致油箱爆炸。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:(1)變壓器內(nèi)部故障電弧能量越高,越容易導(dǎo)致變壓器油箱爆炸。(2)不是所有的油箱爆炸事故都將引發(fā)火災(zāi),且電弧能量與油箱爆炸后發(fā)生火災(zāi)的可能性之間無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。(3)由高壓套管故障導(dǎo)致的油箱爆炸引發(fā)火災(zāi)的可能性最大。4變壓器油箱設(shè)計(jì)IEEEC57.12.00“關(guān)于油浸式電力變壓器的一般要求”和IEEEC57.12.10“關(guān)于230kV及以下變壓器的安全要求”是目前國(guó)際上主要的關(guān)于變壓器防爆與減壓的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),可以具體總結(jié)如下。(1)變壓器在正常運(yùn)行時(shí),油箱中最大壓力不得高于2030kPa。否則,變壓器油箱必須按照壓力容器進(jìn)行建造和設(shè)計(jì),且滿(mǎn)足美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)對(duì)壓力容器的要求。(2)變壓器油箱必須滿(mǎn)足當(dāng)所受壓力超過(guò)其壓力極限的25%時(shí),油箱不能發(fā)生變形。(3)容量超過(guò)2500kVA或電壓等級(jí)超過(guò)200kV變壓器,必須在其頂部安裝壓力釋放閥。(4)變壓器設(shè)計(jì)測(cè)試中需要證明其油箱的形狀、類(lèi)型都滿(mǎn)足IEEEC57.12.00標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是IEEEC57.12.00和C57.12.10兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只給出了變壓器工作于正常運(yùn)行狀態(tài)下壓力極限要求,并沒(méi)有給出在變壓器發(fā)生異常情況下(如發(fā)生內(nèi)部電弧故障)對(duì)壓力極限的要求。相比于后果嚴(yán)重的變壓器爆炸事故,業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明顯滯后。5目前，國(guó)際上最常用的環(huán)境保護(hù)技術(shù)和減壓措施5.1變壓器壓力容器理論上,變壓器油箱的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在其內(nèi)部發(fā)生最嚴(yán)重電弧故障(發(fā)生高壓套管故障)情況時(shí),保證變壓器不發(fā)生變形、開(kāi)裂或爆炸。但是,基于這種觀點(diǎn)變壓器將按照壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造。對(duì)于壓力容器,各個(gè)國(guó)家都有極其嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和制造要求,這將大大增加變壓器的制造工序和生產(chǎn)成本,而使變壓器廠家及其用戶(hù)難以接受。此外,在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于簡(jiǎn)單的變壓器操作(如變壓器油取樣、儀表改裝、變壓器附加設(shè)備操作等)將變得異常繁瑣和復(fù)雜。此外,并非所有的內(nèi)部電弧故障都是高能量故障,因此將變壓器按照壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上不能被業(yè)界接受。5.2變壓器油箱蓋焊接方式的聯(lián)合由于不是所有的電弧故障都像高壓套管電弧故障那樣嚴(yán)重,因此可以通過(guò)對(duì)變壓器油箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和補(bǔ)強(qiáng)加固來(lái)達(dá)到提高變壓器器箱的最大承壓能力。加拿大魁北克電力管理部門(mén)與ABB公司從1984年至1987年進(jìn)行了聯(lián)合的調(diào)查研究,結(jié)果表明:變壓器油箱蓋通過(guò)焊接比螺栓固定具有更高的耐壓能力。這一條已經(jīng)寫(xiě)進(jìn)了IEEE的C57.12.10的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):230kV及以下變壓器頂蓋都必須焊接連接。另外,通過(guò)在變壓器油箱頂蓋接縫、分接頭安裝處等易發(fā)生開(kāi)裂的弱機(jī)械強(qiáng)度部位加裝撐條等措施,都可以起到補(bǔ)強(qiáng)加固的作用,從而提高變壓器整體的耐壓能力。5.3空氣導(dǎo)通導(dǎo)致絕緣油解壓安裝在變壓器頂部的壓力釋放閥,可以在變壓器內(nèi)部壓力升高時(shí),通過(guò)閥體開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的釋放,從而保護(hù)油箱不發(fā)生開(kāi)裂、爆炸。早期壓力釋放裝置的主要缺點(diǎn)是:鵝頸型彎管的長(zhǎng)度將在一定程度上阻止爆破片的破裂。另外,一旦壓力釋放閥動(dòng)作,變壓器油箱內(nèi)部將與外部空氣導(dǎo)通,從而導(dǎo)致絕緣油受潮、氧化。近年來(lái),針對(duì)這些問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外的一些壓力釋放閥生產(chǎn)廠家進(jìn)行了產(chǎn)品的改進(jìn)和升級(jí),一些新型的可重復(fù)密封的壓力釋放閥已經(jīng)廣泛安裝在各類(lèi)變壓器上。但是,根據(jù)加拿大魁北克供電公司的變壓器事故統(tǒng)計(jì)可以看出:裝有壓力釋放閥的變壓器油箱同樣會(huì)發(fā)生開(kāi)裂或爆炸事故。人們不禁要問(wèn),壓力釋放閥是否具備保護(hù)變壓器的能力?文獻(xiàn)指出:對(duì)于變壓器內(nèi)部發(fā)生非嚴(yán)重電弧故障如繞組內(nèi)部電弧故障、有載分接開(kāi)關(guān)故障以及調(diào)相器故障時(shí),壓力釋放閥能夠成功保護(hù)數(shù)以萬(wàn)計(jì)變壓器的安全。相關(guān)文獻(xiàn)還指出,對(duì)于大容量油浸式電力變壓器,其內(nèi)部發(fā)生較高能量電弧故障的原因是動(dòng)態(tài)壓力的急劇升高,在壓力釋放閥動(dòng)作之前,油箱局部已經(jīng)出現(xiàn)開(kāi)裂或爆炸。對(duì)于較低能量電弧故障,變壓器油箱能夠通過(guò)自身的機(jī)械膨脹“消化”這些壓力,而壓力釋放閥只是起到釋放剩余壓力的作用。5.4爆破片爆破排油注氮裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧故障時(shí),由電弧產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力波將在變壓器油箱內(nèi)傳播反射(油中的傳播速度為1.2m/ms)。沖擊波的第一個(gè)波峰由故障處傳播至爆破片(位置1)時(shí),將使得爆破片爆裂。此時(shí),油箱內(nèi)部過(guò)壓的油、氣混合物將迅速通過(guò)減壓室(位置2)噴入油氣分離罐(位置3)中,同時(shí)將故障性氣體從油氣分離罐中排放出去。另外,氮?dú)鈱⑼ㄟ^(guò)裝置4注入變壓器油箱和油氣分離罐中,起到冷卻和保持壓力的作用。根據(jù)法國(guó)某公司進(jìn)行的多次全尺寸變壓器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示:安裝有排油注氮裝置的變壓器,在內(nèi)部不同位置發(fā)生不同能量等級(jí)的電弧故障后,該裝置都能在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)反應(yīng)、動(dòng)作,從而避免變壓器油箱發(fā)生開(kāi)裂或爆炸。5.5降低變壓器油箱財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)加拿大魁北克地區(qū)變壓器故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn):故障電弧能量大小與變壓器爆炸與否密切相關(guān)。因此,降低變壓器油箱爆炸風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)減少故障持續(xù)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)提高變壓器電氣量繼電保護(hù)的速動(dòng)性和靈敏度可以有效縮短電弧故障的持續(xù)時(shí)間,從而達(dá)到降低電弧能量的目的。這種方法是目前被業(yè)界普遍認(rèn)可的主要變壓器保護(hù)措施。5.6工作介質(zhì)設(shè)計(jì)氣體繼電器廣泛應(yīng)用于帶有儲(chǔ)油柜且變壓器主油箱無(wú)氣體空積的油浸式變壓器。氣體繼電器安裝在變壓器主油箱與儲(chǔ)油柜之間的導(dǎo)管上,設(shè)計(jì)上利用集氣盒存儲(chǔ)來(lái)自油箱內(nèi)部進(jìn)入氣體繼電器的氣體。氣體繼電器可檢測(cè)變壓器內(nèi)部產(chǎn)氣、油位過(guò)低和嚴(yán)重電弧故障引起的絕緣油的大量分解。由于氣體繼電器反應(yīng)于油氣的流速大小,故氣體繼電器具有較高靈敏度但動(dòng)作速度較慢。因此,當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重電弧故障時(shí),氣體繼電器在急劇升高的油箱內(nèi)部壓力情況下不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油箱的保護(hù)作用。5.7氣體緣變壓器sf6利用SF6氣體代替變壓器絕緣油或者其他氣體作為變壓器油箱內(nèi)填充絕緣可以減小油箱發(fā)生開(kāi)裂、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。圖2為油浸式與氣體絕緣變壓器的壓力升高水平與故障電弧持續(xù)時(shí)間曲線,可以看到:對(duì)于油浸式變壓器,其故障持續(xù)時(shí)間還不足200m時(shí),內(nèi)部壓力升高水平已經(jīng)超過(guò)了油箱的承壓極限;對(duì)于氣體絕緣變壓器,其壓力升高水平在電弧持續(xù)1s后依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于變壓器油箱的耐壓機(jī)械強(qiáng)度。這是因?yàn)镾F6氣體具有很好的可壓縮性,當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生電弧故障時(shí),其壓力不會(huì)有劇烈的升高。一般而言,氣體絕緣變壓器很難由于內(nèi)部故障而發(fā)生箱內(nèi)的開(kāi)裂或爆炸情況。此外,氣體絕緣變壓器還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn):SF6氣體的閃點(diǎn)很高,即使變壓器發(fā)生爆炸也很難引發(fā)火災(zāi)。目前,SF6氣體絕緣變壓器主要適用于中、小容量配電系統(tǒng)變壓器。在SF6氣體的生產(chǎn)儲(chǔ)存過(guò)程中還將產(chǎn)生許多低氟化硫和氟化氫以及劇毒氣體SF10,此外SF6被列為6種主要的溫室氣體。5.8在線、離線狀態(tài)檢測(cè)方法變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法很多,包括例行的油中氣體的在線監(jiān)測(cè)、變壓器內(nèi)部溫度在線監(jiān)測(cè)以及其他在線、離線狀態(tài)檢測(cè)方法。例行或?qū)崟r(shí)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)變壓器內(nèi)部是否可能發(fā)生電弧故障提供判斷依據(jù),以便在變壓器未發(fā)生爆炸事故前進(jìn)行停機(jī)檢查、維修、更換。6變壓器油箱爆破技術(shù)的比較變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧故障而導(dǎo)致油箱開(kāi)裂、爆炸的過(guò)程是非常復(fù)雜的。主要原因是變壓器內(nèi)部靜態(tài)壓力的升高水平超過(guò)了變壓器油箱的承壓極限。變壓器內(nèi)部壓力水平升高有兩個(gè)主要因素:其一,變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時(shí),由于電弧高溫而產(chǎn)生大量氣泡;其二,氣泡所產(chǎn)生的壓力沖擊波在變壓器油箱內(nèi)壁與內(nèi)部構(gòu)件之間反射、傳播,使油箱內(nèi)部靜態(tài)壓力上升。壓力水平上升受放電位置、電弧能量、持續(xù)時(shí)間以及變壓器油箱體積和箱體的膨脹特性等因素影響。事實(shí)上,面對(duì)變壓器爆炸的嚴(yán)重后果,國(guó)內(nèi)外目前還沒(méi)有關(guān)于電力變壓器防爆技術(shù)與減壓措施的通用標(biāo)準(zhǔn)。本文中筆者根據(jù)國(guó)際上通用的兩個(gè)關(guān)于變壓器安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)IEEEC57.12.00與C57.12.10,分析和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外主要的8種關(guān)于變壓器油箱防爆的技術(shù)與減壓措施,得到以下6點(diǎn)結(jié)論。(1)將變壓器設(shè)計(jì)為一個(gè)壓力容器在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上都不能得到變壓器生產(chǎn)廠家及其用戶(hù)的認(rèn)可。但是通過(guò)對(duì)變壓器油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),可以有效提高油箱的耐壓能力,增強(qiáng)變壓器應(yīng)對(duì)低能量電弧故障的能力。(2)壓力釋放閥對(duì)保護(hù)變壓器油箱應(yīng)對(duì)低能量電弧故障起到過(guò)一定作用。但是,在實(shí)際的應(yīng)用中,裝有壓力釋放閥的變壓器依然會(huì)發(fā)生爆炸。這說(shuō)明,壓力釋放閥往往由于安裝個(gè)數(shù)、安裝位置、釋放容量以及動(dòng)作速動(dòng)等因素的影響,而不能適用較大能量等級(jí)的變壓器箱內(nèi)電弧故障。(3)近年來(lái),一種新型的變壓器排油注氮防爆滅火裝置在國(guó)內(nèi)外大中型油浸式變壓器中得到廣泛應(yīng)用,該裝置能夠在極短時(shí)間內(nèi)釋放高壓狀態(tài)的油、氣混合物,同時(shí)通過(guò)向故障變壓器內(nèi)部注入氮?dú)鈦?lái)起到冷卻和恒壓作用,從而避免變壓器油箱發(fā)生爆炸。在我國(guó),這種裝置主要應(yīng)用于變壓器的消防系統(tǒng)中,其對(duì)變壓器油箱內(nèi)部的加壓防爆功能有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。(4)由于電弧故障發(fā)生的位置、持續(xù)時(shí)間以及能量的大小將直接影響變壓器油箱內(nèi)部壓力的升高水平。因此,安裝在變壓器上的各種電氣量繼電保護(hù)通過(guò)迅速識(shí)別、切除內(nèi)部故障而減少電弧持續(xù)時(shí)間,避免油箱內(nèi)部的壓力升高導(dǎo)致變壓器爆炸。(5)安裝在變壓器主油箱與儲(chǔ)油柜連接管處的氣體繼電器保護(hù)裝置也是通過(guò)切除