新型換流變壓器快速排油裝置研究

劉光輝，周 斌，楊仁毅，賈志玲，王新兵

（山東電力設備有限公司，山東 濟南 250022）

0 引言

近年來，隨著我國特高壓技術的快速發展，特高壓骨干網絡已初步形成，油浸式電力變壓器在電力系統中發揮著“心臟”的功能［1］，一旦發生故障，將導致整個區域內電力網癱瘓，損失不可估量。

由于油浸式電力變壓器存在內部產生電弧放電的隱患［2-3］，且不可避免，而變壓器油箱是一個全密閉的整體，電弧放電產生的可燃氣體在油箱內部迅速聚集會使油箱內部壓力迅速增大，壓力釋放閥無法迅速泄壓時，容易引發爆炸等重大事故［4-5］，變壓器內部裝有幾十噸甚至上百噸可燃性變壓器油，變壓器油大面積流出，將引發重大火災事故，造成重大損失。因此，在變壓器突發火災時，實現變壓器油的迅速轉移是防止爆炸和大范圍火災事故極為重要的手段［6］。

換流變壓器各部件常見的可燃材料有絕緣油、紙板、絕緣成型件、層壓木、環氧樹脂、尼龍拉帶等。換流變壓器在異常情況下，火災隱患源主要有：網側升高座及套管、有載分接開關［7］等，其中，網側套管內部絕緣故障導致套管絕緣油在高溫下分解產生氣體，同時產生巨大的壓力，使網側套管瓷套炸裂，絕緣油從破損口外泄接觸空氣，當絕緣油溫度達到自燃點時，網側套管起火［8］。分接開關的放電故障主要原因為過電壓引起的放電擊穿、分接開關各部分絕緣惡化造成的局部放電和短路擊穿［9］，放電故障會進一步造成絕緣燒傷使開關燒毀、絕緣油更加劣化形成噴油甚至爆炸。因此須對上述關鍵部位進行重點監控，在變壓器發生火災事故時，快速將油箱內的變壓器油轉移到安全距離以外的油池中，防止重大爆炸事故的發生，最大限度降低火災發生時的損失。

1 換流變壓器快速排油裝置研究

1.1 裝置主要部件及作用

快速排油裝置布置如圖1 所示，包括火災探測器、氣體繼電器、電動閥、油泵、斷流閥、充氮系統、遠程控制柜、排油管路等。

圖1 排油系統各部件相對位置布置

火災探測器安裝在本體及網側、閥側升高座上，當檢測到溫度異常且超過設定閾值時發出報警信號。

氣體繼電器安裝在本體及網側、閥側升高座，當變壓器或升高座內部發生嚴重故障，油分解產生大量氣體造成油流大的沖擊時，氣體繼電器的跳閘節點動作。

電動閥采用DN150 及以上大口徑閥（視變壓器等級及油量而定），通過排油管與安裝在變壓器本體上的事故放油閥相連，通過排油管將變壓器油排入事故油池，實現變壓器火災時的快速排油。

油泵安裝在電動閥門近油池端，可加快油流速度，實現火災初期快速排油。

斷流閥安裝在本體氣體繼電器與油枕之間的主聯管上，變壓器突發火災排油時自動切斷油箱本體補油管路。

充氮系統用于變壓器本體破除真空狀態及隔絕空氣，降低油溫的目的。

遠程控制柜布置在主控室內，提供信號顯示，報警信號輸出及自動啟動控制功能。該控制柜獨立于變壓器本體二次控制柜，控制柜配置雙路供電系統，互為備用。

排油管路作為電動排油閥與排油池之間的管路連接部分，保證變壓器油快速排入排油池。

快速排油裝置具有智能探測變壓器火災事故的功能，可實現就地或遠程控制，自動或手動啟動，裝置動作時開啟電動閥排油，同時，斷流閥關閉，將儲油柜與油箱之間油路切斷，杜絕“火上澆油”。排油閥與遠端密閉排油池相連，保證油池安全。

1.2 系統動作機理

每臺變壓器配置3 個電動閥和2 臺油泵。每6 臺變壓器的閥門和油泵的機械動作由1 臺控制柜控制。

當變壓器發生火災事故時，變壓器內部因故障變壓器油分解產生大量氣體，變壓器內部壓力急劇升高，氣體繼電器跳閘節點動作，發出指令，變壓器跳閘。

裝置自動模式下，排油控制系統啟動必須同時滿足“重瓦斯+火警+變壓器斷電”等條件并延時3 s后啟動排油控制，充分保證系統的可靠性。電動排油閥迅速開啟，然后油泵工作，同時斷流閥自動關閉，截斷儲油柜補充給變壓器的變壓器油。油泵運行10 s 后，系統自動打開氮氣閥門，開始注入氮氣，達到降溫、隔絕空氣的目的。滅火過程中系統實時采集溫度并與注入氮氣前溫度進行比較，對溫度繼續上升和下降趨勢做出分析，依據溫升和溫度變化趨勢判斷火勢是否得到控制，實時輸出判斷，并由人工確認是否需要繼續排油或中途停止繼續排油。自動控制邏輯流程如圖2 所示。

裝置手動模式下，火災探測器發出報警信號，值守人員確認火情后，按下排油系統啟動按鈕，迅速排油。當火災發生且不能滿足自動啟動排油控制時，可手動啟動裝置，執行自動模式邏輯控制。

圖2 換流變壓器快速排油裝置自動控制邏輯

2 系統可行性驗算

以某公司生產的特高壓直流輸電工程用換流變壓器為例，變壓器本體內總油質量m 按100 t 計。本方案設計排油管路最多有4 個90°彎頭，管路最長約12 m。變壓器油密度ρ 在20 ℃時約為888.8 kg／m3，變壓器油面高度H 為9.35 m。本方案安裝1 個DN150（內徑尺寸為150 mm）口徑尺寸的閥門及配套管路，閥門選用有特高壓直流輸電工程運行業績的廠家成熟產品。

考慮到變壓器本體中油量及排油管徑等因素，選用油泵的選型流量Qy為240 m3／h 時，DN150 管路中油流速度為。其中，A 為閥門和管路截面積，m2，可由DN150 口徑管路計算得出。

依靠自重及油泵作用排油，計算此情況下排油流量，對于不可壓縮流體，根據伯努利方程及連續方程，可得出管路計算流量與液體壓力及閥門口徑的關系為

式中：Q 為體積流量；ξ 為閘閥的阻力系數，ξ=0.75；g 為重力加速度，g=9.8 m／s2；kv為油泵及閥的流量系數；γ為變壓器油的重度，γ=ρg；ΔP 為油泵及閥進出口壓力差；P 為閥進口壓力，P=ρgH=81.4 kPa；ΔPy為沿程損失壓力，可查《化工原理》Re-λ 圖取ΔPy=46.7 kPa；ΔPj為局部壓力損失。

局部壓力損失ΔPj采用式（2）所示的阻力系數法求得。

式中：ξ總為總的局部損失系數，管道中含有4 個90°彎管，單個阻力系數ξ=0.75，則總的局部損失系數為ξ總=4×0.75=3。

根據式（2），得ΔPj為18.9 kPa。將各參數代入式（1），可得Q 為436 m3／h。

因此，可得排油時間為

通過以上分析可知，當油泵流量選用240 m3／h，DN150 管路中流體始終保持流速為v1，經計算可在20 min 以內將遠端換流變100 t 的變壓器油迅速排入公共油池，該方案有效、可行。

3 結語

為防止換流變壓器發生火災時，變壓器油大面積流出，引發重大火災事故，造成重大損失。設計一種換流變壓器智能快速排油裝置，集火災報警及事故快速排油于一體，裝置啟動后，可立即切斷油枕與油箱之間的油路并迅速排油，同時可與水噴霧等滅火系統配合，迅速滅火。其能夠在火災事故安全距離以外實現排油閥控制，最大限度保證人身安全，防止火災蔓延波及其他重要電力設備，有效防止二次爆炸事故的發生，相較于其他排油及滅火系統而言，具有更智能、更可靠、更高效的特點。