一種排油注氮滅火系統設計與應用

盛 雨，葛增光，安 勇，馬道柱

(1.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.菏澤市定陶區市場監督管理局，山東 菏澤 274000)

0 引言

隨著電力系統的高速發展，電力變壓器的電壓等級越來越高，油浸式電力變壓器作為變電站最重要的設備之一，人們對其火災防范水平有了更高的要求。變壓器內部含有大量的絕緣油，當變壓器出現操作過電壓、雷擊過電壓、絕緣老化等故障時會造成內部絕緣損壞，嚴重時會在變壓器內部產生大量可燃氣體，溫度和壓力的劇增會造成本體損壞、變壓器噴油，發生火災并蔓延，造成重大損失[1]。

變壓器常用的消防滅火系統有水噴霧滅火系統、合成泡沫噴淋滅火系統、排油注氮滅火裝置等。排油充氮滅火裝置具有適用范圍廣、預防滅火效果好、防爆功能強、維護工作量小、裝置成本低等優點，在電力系統消防中得以廣泛應用[2-3]。文獻[4]對排油注氮滅火裝置的原理及其應用展開了研究，并對水噴霧滅火系統、合成泡沫噴淋滅火系統、排油注氮滅火裝置進行對比分析，結果表明排油注氮滅火裝置更具有主動、經濟、高效、適用的特點，具有廣泛的應用前景。文獻[5]通過對變壓器排油注氮裝置的作用原理、裝置結構及系統配件進行分析，并結合工程實例對油浸電力變壓器排油注氮裝置的工作原理和系統設計要點作簡要介紹及初步探討。文獻[6]研究了油浸式變壓器BMH-1A 型排油注氮滅火系統的接線不合理等問題，提出了在控制回路中增加主變壓器三側斷路器位置，增加緊急解鎖按鈕等措施，并針對變電站實際情況提出工程應用的改造方案。文獻[7]分析了500 kV 變電站主變壓器消防系統的現狀，在比較三類消防系統優缺點的基礎上，詳細論述了主變排油注氮裝置的結構組成、工作原理、參數計算、控制系統設計以及需要注意的事項等，為下一步排油注氮裝置的推廣應用打下基礎。

下面對排油注氮滅火裝置的工作原理展開研究，針對傳統裝置控制回路簡單、抗干擾能力差、動作邏輯單一等缺點，對其從裝置結構、設計參數等方面進行針對性改造。在此基礎上，分析排油注氮滅火裝置常見故障及原因，并提出故障處理方法，為排油注氮滅火裝置的進一步研究提供參考。

1 工作原理

變壓器排油注氮滅火裝置主要由控制回路、切斷油路、排油泄壓、注氮滅火四個系統組成，當變壓器內部故障著火時，一方面斷流閥動作，切斷儲油柜到變壓器本體的補油油路，另一方面將氮氣從底部注入變壓器本體內，對絕緣油進行降溫和隔絕氧氣，達到快速滅火的目的[9]。排油注氮滅火裝置可滿足防爆防火保護啟動、滅火保護啟動、手動啟動和現場緊急啟動四種方式，其啟動條件電路如圖1 所示。其中，FS 為三檔選擇旋鈕，K1 為重瓦斯信號開關，K2、K20 為火災探測器信號開關，K12為箱體超壓信號開關，K11 為主變三側斷路器跳閘信號開關，QD 為手動滅火按鈕開關，QDQ 為手動滅火確認按鈕開關，XJK 為緊急啟動按鈕開關，XJKQ 為緊急啟動確認按鈕開關，KT 為時間繼電器，K9、K21、KX1、KX2 為中間繼電器。排油注氮滅火裝置啟動時均有反饋信號進行自檢，避免裝置出現因信號錯誤導致的誤動作。

圖1 排油注氮滅火裝置啟動條件電路

排油注氮滅火裝置需有獨立的兩路電源才能實現主路電源自動切換，滿足四種啟動條件的一種就要動作，其中排油注氮啟動(觸發)功率應大于220 V×5 A (DC)，注氮閥動作線圈功率應大于220 V×6 A (DC)[10]。此時，裝置打開排油閥、氮氣瓶閥，先進行排油，3 s 后將氮氣從變壓器底部注入，將變壓器頂部的熱油排出進行泄壓，防止油箱壓力在起火后因注入氮氣進一步增大。同時，斷流閥達到流速動作切斷儲油柜補油回路，避免事故進一步擴大。氮氣注入時間不少于30 min，使變壓器內的油充分攪拌、降溫。排油注氮滅火裝置工作原理如圖2 所示。

圖2 排油注氮滅火裝置工作原理

2 排油注氮滅火系統設計

斷流閥水平安裝于氣體繼電器和油枕之間，正常運行時處于“ 運行” 狀態，箭頭由油枕指向變壓器，斷流閥閥柄必須順時針轉動，動作流量為90 ～150 L/min (1.5 ～2.5 m/s)，動 作 時 間 不 大于1 s。

變壓器排油接口閥與排油注氮滅火裝置油管排氣兩通連接，排油管道采用φ133×4 mm 無縫管，管道位于變壓器箱頂200 mm 處。注氮排氣三通位于注氮管最高點，注氮管道采用φ33×3.5 mm 無縫管，6 個注氮孔均勻分布在變壓器兩端，位于變壓器底部100 mm 處。

單臺220 kV 變電站變壓器容量在120 ～240 MVA 之 間， 當 變 壓 器 容 量 在50 ～360 MVA 時，氮 氣 瓶 數 量 為2 個，容 積為40 L。氮氣瓶的額定壓力(壓強，下同)為12～15 MPa，一臺220 kV 變壓器可注氮氣量如公式(1)所示。

式中：n為氮氣瓶的數量，V為氮氣瓶的容積，F1、F2分別為氮氣瓶的初始壓力和減壓后壓力，此處將初始壓力設為額定壓力最大值15 MPa，減壓后壓力為0.6 MPa。

排油注氮滅火裝置需連續注氮30 min 以上，氮氣調節閥的出口流速如公式(2)所示，其中tmin為最低連續注氮時長。

排油注氮滅火裝置共6 個注氮孔，故每個注氮孔流量為氮氣調節閥的出口流速的1/6 倍，即10.71 L/min。注氮管為φ33×3.5 mm 無縫管，即管道壁厚S為3.5 mm，平均直徑d為33 mm，注氮管中的氮氣流速v氮氣如公式(3)所示。

排油注氮滅火裝置排油管為φ133×4 mm無縫管，即管道壁厚S為4 mm，平均直徑d為133 mm。以220 kV 某主變壓器為例，變壓器油號為25，故油密度ρ為895 kg/m3，該主變壓器油重65 t，裝置動作時排油量約為總油重的1 %，即Q排=0.65 t=650 kg，排油注氮時間間隔t為3 s，排油管中的油流流速v油流如公式(4)所示。

經過以上設計，排油注氮滅火裝置示意如圖3所示，消防柜內部布局如圖4 所示。

3 排油注氮滅火裝置應用及故障處理

3.1 排油注氮滅火裝置日常維護

為了確保排油注氮滅火裝置的正常運行，應對該裝置進行必要的維護，以免因裝置維護不當造成損失。日常維護應注意以下內容：

1) 每月監視氮氣瓶壓力，若壓力下降較快，用肥皂水查找漏點，并進行維護，當氮氣瓶壓力低于7 MPa 時，應及時補氣。

2) 排油閥、單向閥應無滲漏情況。

3) 若置于手動運行狀態，排油閥、氮氣釋放閥鎖定銅銷一定要插上。

4) 各指示燈無報警信號，如有異常，要及時分析處理。

3.2 常見故障及處理方法

排油注氮滅火裝置運行時出現故障要及時、準確處理，對常見故障、出現原因及處理方法進行歸納總結，如表1 所示。

表1 排油注氮滅火裝置常見故障及處理方法

4 結束語

以上介紹了排油注氮滅火裝置的工作原理，并用電路圖和流程圖對工作原理進行進一步詮釋。通過理論計算，對排油注氮滅火裝置的技術要點進行分析，并結合實際設計了排油注氮滅火裝置示意和消防柜內部布局圖，為排油注氮滅火系統的改造提供了借鑒。針對排油注氮滅火裝置運行情況，對其日常維護事項和常見故障及處理方法進行分析，為設備檢修及維護提供了依據，提高了檢修效率。