變壓器排油注氮滅火裝置的改進設計與應用

變壓器排油注氮滅火裝置的改進設計與應用

1變壓器油箱設計的基本原則電力變壓器是能源系統(tǒng)的一個中心設備。它在整個能源系統(tǒng)中起到了能量和電壓的作用。這個缺點嚴重影響了整個能源系統(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性的電氣設備。當變壓器內(nèi)部發(fā)生高能量電弧故障時,電弧弧芯溫度將達到上千攝氏度,使得故障點周圍的絕緣油瞬間汽化,由于故障持續(xù),汽化后的絕緣油將發(fā)生裂解反應而生成分子結(jié)構(gòu)更小的氣體。大量氣體的析出將與周圍絕緣油的相界面上產(chǎn)生動態(tài)壓力波,通過絕緣油在變壓器油箱內(nèi)部的金屬構(gòu)件之間反射、傳播,導致靜態(tài)壓力的升高,當壓力升高超過變壓器油箱的承壓極限時將導致油箱開裂或爆炸。理論上,變壓器油箱設計應考慮在其內(nèi)部發(fā)生最嚴重電弧故障情況下,油箱不發(fā)生變形、開裂或爆炸。但是,基于這種觀點油箱將按照壓力容器的標準進行生產(chǎn)、制造。事實上,并非所有的內(nèi)部電弧故障都是高能量故障,而這樣的設計在經(jīng)濟性和實用性上都不能被業(yè)界接受。相反,通過對變壓器油箱進行改進設計以及在薄弱點進行補強加固,可以有效提高變壓器油箱的最大承壓能力。在我國排油注氮裝置主要用于變壓器發(fā)生火災后的消防滅火領域,《火力發(fā)電廠與變電站設計防火規(guī)范(GB50229-2006)》中寫道:“變壓器排油注氮滅火裝置的應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)來是較為簡單的”。2變壓器動態(tài)壓力持續(xù)波動的影響油浸式電力變壓器是通過具有高介電性能的絕緣油進行內(nèi)部的冷卻與絕緣。變壓器長期進行過程中,絕緣油由于受潮、氧化等因素使得介電性能下降,導致電弧故障的發(fā)生。由于電弧阻抗很小,弧芯溫度將達到上千攝氏度,使其電弧周圍的絕緣油瞬間氣化而產(chǎn)生許多氣泡;同時由于電弧能量的持續(xù)釋放,將進一步使已經(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。動態(tài)壓力的持續(xù)波動將使得變壓器內(nèi)部靜態(tài)壓力升高,當靜態(tài)壓力升高水平超過變壓器油箱所能承受的最大機械強度時,將引發(fā)油箱開裂或爆炸。靜態(tài)壓力的升高水平將取決于電弧的能量大小、持續(xù)時間和發(fā)生位置。相關文獻中所述的試驗性研究表明: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統(tǒng)計了關于加拿大魁北克地區(qū)25年來發(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,導致變壓器油箱爆炸44次,引發(fā)火災18次。統(tǒng)計結(jié)果見表1。表2中列出了電弧能量與油箱爆炸、火災概率之間的對應關系。由表可以看出,在700kV等級、電弧能量大于8.5MJ的情況下將導致油箱爆炸。以上統(tǒng)計結(jié)果表明:(1)變壓器內(nèi)部故障電弧能量越高,越容易導致變壓器油箱爆炸。(2)不是所有的油箱爆炸事故都將引發(fā)火災,且電弧能量與油箱爆炸后發(fā)生火災的可能性之間無明顯關聯(lián)。(3)由高壓套管故障導致的油箱爆炸引發(fā)火災的可能性最大。4變壓器油箱設計IEEEC57.12.00“關于油浸式電力變壓器的一般要求”和IEEEC57.12.10“關于230kV及以下變壓器的安全要求”是目前國際上主要的關于變壓器防爆與減壓的兩個標準,可以具體總結(jié)如下。(1)變壓器在正常運行時,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行建造和設計,且滿足美國機械工程師協(xié)會對壓力容器的要求。(2)變壓器油箱必須滿足當所受壓力超過其壓力極限的25%時,油箱不能發(fā)生變形。(3)容量超過2500kVA或電壓等級超過200kV變壓器,必須在其頂部安裝壓力釋放閥。(4)變壓器設計測試中需要證明其油箱的形狀、類型都滿足IEEEC57.12.00標準的要求。但是IEEEC57.12.00和C57.12.10兩個標準只給出了變壓器工作于正常運行狀態(tài)下壓力極限要求,并沒有給出在變壓器發(fā)生異常情況下(如發(fā)生內(nèi)部電弧故障)對壓力極限的要求。相比于后果嚴重的變壓器爆炸事故,業(yè)內(nèi)的相關標準明顯滯后。5目前，國際上最常用的環(huán)境保護技術和減壓措施5.1變壓器壓力容器理論上,變壓器油箱的設計應考慮在其內(nèi)部發(fā)生最嚴重電弧故障(發(fā)生高壓套管故障)情況時,保證變壓器不發(fā)生變形、開裂或爆炸。但是,基于這種觀點變壓器將按照壓力容器的標準進行設計、制造。對于壓力容器,各個國家都有極其嚴格的設計和制造要求,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難以接受。此外,在實際應用中對于簡單的變壓器操作(如變壓器油取樣、儀表改裝、變壓器附加設備操作等)將變得異常繁瑣和復雜。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行設計和制造在經(jīng)濟性和實用性上不能被業(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重,因此可以通過對變壓器油箱進行改進設計和補強加固來達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與ABB公司從1984年至1987年進行了聯(lián)合的調(diào)查研究,結(jié)果表明:變壓器油箱蓋通過焊接比螺栓固定具有更高的耐壓能力。這一條已經(jīng)寫進了IEEE的C57.12.10的行業(yè)標準:230kV及以下變壓器頂蓋都必須焊接連接。另外,通過在變壓器油箱頂蓋接縫、分接頭安裝處等易發(fā)生開裂的弱機械強度部位加裝撐條等措施,都可以起到補強加固的作用,從而提高變壓器整體的耐壓能力。5.3空氣導通導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,通過閥體開啟實現(xiàn)對壓力的釋放,從而保護油箱不發(fā)生開裂、爆炸。早期壓力釋放裝置的主要缺點是:鵝頸型彎管的長度將在一定程度上阻止爆破片的破裂。另外,一旦壓力釋放閥動作,變壓器油箱內(nèi)部將與外部空氣導通,從而導致絕緣油受潮、氧化。近年來,針對這些問題,國內(nèi)外的一些壓力釋放閥生產(chǎn)廠家進行了產(chǎn)品的改進和升級,一些新型的可重復密封的壓力釋放閥已經(jīng)廣泛安裝在各類變壓器上。但是,根據(jù)加拿大魁北克供電公司的變壓器事故統(tǒng)計可以看出:裝有壓力釋放閥的變壓器油箱同樣會發(fā)生開裂或爆炸事故。人們不禁要問,壓力釋放閥是否具備保護變壓器的能力?文獻指出:對于變壓器內(nèi)部發(fā)生非嚴重電弧故障如繞組內(nèi)部電弧故障、有載分接開關故障以及調(diào)相器故障時,壓力釋放閥能夠成功保護數(shù)以萬計變壓器的安全。相關文獻還指出,對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態(tài)壓力的急劇升高,在壓力釋放閥動作之前,油箱局部已經(jīng)出現(xiàn)開裂或爆炸。對于較低能量電弧故障,變壓器油箱能夠通過自身的機械膨脹“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。當變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧故障時,由電弧產(chǎn)生的動態(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)。沖擊波的第一個波峰由故障處傳播至爆破片(位置1)時,將使得爆破片爆裂。此時,油箱內(nèi)部過壓的油、氣混合物將迅速通過減壓室(位置2)噴入油氣分離罐(位置3)中,同時將故障性氣體從油氣分離罐中排放出去。另外,氮氣將通過裝置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)法國某公司進行的多次全尺寸變壓器現(xiàn)場試驗與計算機仿真試驗結(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)生不同能量等級的電弧故障后,該裝置都能在毫秒級時間內(nèi)反應、動作,從而避免變壓器油箱發(fā)生開裂或爆炸。5.5降低變壓器油箱財務風險根據(jù)加拿大魁北克地區(qū)變壓器故障統(tǒng)計結(jié)果可見:故障電弧能量大小與變壓器爆炸與否密切相關。因此,降低變壓器油箱爆炸風險可以通過減少故障持續(xù)時間來實現(xiàn)。通過提高變壓器電氣量繼電保護的速動性和靈敏度可以有效縮短電弧故障的持續(xù)時間,從而達到降低電弧能量的目的。這種方法是目前被業(yè)界普遍認可的主要變壓器保護措施。5.6工作介質(zhì)設計氣體繼電器廣泛應用于帶有儲油柜且變壓器主油箱無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油柜之間的導管上,設計上利用集氣盒存儲來自油箱內(nèi)部進入氣體繼電器的氣體。氣體繼電器可檢測變壓器內(nèi)部產(chǎn)氣、油位過低和嚴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于油氣的流速大小,故氣體繼電器具有較高靈敏度但動作速度較慢。因此,當變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重電弧故障時,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現(xiàn)對變壓器油箱的保護作用。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)生開裂、爆炸的風險。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)時間曲線,可以看到:對于油浸式變壓器,其故障持續(xù)時間還不足200m時,內(nèi)部壓力升高水平已經(jīng)超過了油箱的承壓極限;對于氣體絕緣變壓器,其壓力升高水平在電弧持續(xù)1s后依然遠遠低于變壓器油箱的耐壓機械強度。這是因為SF6氣體具有很好的可壓縮性,當變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生電弧故障時,其壓力不會有劇烈的升高。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)的開裂或爆炸情況。此外,氣體絕緣變壓器還有一個優(yōu)點:SF6氣體的閃點很高,即使變壓器發(fā)生爆炸也很難引發(fā)火災。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)儲存過程中還將產(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)檢測方法變壓器運行狀態(tài)監(jiān)測方法很多,包括例行的油中氣體的在線監(jiān)測、變壓器內(nèi)部溫度在線監(jiān)測以及其他在線、離線狀態(tài)檢測方法。例行或?qū)崟r的變壓器狀態(tài)監(jiān)測技術可以為現(xiàn)場運行人員對變壓器內(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)生爆炸事故前進行停機檢查、維修、更換。6變壓器油箱爆破技術的比較變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧故障而導致油箱開裂、爆炸的過程是非常復雜的。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主要因素:其一,變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時,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。事實上,面對變壓器爆炸的嚴重后果,國內(nèi)外目前還沒有關于電力變壓器防爆技術與減壓措施的通用標準。本文中筆者根據(jù)國際上通用的兩個關于變壓器安全運行的標準IEEEC57.12.00與C57.12.10,分析和總結(jié)了國內(nèi)外主要的8種關于變壓器油箱防爆的技術與減壓措施,得到以下6點結(jié)論。(1)將變壓器設計為一個壓力容器在經(jīng)濟性和實用性上都不能得到變壓器生產(chǎn)廠家及其用戶的認可。但是通過對變壓器油箱結(jié)構(gòu)進行改進設計,可以有效提高油箱的耐壓能力,增強變壓器應對低能量電弧故障的能力。(2)壓力釋放閥對保護變壓器油箱應對低能量電弧故障起到過一定作用。但是,在實際的應用中,裝有壓力釋放閥的變壓器依然會發(fā)生爆炸。這說明,壓力釋放閥往往由于安裝個數(shù)、安裝位置、釋放容量以及動作速動等因素的影響,而不能適用較大能量等級的變壓器箱內(nèi)電弧故障。(3)近年來,一種新型的變壓器排油注氮防爆滅火裝置在國內(nèi)外大中型油浸式變壓器中得到廣泛應用,該裝置能夠在極短時間內(nèi)釋放高壓狀態(tài)的油、氣混合物,同時通過向故障變壓器內(nèi)部注入氮氣來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,這種裝置主要應用于變壓器的消防系統(tǒng)中,其對變壓器油箱內(nèi)部的加壓防爆功能有待進一步的研究和發(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通過迅速識別、切除內(nèi)部故障而減少電弧持續(xù)時間,避免油箱內(nèi)部的壓力升高導致變壓器爆炸。(5)安裝在變壓器主油箱與儲油柜連接管處的氣體繼電器保護裝置也是通過切除