油浸式配電變壓器油箱內(nèi)部壓力的分析與控制

高雄鷹 王鋒 張國權(quán)

摘要：介紹油浸式配電變壓器在多種情況下的內(nèi)部壓力情況，對其形成壓力的原因及后果進(jìn)行闡述，提出產(chǎn)品優(yōu)化及合理使用的建議。

關(guān)鍵詞：配電變壓器;內(nèi)部壓力;設(shè)計(jì)制造及使用;

1 前言

油浸式配電變壓器一般采用全密封波紋油箱結(jié)構(gòu)，依靠波紋片的膨脹收縮來補(bǔ)償因溫度變化導(dǎo)致的變壓器油體積的變化。大多數(shù)廠家的變壓器油位加注至箱蓋下緣，除了高低壓套管內(nèi)有空氣，其余空間都充滿油，只有少數(shù)廠家套管內(nèi)為全充油，還有一些廠家，為了控制變壓器箱蓋滲油的故障率，會在箱蓋下面設(shè)置一定高度的空氣，為帶上部氣囊的結(jié)構(gòu)。

在產(chǎn)品的儲運(yùn)、試驗(yàn)和運(yùn)行過程中，我們有時會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品油箱內(nèi)部產(chǎn)生較大壓力，并可能因此帶來多種產(chǎn)品質(zhì)量問題。所以有必要對全密封變壓器的內(nèi)部壓力形成機(jī)理進(jìn)行分析，從而有效控制其內(nèi)部壓力，確保產(chǎn)品的安全可靠性。

2 對油箱內(nèi)部壓力的要求

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6451-2015對全密封變壓器的溫升和內(nèi)部壓力有以下規(guī)定：

1、315kVA及以下的波紋油箱變壓器應(yīng)能承受20kPa的壓力密封試驗(yàn)（例行試驗(yàn)），歷經(jīng)12小時應(yīng)無變壓器油的泄漏。

2、315kVA及以下的波紋油箱變壓器應(yīng)能承受25kPa的壓力變形試驗(yàn)（特殊試驗(yàn)），歷經(jīng)5分鐘應(yīng)無損傷及不應(yīng)出現(xiàn)不允許的永久變形。

3、油浸式變壓器應(yīng)進(jìn)行短時過負(fù)載能力試驗(yàn)（型式試驗(yàn)），要求在完成額定溫升試驗(yàn)后再施加1.5倍額定負(fù)載，持續(xù)運(yùn)行2小時后，應(yīng)滿足壓力保護(hù)裝置不動作、油箱無滲漏現(xiàn)象、波紋片變形量在規(guī)定范圍內(nèi)等要求。

上述標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容主要考慮變壓器試驗(yàn)或運(yùn)行時，因變壓器油體積膨脹或打壓試驗(yàn)而導(dǎo)致的油箱內(nèi)部壓力增加。在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)考慮產(chǎn)品生產(chǎn)與安裝使用地所處海拔高度的差異、所處季節(jié)氣溫的差異，這些差異都會造成油箱的內(nèi)部壓力的變化。

3 各種因素對油箱內(nèi)部壓力的影響

3.1 變壓器油溫度變化對油箱內(nèi)部壓力的影響

一般油浸式配電變壓器在裝配完成時，油箱內(nèi)部與外部基本沒有氣壓差，但隨著投運(yùn)或溫升試驗(yàn)后負(fù)載的增加，變壓器油的溫度會明顯上升。變壓器油的溫度每增加1℃，變壓器油的體積會增加0.07%，導(dǎo)致油箱內(nèi)外部形成壓差。油箱內(nèi)部壓力的大小主要與如下因素有關(guān)：油溫變化量、變壓器油重量與油箱波紋片散熱面積比、波紋片的彈性等等。通常波紋片是由較薄的冷軋鋼板制作，其厚度為1.0～1.5mm，機(jī)械強(qiáng)度相對較弱，通常產(chǎn)品在溫升試驗(yàn)時，油箱內(nèi)部壓力會達(dá)到甚至超過20kPa，此時波紋片膨脹變形會非常明顯。

3.2 上部氣囊對油箱內(nèi)部壓力的影響

目前大多數(shù)廠家產(chǎn)品的高低壓瓷瓶中存在空氣，部分廠家產(chǎn)品的箱蓋下部存在一定高度的空氣。根據(jù)理想氣體方程：PV=nRT可知，一定質(zhì)量的氣體，其壓強(qiáng)和體積成反比，和溫度（絕對值）成正比。因此，產(chǎn)品在溫升試驗(yàn)或投運(yùn)時，上部空氣由于溫度的升高以及變壓器油體積膨脹對其壓縮的雙重作用，將導(dǎo)致其壓力的明顯增加。可以簡單量化分析溫度變化單一因素對內(nèi)部空氣壓力的影響，以溫升試驗(yàn)為例：假設(shè)溫升試驗(yàn)前環(huán)境及變壓器油溫度為20℃，油箱氣壓與環(huán)境氣壓同為100kPa，溫升試驗(yàn)后油頂層溫度為80℃，則此時的內(nèi)部空氣壓力近似為100*（（80+273）/（20+273））=120kPa，故油箱內(nèi)外部壓差約為20 kPa。

如果再考慮變壓器油體積變化對上部空氣的壓縮作用，實(shí)際氣壓將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個數(shù)據(jù)。通過部分產(chǎn)品的測試，壓力可達(dá)30 kPa左右，一旦超過壓力釋放閥的啟動值，可能導(dǎo)致壓力釋放閥動作甚至噴油。

由此可見，油箱內(nèi)部空氣的存在，將加大油箱內(nèi)部的壓力，應(yīng)盡量消除油箱上部的氣囊，讓變壓器全充油，會有利于油箱內(nèi)部最大壓力的控制。

3.3 產(chǎn)品所處海拔差異對油箱內(nèi)部壓力的影響

由于絕大多數(shù)生產(chǎn)廠地處低海拔地區(qū)，如果產(chǎn)品安裝運(yùn)行于較高海拔地區(qū)，將對產(chǎn)品油箱內(nèi)部壓力帶來明顯影響。如果生產(chǎn)廠海拔高度為0米，安裝地海拔為2500米，產(chǎn)品出廠時的內(nèi)外部壓力差為0 kPa，且兩地的氣溫不變，則通過靜力學(xué)方程式或壓高方程分別估算兩地的氣壓值，進(jìn)而推算產(chǎn)品在安裝地的內(nèi)部壓力為：100-75=25 kPa。所以，這會導(dǎo)致油箱波紋片明顯鼓脹。

由于變壓器油體積與溫度有關(guān)，而與氣壓變化無關(guān)，所以在油箱波紋片鼓脹時，變壓器油面將會出現(xiàn)明顯降低，從而導(dǎo)致原來浸于油中的高壓帶電體露出油面，進(jìn)而可能導(dǎo)致部分產(chǎn)品工頻耐壓或雷電沖擊試驗(yàn)不合格事故的發(fā)生。

3.4 產(chǎn)品生產(chǎn)與運(yùn)行時環(huán)境溫度的差別對油箱內(nèi)部壓力的影響

由于產(chǎn)品出廠和安裝時的地域或季節(jié)不同，可能會產(chǎn)生較大的溫差。我們只考慮對內(nèi)部壓力控制較為不利的可能性。對于帶20mm左右上部氣囊的產(chǎn)品，如果出廠時的溫度較低，為5℃，而安裝地的氣溫為40℃，通過實(shí)驗(yàn)測試，油箱內(nèi)部壓力將達(dá)10kPa。

4 油箱內(nèi)部壓力可能造成的質(zhì)量問題分析

4.1隨著油箱內(nèi)部壓力的增加，密封的可靠性將有所降低。特別是密封面壓緊力不夠時，易形成密封面滲漏油問題。

4.2海拔高度差造成的油箱內(nèi)部壓力，會導(dǎo)致變壓器油面的降低，從而可能導(dǎo)致絕緣試驗(yàn)不合格，甚至導(dǎo)致投運(yùn)后產(chǎn)品的短路故障。

4.3油箱內(nèi)部壓力升高到一定程度，可能造成壓力釋放閥運(yùn)作噴油、波紋片局部焊接開裂及不可恢復(fù)的嚴(yán)重變形等問題。

以上分析是基于單一因素，實(shí)際需要考慮到兩個甚至更多因素的疊加效果，這將更容易造成嚴(yán)重的后果。

5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和使用過程中的優(yōu)化

針對上述可能導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加的原因，可以采取以下措施，有效控制油箱內(nèi)部壓力。

5.1應(yīng)采取全充油結(jié)構(gòu)，消除油箱內(nèi)部空氣。具體可以考慮增高的注油管結(jié)構(gòu)，使套管內(nèi)充滿變壓器油。

5.2油箱設(shè)計(jì)時適當(dāng)增加波紋片的散熱面積，在同等條件下可降低油箱的內(nèi)部壓力。

5.3對于未能全充油的產(chǎn)品，如果發(fā)往高海拔地區(qū)，建議出廠時使油箱內(nèi)部為負(fù)壓狀態(tài)，可有效抵消部分油箱壓力的增加，尤其可以防止運(yùn)輸過程中可能發(fā)生的壓力釋放閥噴油問題。

5.4應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品試驗(yàn)、投運(yùn)前油箱內(nèi)部壓力及油位的檢查，并隨時解除油箱的內(nèi)部壓力。

6 結(jié)語

全密封配電變壓器的內(nèi)部壓力是一個容易被忽視的問題，采取一些措施關(guān)注和控制油箱的內(nèi)部壓力，可以有效減少質(zhì)量問題的發(fā)生，在國網(wǎng)公司對變壓器產(chǎn)品質(zhì)量要求非常嚴(yán)格的形勢下，具有積極意義。

參考文獻(xiàn)：

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