新型全密封變壓器“呼吸裝置”的設(shè)計(jì)改進(jìn)與驗(yàn)證

陳芳CHEN Fang；白少峰BAI Shao-feng

（銀川能源學(xué)院電力系，銀川 750105）

（Department of Electric Power，Yinchuan Energy College，Yinchuan 750105，China）

0 引言

本文所述的新型全密封變壓器設(shè)計(jì)核心為“呼吸裝置”，該裝置不僅用于油浸式全密封變壓器，還可用于油浸式互感器、油罐或其他在熱脹冷縮時(shí)需要進(jìn)行容量調(diào)節(jié)的密封容器。

1 現(xiàn)狀

目前變壓器、互感器、電抗器儲(chǔ)油柜一般采用敞開(kāi)式儲(chǔ)油柜或全密封儲(chǔ)油柜。敞開(kāi)式儲(chǔ)油柜中變壓器油和大氣直接接觸；全密封儲(chǔ)油柜是在敞開(kāi)式儲(chǔ)油柜的基礎(chǔ)上增加裝置使油和空氣不直接接觸，杜絕了油的氧化和水分進(jìn)入油中，目前裝置采用三種形式：①金屬波紋管；②隔膜；③膠囊。

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，變壓器油溫升高或降低會(huì)導(dǎo)致變壓器油的膨脹、收縮。儲(chǔ)油柜相當(dāng)于一個(gè)“呼吸裝置”[1]。當(dāng)油膨脹時(shí)，油從油箱進(jìn)入儲(chǔ)油柜，儲(chǔ)油柜中的空氣被排入大氣；當(dāng)油收縮時(shí)，油從儲(chǔ)油柜進(jìn)入油箱，大氣中的空氣被吸入儲(chǔ)油柜。外油式金屬波紋、膠囊儲(chǔ)油柜中金屬波紋、膠囊隨油膨脹和收縮。內(nèi)油式金屬波紋儲(chǔ)油柜中金屬波紋隨油膨脹和收縮；隔膜式儲(chǔ)油柜中隔膜隨油膨脹、收縮而上升和下降。

由于儲(chǔ)油柜安裝在箱蓋之上，在儲(chǔ)油柜上需安裝支架來(lái)滿足與高低壓引線間的電氣距離，給運(yùn)輸、安裝帶來(lái)很大麻煩，另外為使儲(chǔ)油柜安全的“呼吸”，必須使儲(chǔ)油柜擁有足夠大的容積，一般設(shè)計(jì)時(shí)按總油量的10%取值，儲(chǔ)油柜運(yùn)行前需要裝入50%容積的油，即相當(dāng)于總油量的5%。

另外小容量全密封變壓器采用氣墊或特殊散熱器來(lái)調(diào)節(jié)變壓器油的膨脹和收縮。采用氣墊調(diào)節(jié)的變壓器，由于套管在頂部，高低壓引線和開(kāi)關(guān)暴露在空氣中，安全性降低。目前大于800kVA 的變壓器也采用無(wú)儲(chǔ)油柜的全密封結(jié)構(gòu)，GB6451-1999 規(guī)定:當(dāng)容量大于800kVA 的變壓器需要安裝氣體保護(hù)裝置，而采用頂部充氣結(jié)構(gòu)的全密封變壓器所裝的氣體保護(hù)裝置形同虛設(shè)，不起作用。采用特殊散熱器的變壓器，是靠散熱器的膨脹量來(lái)“呼吸”的，這種“呼吸”對(duì)散熱器技術(shù)要求很高，大大增加成本，而且當(dāng)油的膨脹量超出散熱器的膨脹量，油就會(huì)從油箱頂部密封面滲出，影響變壓器的美觀和運(yùn)行安全。而通過(guò)增加散熱器數(shù)量來(lái)滿足油的膨脹量，或者選擇彈性模量好的膨脹式散熱器，成本也會(huì)大幅增加。

油罐的情形類似于小容量采用氣墊的全密封變壓器，但油罐只考慮環(huán)境溫度的變化。常見(jiàn)問(wèn)題是：運(yùn)輸前油的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，當(dāng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途運(yùn)輸后，水分通常超標(biāo)，變壓器油耐壓下降，必須重新濾油降低水分含量，增加成本。

2 目的

通過(guò)密封膠囊或者開(kāi)口膠囊解決變壓器、互感器、電抗器、油罐的“呼吸”問(wèn)題；取消儲(chǔ)油柜，真正實(shí)現(xiàn)全密封，使800kVA 以上變壓器的氣體保護(hù)裝置真正起到作用；保證油罐在運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程中不吸收水分和空氣，保證運(yùn)輸液體的技術(shù)性能。

3 設(shè)計(jì)思想說(shuō)明

最早的變壓器油箱短邊采用圓弧結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在變壓器采用心式鐵芯，圓形線圈包圍鐵芯，采用長(zhǎng)方體油箱提高效率。從變壓器俯視圖看，油箱四角有很大的空間，見(jiàn)圖1；從變壓器主視圖看，夾件到箱壁、箱蓋都有很大的空間，見(jiàn)圖2。本設(shè)計(jì)就是在兩側(cè)、四角或箱蓋下放置密封膠囊或者開(kāi)口膠囊，實(shí)現(xiàn)變壓器儲(chǔ)油柜的“呼吸”[2]。

圖1 長(zhǎng)方體油箱的俯視圖

圖2 長(zhǎng)方體油箱的主視圖

變壓器和油罐可采用密封膠囊，膠囊氣體不充滿，充入大約50%容積的氣體后密封，膠囊的形狀根據(jù)變壓器和油罐的空間位置設(shè)計(jì)，從制造成本和效率來(lái)講，制成條形或環(huán)形即可，在變壓器、油罐四角或頂部用隔板設(shè)計(jì)一個(gè)或幾個(gè)膠囊室，防止膠囊隨著油漂浮移動(dòng)、損壞等，如圖3、圖4。變壓器和油罐也可采用開(kāi)口膠囊外形如圖5，為防止膠囊隨著油漂浮移動(dòng)、損壞等，也可采用圖3 的膠囊室。膠囊密封、安裝以及通氣口通過(guò)閥門和吸濕器相連如圖6所示。采用兩種充氣方式，第一種是先對(duì)變壓器或油罐注滿油，然后對(duì)膠囊充氣排除一定容積（根據(jù)環(huán)境溫度確定）的油，通常相當(dāng)于膠囊容積的50%；第二種方式是膠囊安裝后先充滿氣，打開(kāi)封閉膠囊出口的閥門，平托膠囊底部緩緩?fù)浦聊z囊中部左右（根據(jù)環(huán)境溫度確定）即可，然后封閉膠囊出口的閥門，注滿油，對(duì)變壓器或儲(chǔ)油罐密封后，打開(kāi)封閉膠囊出口的閥門即可。

圖3 長(zhǎng)方體油箱設(shè)計(jì)膠囊室后的主視圖

圖4 長(zhǎng)方體油箱設(shè)計(jì)膠囊室后的俯視圖

由于沖入氣體的不確定性，膠囊容積實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)按12%油體積設(shè)計(jì)，確保在平均環(huán)境溫度25C°時(shí)，膠囊沖入50%的氣體時(shí)滿足變壓器運(yùn)行需要。

4 設(shè)計(jì)效果

取消了變壓器、互感器的儲(chǔ)油柜，使安裝、運(yùn)輸更加方便；與帶儲(chǔ)油柜變壓器、互感器相比，減少10%以上變壓器油；與目前全密封變壓器相比，箱蓋下無(wú)氣墊，引線、開(kāi)關(guān)運(yùn)行更加安全可靠，同時(shí)可真正發(fā)揮氣體保護(hù)裝置作用，同時(shí)減少5%以上變壓器油；油罐長(zhǎng)途運(yùn)輸內(nèi)部不會(huì)有水分和氣體進(jìn)入，保證了運(yùn)輸液體的性能。

圖5 開(kāi)口膠囊外形示意圖

圖6 膠囊密封、安裝以及通氣口與閥門、吸濕器的連接示意圖

5 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)本設(shè)計(jì)，在研發(fā)電氣化鐵路AT 供電方式的OD-12600/2×27.5kV 自耦變壓器中進(jìn)行了實(shí)施，選用開(kāi)口膠囊、采用通氣管法蘭密封后和吸濕器相連。

由于這個(gè)變壓器的額定容量達(dá)到12600kVA，結(jié)構(gòu)容量為6300kVA，從結(jié)構(gòu)容量的角度來(lái)講，該樣機(jī)和我們目前制造的不帶儲(chǔ)油柜最大容量變壓器相同。

變壓器本體上通常有四種保護(hù)，一是壓力保護(hù)，一般采用壓力釋放閥，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓力釋放閥開(kāi)啟泄壓，壓力下降后關(guān)閉，同時(shí)帶有電接點(diǎn)，動(dòng)作時(shí)報(bào)警或跳閘；二是溫度保護(hù)，通常采用溫度控制器，設(shè)有報(bào)警和跳閘電接點(diǎn)；三是油位保護(hù)，一般采用油位計(jì)，配在儲(chǔ)油柜上，有最高和最低油位報(bào)警；四是瓦斯保護(hù)，通常采用氣體繼電器。與儲(chǔ)油柜配套使用的有三種保護(hù)方式，分別為輕瓦斯保護(hù)、重瓦斯保護(hù)和油流速度過(guò)快（通常電力部門設(shè)定的速度為0.8 米/秒）保護(hù)，用在不帶儲(chǔ)油柜上的只有輕、重瓦斯兩種保護(hù)。

由于本樣機(jī)不帶儲(chǔ)油柜，所以只能采用僅有輕、重瓦斯兩種保護(hù)的氣體繼電器，這樣就缺少油流保護(hù)的功能，為了彌補(bǔ)缺陷，設(shè)計(jì)了三套方案：一是在通氣管上增加流量或者壓力類儀表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以達(dá)到類似油流保護(hù)的功能，但價(jià)格太高，不利于商業(yè)化生產(chǎn)[3]。二是變壓器上安裝油流速動(dòng)繼電器，靠檢測(cè)壓差進(jìn)行保護(hù)，但如果壓力緩慢上升，沒(méi)有達(dá)到壓力釋放閥的動(dòng)作值，但變壓器本身壓力已很大，等到壓力釋放閥動(dòng)作，故障可能會(huì)擴(kuò)大。從成本和保護(hù)兩個(gè)角度考慮，最終采用了第三套方案即采用價(jià)格低廉的雙電接點(diǎn)壓力表，通常像樣機(jī)這種大容量變壓器上的壓力釋放閥的保護(hù)壓力為55kPa，我們把壓力表放在油箱中部，除去油箱頂部到壓力表之間的油壓，兩個(gè)電接點(diǎn)設(shè)兩個(gè)報(bào)警，報(bào)警壓力分別設(shè)定為35kPa 和45kPa，這樣和壓力釋放閥的55kPa 形成壓力梯度保護(hù)，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

[1]張憲，張廣科.變壓器用新型呼吸器[J].大眾用電，2003，18（11）：20.

[2]董玶.膠囊儲(chǔ)油罐[J].變壓器，2008，44（01）：15-16.

[3]齊大勇，沈倩，劉明，等.變壓器儲(chǔ)油柜及常見(jiàn)問(wèn)題淺析[J].山東電力技術(shù)，2008，34（06）：22-23.