变压器排油注氮灭火装置的改进设计与应用

变压器排油注氮灭火装置的改进设计与应用

1变压器油箱设计的基本原则电力变压器是能源系统的一个中心设备。它在整个能源系统中起到了能量和电压的作用。这个缺点严重影响了整个能源系统的安全和稳定。由于变压器内部含有大量绝缘油且直接与高压元件相连接,因此变压器是一种存在危险性的电气设备。当变压器内部发生高能量电弧故障时,电弧弧芯温度将达到上千摄氏度,使得故障点周围的绝缘油瞬间汽化,由于故障持续,汽化后的绝缘油将发生裂解反应而生成分子结构更小的气体。大量气体的析出将与周围绝缘油的相界面上产生动态压力波,通过绝缘油在变压器油箱内部的金属构件之间反射、传播,导致静态压力的升高,当压力升高超过变压器油箱的承压极限时将导致油箱开裂或爆炸。理论上,变压器油箱设计应考虑在其内部发生最严重电弧故障情况下,油箱不发生变形、开裂或爆炸。但是,基于这种观点油箱将按照压力容器的标准进行生产、制造。事实上,并非所有的内部电弧故障都是高能量故障,而这样的设计在经济性和实用性上都不能被业界接受。相反,通过对变压器油箱进行改进设计以及在薄弱点进行补强加固,可以有效提高变压器油箱的最大承压能力。在我国排油注氮装置主要用于变压器发生火灾后的消防灭火领域,《火力发电厂与变电站设计防火规范(GB50229-2006)》中写道:“变压器排油注氮灭火装置的应用可以解决水喷雾灭火系统的许多困难,排油注氮灭火系统比起火喷雾灭火系统来是较为简单的”。2变压器动态压力持续波动的影响油浸式电力变压器是通过具有高介电性能的绝缘油进行内部的冷却与绝缘。变压器长期进行过程中,绝缘油由于受潮、氧化等因素使得介电性能下降,导致电弧故障的发生。由于电弧阻抗很小,弧芯温度将达到上千摄氏度,使其电弧周围的绝缘油瞬间气化而产生许多气泡;同时由于电弧能量的持续释放,将进一步使已经气化的绝缘油裂解而生成更小分子结构的气体如氢气、甲烷、乙烷、乙烯和乙炔等。随着气泡的产生,变压器内部的动态压力骤升并以压力波的形式在变压器内部金属构件之间反射、传播。动态压力的持续波动将使得变压器内部静态压力升高,当静态压力升高水平超过变压器油箱所能承受的最大机械强度时,将引发油箱开裂或爆炸。静态压力的升高水平将取决于电弧的能量大小、持续时间和发生位置。相关文献中所述的试验性研究表明:变压器油箱所能承受的最大静态压力能力取决于变压器油箱的膨胀特性以及油箱的体积。3电弧能量与油箱爆炸文献统计了关于加拿大魁北克地区25年来发生在735kV输电系统中的175次变压器故障记录。其中,高能量电弧故障发生111次,导致变压器油箱爆炸44次,引发火灾18次。统计结果见表1。表2中列出了电弧能量与油箱爆炸、火灾概率之间的对应关系。由表可以看出,在700kV等级、电弧能量大于8.5MJ的情况下将导致油箱爆炸。以上统计结果表明:(1)变压器内部故障电弧能量越高,越容易导致变压器油箱爆炸。(2)不是所有的油箱爆炸事故都将引发火灾,且电弧能量与油箱爆炸后发生火灾的可能性之间无明显关联。(3)由高压套管故障导致的油箱爆炸引发火灾的可能性最大。4变压器油箱设计IEEEC57.12.00“关于油浸式电力变压器的一般要求”和IEEEC57.12.10“关于230kV及以下变压器的安全要求”是目前国际上主要的关于变压器防爆与减压的两个标准,可以具体总结如下。(1)变压器在正常运行时,油箱中最大压力不得高于2030kPa。否则,变压器油箱必须按照压力容器进行建造和设计,且满足美国机械工程师协会对压力容器的要求。(2)变压器油箱必须满足当所受压力超过其压力极限的25%时,油箱不能发生变形。(3)容量超过2500kVA或电压等级超过200kV变压器,必须在其顶部安装压力释放阀。(4)变压器设计测试中需要证明其油箱的形状、类型都满足IEEEC57.12.00标准的要求。但是IEEEC57.12.00和C57.12.10两个标准只给出了变压器工作于正常运行状态下压力极限要求,并没有给出在变压器发生异常情况下(如发生内部电弧故障)对压力极限的要求。相比于后果严重的变压器爆炸事故,业内的相关标准明显滞后。5目前，国际上最常用的环境保护技术和减压措施5.1变压器压力容器理论上,变压器油箱的设计应考虑在其内部发生最严重电弧故障(发生高压套管故障)情况时,保证变压器不发生变形、开裂或爆炸。但是,基于这种观点变压器将按照压力容器的标准进行设计、制造。对于压力容器,各个国家都有极其严格的设计和制造要求,这将大大增加变压器的制造工序和生产成本,而使变压器厂家及其用户难以接受。此外,在实际应用中对于简单的变压器操作(如变压器油取样、仪表改装、变压器附加设备操作等)将变得异常繁琐和复杂。此外,并非所有的内部电弧故障都是高能量故障,因此将变压器按照压力容器进行设计和制造在经济性和实用性上不能被业界接受。5.2变压器油箱盖焊接方式的联合由于不是所有的电弧故障都像高压套管电弧故障那样严重,因此可以通过对变压器油箱进行改进设计和补强加固来达到提高变压器器箱的最大承压能力。加拿大魁北克电力管理部门与ABB公司从1984年至1987年进行了联合的调查研究,结果表明:变压器油箱盖通过焊接比螺栓固定具有更高的耐压能力。这一条已经写进了IEEE的C57.12.10的行业标准:230kV及以下变压器顶盖都必须焊接连接。另外,通过在变压器油箱顶盖接缝、分接头安装处等易发生开裂的弱机械强度部位加装撑条等措施,都可以起到补强加固的作用,从而提高变压器整体的耐压能力。5.3空气导通导致绝缘油解压安装在变压器顶部的压力释放阀,可以在变压器内部压力升高时,通过阀体开启实现对压力的释放,从而保护油箱不发生开裂、爆炸。早期压力释放装置的主要缺点是:鹅颈型弯管的长度将在一定程度上阻止爆破片的破裂。另外,一旦压力释放阀动作,变压器油箱内部将与外部空气导通,从而导致绝缘油受潮、氧化。近年来,针对这些问题,国内外的一些压力释放阀生产厂家进行了产品的改进和升级,一些新型的可重复密封的压力释放阀已经广泛安装在各类变压器上。但是,根据加拿大魁北克供电公司的变压器事故统计可以看出:装有压力释放阀的变压器油箱同样会发生开裂或爆炸事故。人们不禁要问,压力释放阀是否具备保护变压器的能力?文献指出:对于变压器内部发生非严重电弧故障如绕组内部电弧故障、有载分接开关故障以及调相器故障时,压力释放阀能够成功保护数以万计变压器的安全。相关文献还指出,对于大容量油浸式电力变压器,其内部发生较高能量电弧故障的原因是动态压力的急剧升高,在压力释放阀动作之前,油箱局部已经出现开裂或爆炸。对于较低能量电弧故障,变压器油箱能够通过自身的机械膨胀“消化”这些压力,而压力释放阀只是起到释放剩余压力的作用。5.4爆破片爆破排油注氮装置结构原理示意图如图1所示。当变压器内部发生电弧故障时,由电弧产生的动态压力波将在变压器油箱内传播反射(油中的传播速度为1.2m/ms)。冲击波的第一个波峰由故障处传播至爆破片(位置1)时,将使得爆破片爆裂。此时,油箱内部过压的油、气混合物将迅速通过减压室(位置2)喷入油气分离罐(位置3)中,同时将故障性气体从油气分离罐中排放出去。另外,氮气将通过装置4注入变压器油箱和油气分离罐中,起到冷却和保持压力的作用。根据法国某公司进行的多次全尺寸变压器现场试验与计算机仿真试验结果显示:安装有排油注氮装置的变压器,在内部不同位置发生不同能量等级的电弧故障后,该装置都能在毫秒级时间内反应、动作,从而避免变压器油箱发生开裂或爆炸。5.5降低变压器油箱财务风险根据加拿大魁北克地区变压器故障统计结果可见:故障电弧能量大小与变压器爆炸与否密切相关。因此,降低变压器油箱爆炸风险可以通过减少故障持续时间来实现。通过提高变压器电气量继电保护的速动性和灵敏度可以有效缩短电弧故障的持续时间,从而达到降低电弧能量的目的。这种方法是目前被业界普遍认可的主要变压器保护措施。5.6工作介质设计气体继电器广泛应用于带有储油柜且变压器主油箱无气体空积的油浸式变压器。气体继电器安装在变压器主油箱与储油柜之间的导管上,设计上利用集气盒存储来自油箱内部进入气体继电器的气体。气体继电器可检测变压器内部产气、油位过低和严重电弧故障引起的绝缘油的大量分解。由于气体继电器反应于油气的流速大小,故气体继电器具有较高灵敏度但动作速度较慢。因此,当变压器内部发生严重电弧故障时,气体继电器在急剧升高的油箱内部压力情况下不能完全实现对变压器油箱的保护作用。5.7气体缘变压器sf6利用SF6气体代替变压器绝缘油或者其他气体作为变压器油箱内填充绝缘可以减小油箱发生开裂、爆炸的风险。图2为油浸式与气体绝缘变压器的压力升高水平与故障电弧持续时间曲线,可以看到:对于油浸式变压器,其故障持续时间还不足200m时,内部压力升高水平已经超过了油箱的承压极限;对于气体绝缘变压器,其压力升高水平在电弧持续1s后依然远远低于变压器油箱的耐压机械强度。这是因为SF6气体具有很好的可压缩性,当变压器油箱内部发生电弧故障时,其压力不会有剧烈的升高。一般而言,气体绝缘变压器很难由于内部故障而发生箱内的开裂或爆炸情况。此外,气体绝缘变压器还有一个优点:SF6气体的闪点很高,即使变压器发生爆炸也很难引发火灾。目前,SF6气体绝缘变压器主要适用于中、小容量配电系统变压器。在SF6气体的生产储存过程中还将产生许多低氟化硫和氟化氢以及剧毒气体SF10,此外SF6被列为6种主要的温室气体。5.8在线、离线状态检测方法变压器运行状态监测方法很多,包括例行的油中气体的在线监测、变压器内部温度在线监测以及其他在线、离线状态检测方法。例行或实时的变压器状态监测技术可以为现场运行人员对变压器内部是否可能发生电弧故障提供判断依据,以便在变压器未发生爆炸事故前进行停机检查、维修、更换。6变压器油箱爆破技术的比较变压器内部发生电弧故障而导致油箱开裂、爆炸的过程是非常复杂的。主要原因是变压器内部静态压力的升高水平超过了变压器油箱的承压极限。变压器内部压力水平升高有两个主要因素:其一,变压器内部发生电弧放电时,由于电弧高温而产生大量气泡;其二,气泡所产生的压力冲击波在变压器油箱内壁与内部构件之间反射、传播,使油箱内部静态压力上升。压力水平上升受放电位置、电弧能量、持续时间以及变压器油箱体积和箱体的膨胀特性等因素影响。事实上,面对变压器爆炸的严重后果,国内外目前还没有关于电力变压器防爆技术与减压措施的通用标准。本文中笔者根据国际上通用的两个关于变压器安全运行的标准IEEEC57.12.00与C57.12.10,分析和总结了国内外主要的8种关于变压器油箱防爆的技术与减压措施,得到以下6点结论。(1)将变压器设计为一个压力容器在经济性和实用性上都不能得到变压器生产厂家及其用户的认可。但是通过对变压器油箱结构进行改进设计,可以有效提高油箱的耐压能力,增强变压器应对低能量电弧故障的能力。(2)压力释放阀对保护变压器油箱应对低能量电弧故障起到过一定作用。但是,在实际的应用中,装有压力释放阀的变压器依然会发生爆炸。这说明,压力释放阀往往由于安装个数、安装位置、释放容量以及动作速动等因素的影响,而不能适用较大能量等级的变压器箱内电弧故障。(3)近年来,一种新型的变压器排油注氮防爆灭火装置在国内外大中型油浸式变压器中得到广泛应用,该装置能够在极短时间内释放高压状态的油、气混合物,同时通过向故障变压器内部注入氮气来起到冷却和恒压作用,从而避免变压器油箱发生爆炸。在我国,这种装置主要应用于变压器的消防系统中,其对变压器油箱内部的加压防爆功能有待进一步的研究和发展。(4)由于电弧故障发生的位置、持续时间以及能量的大小将直接影响变压器油箱内部压力的升高水平。因此,安装在变压器上的各种电气量继电保护通过迅速识别、切除内部故障而减少电弧持续时间,避免油箱内部的压力升高导致变压器爆炸。(5)安装在变压器主油箱与储油柜连接管处的气体继电器保护装置也是通过切除