換流變儲(chǔ)油柜膠囊綜合改進(jìn)技術(shù)研究

張啟浩 馬小兵 馮宇 徐杰海 馬正霖 王小嶺

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局 2. 南通世睿電力科技有限公司 ）

0 引言

變壓器儲(chǔ)油柜是大型油浸式變壓器最重要的部件之一[1]，主要作用首先是補(bǔ)償絕緣油因溫度變化而產(chǎn)生的體積膨脹或收縮，其次是將絕緣油與空氣和水分隔離，防止絕緣油吸濕和氧化，其運(yùn)行情況至關(guān)重要。目前常用的儲(chǔ)油柜按照原理大致可分為以下四種：敞開式儲(chǔ)油柜、膠囊式儲(chǔ)油柜、隔膜式儲(chǔ)油柜、金屬波紋式儲(chǔ)油柜[2-3]。

膠囊是膠囊式儲(chǔ)油柜必不可少的重要組件，經(jīng)呼吸器聯(lián)管與大氣相通，膠囊浮在儲(chǔ)油柜內(nèi)油面上，當(dāng)油面隨溫度變化上升或下降時(shí)，膠囊也隨之收縮或膨脹，起到了呼吸和隔絕絕緣油與空氣接觸的作用。

目前，國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)油柜膠囊類型多為圓柱形膠囊，也稱為手工膠水粘接膠囊。手工膠水粘接膠囊采用刮膠涂布后手工粘貼工藝生產(chǎn)，需要使用溶劑和滑石粉等輔助材料，作業(yè)環(huán)境惡劣、刺激性氣味重，產(chǎn)品內(nèi)的滑石粉對(duì)變壓器油有污染；膠布搭接強(qiáng)度低，接縫處由于人工操作分散性會(huì)導(dǎo)致細(xì)微漏點(diǎn)，無(wú)法保證質(zhì)量一致性，容易在接縫處發(fā)生漏氣現(xiàn)象[4]。

而在直流輸電工程中，換流變壓器由于負(fù)荷重，功率變化大，油溫高，隨之產(chǎn)生的油位波動(dòng)也較大，膠囊呼吸頻繁、劇烈，對(duì)換流站儲(chǔ)油柜膠囊的性能要求較高，近年來?yè)Q流變運(yùn)行過程中儲(chǔ)油柜膠囊暴露出了一系列問題[5-6]：

（1）膠囊破損

膠囊劇烈呼吸時(shí)更容易出現(xiàn)故障，故障原因多為磨損、戳壞、撕裂、漲裂等，進(jìn)而發(fā)生漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致膠囊失去呼吸補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｄz囊破損后，當(dāng)變壓器內(nèi)溫度升高，油受熱膨脹，油面上升時(shí)，由于變壓器油可以進(jìn)入膠囊內(nèi)部，膠囊不會(huì)隨液面上升而收縮，膠囊將浸在變壓器油中，壓住油位計(jì)浮球，油位計(jì)示數(shù)不能準(zhǔn)確地指示油位，始終處于低油位狀態(tài)，形成假油位；并導(dǎo)致不同程度的油質(zhì)劣化。

（2）膠囊底部容易產(chǎn)生褶皺

膠囊設(shè)計(jì)要求為展開體積接近儲(chǔ)油柜體積，當(dāng)儲(chǔ)油柜中有油存在時(shí)，膠囊展開體積普遍大于儲(chǔ)油柜有效展開空間，膠囊出現(xiàn)大量的底部褶皺情況，有可能壓住油位計(jì)連桿導(dǎo)致假油位；裹住浮球?qū)е逻B桿折斷。

本項(xiàng)目針對(duì)直流輸電系統(tǒng)中換流變的運(yùn)行特性，以解決上述問題為目標(biāo)，研制一種抗磨損、抗撕裂能力更強(qiáng)，耐老化能力更優(yōu)，在儲(chǔ)油柜內(nèi)不會(huì)裹住浮球的新型龍骨膠囊；并設(shè)計(jì)全透明儲(chǔ)油柜，用于進(jìn)行膠囊運(yùn)行可靠性研究。

1 膠囊運(yùn)行可靠性研究

1.1 透明儲(chǔ)油柜

變壓器儲(chǔ)油柜均為不透明的密閉腔體，無(wú)法觀察到膠囊運(yùn)行狀態(tài)；且出現(xiàn)異常時(shí)只能通過油位計(jì)觀察到油位異常，無(wú)法觀察到異常的過程。為進(jìn)行膠囊可靠性研究，模擬膠囊運(yùn)行狀態(tài)，直觀研究油位、膠囊、浮球在儲(chǔ)油柜中不同階段的形態(tài)，分析膠囊運(yùn)行問題和薄弱點(diǎn)、進(jìn)行研發(fā)產(chǎn)品驗(yàn)證，我們?cè)O(shè)計(jì)研制出全透明儲(chǔ)油柜（見圖1），儲(chǔ)油柜體積約為900L，等同于31500kVA/110kV變壓器儲(chǔ)油柜容量，配套整體成型膠囊尺寸為1316mm×2516mm。該透明儲(chǔ)油柜能夠加速運(yùn)行，縮短試驗(yàn)時(shí)間，模擬短時(shí)間油位急劇變化時(shí)各部件的運(yùn)行情況。

儲(chǔ)油柜循環(huán)試驗(yàn)采用PLC程序自動(dòng)控制[7]，將油位計(jì)以及壓力傳感器作為信號(hào)輸入，通過反饋的高低油位信號(hào)，控制水泵上下水運(yùn)行，從而模擬實(shí)際情況，不間斷地進(jìn)行膠囊收縮、膨脹試驗(yàn)；通過調(diào)節(jié)水泵頻率可以加快循環(huán)時(shí)間，驗(yàn)證極端運(yùn)行條件下的儲(chǔ)油柜及膠囊的可靠性。此循環(huán)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的最快的循環(huán)參數(shù)為8min一次循環(huán)。

1.2 膠囊運(yùn)行形態(tài)研究

膠囊在儲(chǔ)油柜中的工作原理：柜體與膠囊間充滿變壓器絕緣油，膠囊通過呼吸管及連接的呼吸器與大氣連通，儲(chǔ)油柜內(nèi)變壓器油通過主聯(lián)管與變壓器油箱內(nèi)部連通，當(dāng)變壓器內(nèi)變壓器油由于熱脹冷縮作用，使儲(chǔ)油柜絕緣油體積發(fā)生變化，膠囊浮在油面上，隨著油面上升或者下降進(jìn)行排氣或吸氣（見圖2、圖3、圖4）；同時(shí)油位計(jì)的浮球亦隨油位上下浮動(dòng)（見圖5），從而帶動(dòng)油位計(jì)指針轉(zhuǎn)動(dòng)顯示油位。

按照正常運(yùn)行時(shí)膠囊平均一天5次的呼吸頻率，三年的呼吸次數(shù)為5480次，在進(jìn)行膠囊運(yùn)行可靠性研究時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)為模擬膠囊三年的運(yùn)行周期即循環(huán)次數(shù)為5500次。循環(huán)參數(shù)設(shè)定為10min一次循環(huán)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示膠囊穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)異常。

1.3 膠囊運(yùn)行異常

在進(jìn)行膠囊運(yùn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定循環(huán)參數(shù)為8min一次循環(huán)，運(yùn)行次數(shù)約為4500次時(shí)發(fā)生連桿彎曲的現(xiàn)象。檢查膠囊發(fā)現(xiàn)膠囊底部與浮球接觸位置有皺褶現(xiàn)象，浮球由于連桿彎曲造成一直位于低油位，實(shí)際液位為高油位，在油位計(jì)信號(hào)和壓力傳感器液位信號(hào)雙重作用下，儲(chǔ)油柜一直保持高液位，如圖6、圖7所示。為驗(yàn)證該試驗(yàn)的可靠性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一組重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行2200次時(shí)膠囊下層布裹住浮球，連桿先出現(xiàn)輕微彎曲，繼續(xù)運(yùn)行后連桿彎折程度增大，循環(huán)運(yùn)行三次后，連桿折斷，該現(xiàn)象符合實(shí)際運(yùn)行時(shí)膠囊布一旦裹住浮球，連桿先出現(xiàn)彎曲再折斷的現(xiàn)象。

該試驗(yàn)?zāi)M的是油位瞬時(shí)變化的情況，這種情況只會(huì)出現(xiàn)在變壓器非正常運(yùn)行油位急劇變化、且位于高油位時(shí)，變壓器正常運(yùn)行時(shí)，膠囊膨脹和收縮非常緩慢，加速模擬未出現(xiàn)異常。當(dāng)采用注油排氣法操作時(shí)，液位到達(dá)最高位或以上時(shí)，液位壓差較大，液體下泄回流速度相對(duì)較快，在液面下降過程中，浮球附近膠囊會(huì)隨液面快速下降，同時(shí)膠囊重力會(huì)壓迫浮球隨液面下降，但由于作用力與反作用力的原理，即浮力會(huì)反方向阻止浮球的下降。因此，在高位開始下降的瞬間，浮球附近的膠囊會(huì)先于浮球下降，從而產(chǎn)生褶皺、包裹，初始褶皺包裹較小，如果此時(shí)控制液面下降速度，浮球能夠慢慢滑出褶皺包裹，隨著液位下降，褶皺會(huì)慢慢消失，但是如果液面下降速度過快，褶皺有可能會(huì)越來越大，使得浮球承受側(cè)向的力，形成彎矩使連桿彎曲折斷。

兩次試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)間并不固定，存在偶發(fā)情況，無(wú)法提前預(yù)測(cè)，但一旦發(fā)生，就會(huì)出現(xiàn)連桿彎折的現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致假油位現(xiàn)象。

2 新型龍骨膠囊的研制

鑒于傳統(tǒng)膠囊運(yùn)行過程中存在的問題，我們從膠囊設(shè)計(jì)、材料、工藝等方面入手改進(jìn)，研制一種抗磨損、抗撕裂、抗壓能力更強(qiáng)，耐老化能力更優(yōu)，在儲(chǔ)油柜內(nèi)不會(huì)裹住浮球的的新型龍骨膠囊。

2.1 雙面異種膠復(fù)合膠布結(jié)構(gòu)

膠囊實(shí)際應(yīng)用時(shí)，外側(cè)接觸變壓器油，內(nèi)側(cè)接觸空氣，傳統(tǒng)國(guó)產(chǎn)膠囊布內(nèi)外兩層均采用同一種膠料——丁腈橡膠。

丁腈橡膠是由丁二烯和丙烯腈兩種單體聚合而成的橡膠材料。丁腈橡膠[8]中的腈基極性非常強(qiáng)，且屬于高能的基團(tuán)，因此丁腈橡膠的極性非常強(qiáng)，具有優(yōu)異的耐油性能。但同時(shí)丁腈橡膠是極性不飽和碳鏈橡膠，其耐熱性，耐氧化性和耐臭氧性能較差，可通過橡塑共混的方式改善上述問題。NBR與PVC溶度參數(shù)接近，具有很好的相容性，使用NBR/PVC共混制備的熱塑性彈性體既具有 NBR 突出的橡膠彈性、耐油性, 又兼具 PVC 的可塑性、耐候性、耐臭氧性、耐化學(xué)品等特性，與純丁腈橡膠相比，顯著提高了物理機(jī)械性能、耐臭氧和耐天候性能[9]。

考慮膠囊的使用條件，我們?cè)O(shè)計(jì)采用“氣面膠-布基骨架-油面膠”雙面異種膠復(fù)合結(jié)構(gòu)（見圖8），取代行業(yè)現(xiàn)有的雙面同種膠結(jié)構(gòu)。主材選用NBR/PVC，內(nèi)外壁材料設(shè)計(jì)不同配方，外側(cè)膠料選擇不易被油抽取的耐油性防老劑提高膠囊外壁的長(zhǎng)期耐油性；內(nèi)側(cè)膠料采用物理防老劑與化學(xué)防老劑并用，綜合作用保證內(nèi)壁的耐熱老化和耐臭氧老化性能。

兩種配方的針對(duì)不同性能，設(shè)計(jì)更加合理，更加適應(yīng)膠囊內(nèi)外壁不同的使用環(huán)境，提高了膠囊運(yùn)行時(shí)對(duì)內(nèi)外兩種不同介質(zhì)的耐老化性能，大幅延長(zhǎng)膠囊使用壽命。

2.2 膠布厚度

傳統(tǒng)國(guó)產(chǎn)膠囊厚度在0.6～0.7mm，膠層較薄，長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)膠囊外壁磨損漏油的情況。

我們通過增加膠層和纖維骨架厚度，將膠囊厚度控制在1.0～1.1mm范圍內(nèi)，既能增強(qiáng)膠布的強(qiáng)度，又能增加膠布的耐磨性，延長(zhǎng)膠囊使用壽命。

2.3 整體成型工藝

國(guó)內(nèi)首創(chuàng)膠囊整體成型工藝，采用大型設(shè)備高溫高壓整體硫化，壓力貼合工藝，無(wú)需任何溶劑。一是生產(chǎn)壞境更加環(huán)保，不采用手工粘貼工藝中使用的滑石粉材料；采用新型隔離材料，完全保證了膠囊對(duì)變壓器油零污染。二是增強(qiáng)了膠布之間的剝離、搭接強(qiáng)度，耐壓性能更好。三是保證了膠囊產(chǎn)品質(zhì)量一致性，徹底杜絕因人工分散性導(dǎo)致的質(zhì)量隱患。整體成型膠囊與手工膠水粘接膠囊性能對(duì)比數(shù)據(jù)見下表。

2.4 唇邊結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)國(guó)產(chǎn)膠囊采用無(wú)唇邊設(shè)計(jì)，膠囊在呼吸運(yùn)行過程中，膠囊外表面長(zhǎng)期與儲(chǔ)油柜內(nèi)壁摩擦，容易造成膠囊外壁破損漏氣（見圖9）。

我們研究膠囊采用帶唇邊設(shè)計(jì)，唇邊結(jié)構(gòu)為30mm，唇邊結(jié)構(gòu)采用“＜”方式（見圖10），運(yùn)行過程中，唇邊直接接觸儲(chǔ)油柜內(nèi)壁與之摩擦（見圖11），唇邊膠布上無(wú)最低點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生膠布中間斷裂現(xiàn)象，且有效避免因儲(chǔ)油柜內(nèi)壁金屬毛刺導(dǎo)致的膠囊破損。

表 整體成型膠囊與手工膠水粘接膠囊性能對(duì)比

2.5 彈性龍骨

高油位時(shí)膠囊膠布褶皺多，展開困難，膠囊底平面與浮球接觸，膠囊易裹住浮球或者壓住連桿，導(dǎo)致假油位。為解決此問題，我們?cè)谀z囊底部采用龍骨設(shè)計(jì)（見圖12），龍骨安裝到膠囊本體上，能使膠囊下層膠布與浮球接觸部分平整，容易展開，不會(huì)產(chǎn)生褶皺，包裹浮球，避免產(chǎn)生導(dǎo)致連桿彎曲或折斷的側(cè)向的力，杜絕假油位的現(xiàn)象，且龍骨安裝在膠囊下層膠布外壁，即使龍骨發(fā)生破損，也不損壞膠囊。

龍骨材料應(yīng)滿足的性能：耐高溫、耐油、不產(chǎn)生褶皺。考慮材料性能和加工工藝要求，選用板材和織物兩種高分子材料作龍骨材料。板材龍骨剛性較大，抗折皺性好；織物龍骨彈性好，抗折皺性好。兩種龍骨都能夠增強(qiáng)膠囊底部與浮球接觸部位的抗褶皺能力，杜絕膠囊裹住浮球現(xiàn)象的發(fā)生。織物龍骨的加工性要優(yōu)于板材龍骨，我們研究確定采用織物作為龍骨材料，既可滿足不產(chǎn)生褶皺的要求，又滿足易于加工的工藝要求。

3 龍骨膠囊可靠性驗(yàn)證

龍骨膠囊進(jìn)行加速可靠性驗(yàn)證時(shí)，循環(huán)參數(shù)設(shè)定為8min一次循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為5500次。

觀察發(fā)現(xiàn)龍骨膠囊運(yùn)行時(shí)與浮球接觸部位平整（見圖13），無(wú)包裹浮球的可能性。兩次5500次循環(huán)試驗(yàn)均未出現(xiàn)異常，符合試驗(yàn)預(yù)設(shè)結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）設(shè)計(jì)研制出全透明儲(chǔ)油柜進(jìn)行膠囊運(yùn)行可靠性研究，模擬膠囊運(yùn)行異常現(xiàn)象，有針對(duì)性地分析、解決異常；并對(duì)研發(fā)的膠囊產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)行可靠性驗(yàn)證。

2）通過優(yōu)化膠囊材料、膠布結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、唇邊結(jié)構(gòu)能夠使得膠囊在運(yùn)行過程中更耐磨損、抗壓能力更強(qiáng)，耐老化能力更優(yōu)，可大幅延長(zhǎng)膠囊的使用壽命。

3）采用織物作為龍骨材料，既可滿足膠囊底部與浮球接觸部位不產(chǎn)生褶皺的要求，又滿足易于加工的工藝要求。保證膠囊運(yùn)行過程中不會(huì)裹住浮球，杜絕由于浮球被裹導(dǎo)致的假油位問題，并通過了可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。