電力變壓器儲(chǔ)油柜的選取與應(yīng)用改進(jìn)分析

0 引言

電力變壓器作為電能轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，在電網(wǎng)中起到電壓轉(zhuǎn)換、電能分配的作用。電力變壓器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在電力變壓器運(yùn)行過(guò)程中，電力負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生變化，電流流過(guò)線圈，根據(jù)焦耳定律，可以判斷電力變壓器線圈所產(chǎn)生的熱量，線圈產(chǎn)生的熱量通過(guò)變壓器油進(jìn)行消散。當(dāng)熱量發(fā)生變化時(shí)，油的體積也會(huì)因熱脹冷縮隨之變化，此時(shí)儲(chǔ)油柜通過(guò)內(nèi)部膠囊或波紋管等部件的變化適應(yīng)油體積的變化，使變壓器內(nèi)部壓強(qiáng)與外界保持一致，來(lái)保證變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。如果沒(méi)有儲(chǔ)油柜，變壓器本體內(nèi)油箱必須留有一定的空間來(lái)緩沖油的體積變化。當(dāng)油體積減少，油面隨之降低，有可能露出導(dǎo)電部分，不利于導(dǎo)電部分的絕緣，也不利于油的散熱。因此，合理選取儲(chǔ)油柜至關(guān)重要，關(guān)系到設(shè)備乃至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1儲(chǔ)油柜的發(fā)展歷程

目前運(yùn)用的儲(chǔ)油柜是通過(guò)第一代敞開(kāi)式儲(chǔ)油柜改進(jìn)而來(lái)。第一代產(chǎn)品是在變壓器中簡(jiǎn)單加裝了一個(gè)儲(chǔ)油柜，儲(chǔ)油柜頂部連接呼吸器。這種儲(chǔ)油柜中的變壓器油直接與空氣接觸，容易導(dǎo)致油的快速老化，不利于變壓器的健康穩(wěn)定運(yùn)行。因此，針對(duì)該缺點(diǎn)，在變壓器內(nèi)加裝橡膠薄壁膠囊，膠囊緊緊貼附在油面上，使變壓器油與空氣隔絕，從而防止油的氧化。在初期，膠囊式儲(chǔ)油柜得到快速發(fā)展和使用，但是膠囊長(zhǎng)期處于油內(nèi)，受到膠囊材料的限制，膠囊會(huì)出現(xiàn)老化、破損等問(wèn)題，于是金屬波紋管式儲(chǔ)油柜應(yīng)運(yùn)而生。金屬波紋管式儲(chǔ)油柜借鑒了互感器膨脹器的原理，早先出現(xiàn)的為波紋管立式內(nèi)油結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)油柜，借鑒膠囊外形，而后又演變?yōu)椴y管臥式結(jié)構(gòu)[i2]。但由于水平伸縮的波紋芯體受力較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造要求高，產(chǎn)品可靠性不如立式工作的儲(chǔ)油柜穩(wěn)定，因此波紋管立式內(nèi)油儲(chǔ)油柜后又得到廣泛采用。但如果采用耐壓能力差的波紋芯體裝油，對(duì)于大容量變壓器，存在漏油和破損失控的巨大風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)多芯體結(jié)構(gòu)占據(jù)較大無(wú)效空間，難以滿(mǎn)足現(xiàn)有變壓器套管之間的絕緣距離，因此波紋管立式外油儲(chǔ)油柜誕生，彌補(bǔ)了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的諸多不足，成為結(jié)構(gòu)理想的第三代波紋儲(chǔ)油柜[3-5]。

2 儲(chǔ)油柜的特點(diǎn)

2.1 膠囊式儲(chǔ)油柜

膠囊式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)如圖2所示，其是在儲(chǔ)油柜頂部加裝了一個(gè)橡膠膠囊，通常是由丁腈橡膠和尼龍加強(qiáng)布構(gòu)成。膠囊頂部通過(guò)呼吸器與外部連通，當(dāng)變壓器油的體積發(fā)生變化時(shí)，膠囊通過(guò)呼吸器向大氣吸氣或放氣，膠囊的最大變化量為儲(chǔ)油柜的最大油容積。因此，在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，膠囊長(zhǎng)期處于壓縮狀態(tài)。外置油位計(jì)通過(guò)磁耦合與內(nèi)部浮桿、浮球結(jié)合，隨著浮球的升降，油位計(jì)示數(shù)發(fā)生變化。

膠囊式儲(chǔ)油柜的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單便捷，更換方便，通過(guò)四個(gè)掛鉤即可安裝；適用性強(qiáng)，從低電壓等級(jí)到高電壓等級(jí)都適用。其缺點(diǎn)是由于膠囊始終與油接觸，橡膠制品容易老化；如果儲(chǔ)油柜焊接部位有毛刺，膠囊容易破損，在膠囊與掛鉤連接處膠囊受力較大，也容易產(chǎn)生破損；膠囊儲(chǔ)油柜還有一個(gè)突出的缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)假油位，如儲(chǔ)油柜安裝過(guò)程中柜內(nèi)空氣沒(méi)排干凈，導(dǎo)致儲(chǔ)油柜內(nèi)有空氣存在，這部分空氣熱脹冷縮會(huì)導(dǎo)致油位計(jì)出現(xiàn)假油位，當(dāng)呼吸器堵塞、油位計(jì)的浮桿和浮球出現(xiàn)損壞時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)假油位[6-7]。電力變壓器處于運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)假油位時(shí)，運(yùn)維人員不易發(fā)現(xiàn)此類(lèi)缺陷，而該隱患長(zhǎng)期存在，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在變壓器壽命周期中需多次檢修、維護(hù)膠囊式儲(chǔ)油柜，更換其零部件。

2.2 波紋管內(nèi)油儲(chǔ)油柜

波紋管式儲(chǔ)油柜通過(guò)采用金屬波紋管作為容積補(bǔ)償元件和隔離密封元件，適應(yīng)油容積的變化，防止變壓器油氧化[8]，它解決了膠囊式儲(chǔ)油柜易堵塞、凝露、出現(xiàn)假油位和膠囊易破損等缺陷問(wèn)題。金屬波紋管內(nèi)油儲(chǔ)油柜的變壓器油處于波紋管內(nèi)部，由波紋管與外部空氣形成隔絕，以保證變壓器油的潔凈[9]。金屬波紋管內(nèi)油儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，是由金屬軟管、波紋芯體、油位指示等組成，膨脹節(jié)的頂部密封良好，底部有與變壓器本體相連的管道，上密封板和排氣管相連接，當(dāng)油溫發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)波紋管的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)油體積變化的補(bǔ)償。金屬波紋管內(nèi)油儲(chǔ)油柜的優(yōu)點(diǎn)是油位指示準(zhǔn)確可靠，密封良好。但是，內(nèi)油式儲(chǔ)油柜對(duì)工藝要求較高，而且遇到滲漏油時(shí)，處理過(guò)程復(fù)雜。

2.3 波紋管外油儲(chǔ)油柜應(yīng)用及改進(jìn)

波紋管外油儲(chǔ)油柜分為波紋管臥式和立式兩種，金屬波紋管儲(chǔ)油柜發(fā)展初期曾采用臥式外油結(jié)構(gòu)，但隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，缺點(diǎn)也日益突出，主要是水平伸縮受力復(fù)雜、需導(dǎo)向、伸縮不均勻、焊縫易疲勞開(kāi)裂等[10]。改進(jìn)的立式外油結(jié)構(gòu)如圖4所示，波紋芯體上掛式結(jié)構(gòu)確保了波紋芯體在油中自然垂直，伸縮均勻穩(wěn)定，無(wú)須任何導(dǎo)向扶正機(jī)構(gòu)，工作狀態(tài)優(yōu)于臥式和內(nèi)油式；儲(chǔ)油柜耐壓能力提升，無(wú)滲漏油風(fēng)險(xiǎn)，波紋氣囊內(nèi)滲油可以通過(guò)導(dǎo)管清晰指示，優(yōu)于膠囊漏油隱患無(wú)法指示的設(shè)計(jì)；波紋芯體為內(nèi)散熱式設(shè)計(jì)，無(wú)凝露，工作狀態(tài)良好；油位計(jì)采用直接磁耦合外掛式，精度高且與絕緣油可靠隔離。

3 儲(chǔ)油柜的選取

3.1 芯體結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)油柜芯體按結(jié)構(gòu)分為單芯體和多芯體，單芯體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是空間利用率高，補(bǔ)償能力強(qiáng)，消除了無(wú)效空間，相同外形尺寸比多芯體增加 30% 以上補(bǔ)償空間，特別適用于設(shè)置在高低壓套管之間的儲(chǔ)油柜，外形尺寸不影響絕緣距離。單芯體結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以減少 30%～50% 焊縫，大大提升了儲(chǔ)油柜的密封可靠性，單芯體的波紋伸縮剛性比多芯體小30%～50% ，但不影響變壓器壓力釋放閥和氣體繼電器參數(shù)設(shè)定，適用于小型變壓器。外油立式結(jié)構(gòu)通常采用單芯體結(jié)構(gòu)。多芯體儲(chǔ)油柜可以增大儲(chǔ)油柜的儲(chǔ)油量，相比單芯體儲(chǔ)油量可以增大 20%～30% ，而且可以增加儲(chǔ)油柜油的流動(dòng)性，適用于大型變壓器。

3.2 儲(chǔ)油柜耐正壓能力和耐負(fù)壓能力

儲(chǔ)油柜是變壓器油箱的一部分，應(yīng)滿(mǎn)足變壓器設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，其耐壓能力至少應(yīng)滿(mǎn)足壓力釋放閥的動(dòng)作壓力（通常 50～70kPa） ，并在變壓器整體靜壓密封試驗(yàn)時(shí)參與測(cè)試，而不應(yīng)該隔離。同時(shí)，對(duì)于有全真空注油要求的變壓器，儲(chǔ)油柜耐負(fù)壓能力也要達(dá)到真空注油要求。

3.3 運(yùn)行維護(hù)要求

在日常維護(hù)過(guò)程中，為了方便運(yùn)維人員快速發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)油柜的缺陷，波紋管立式外油結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油柜可以設(shè)置簡(jiǎn)單可靠的滲漏指示，將氣囊下部漏油引到儲(chǔ)油柜油箱下部的透明油盒中，一旦發(fā)生漏油，運(yùn)維人員巡視中可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。膠囊式儲(chǔ)油柜發(fā)生滲漏或破損時(shí)，往往第一時(shí)間不能發(fā)現(xiàn)，這也是膠囊式儲(chǔ)油柜的一大弊端。波紋管立式外油儲(chǔ)油柜還可以設(shè)置滲漏油檢測(cè)裝置，通過(guò)紅外檢測(cè)或超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)透明油盒，采集盒內(nèi)油溫的變化發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.4 運(yùn)輸要求

波紋管儲(chǔ)油柜是全焊密封結(jié)構(gòu)，在運(yùn)輸時(shí)通常會(huì)在儲(chǔ)油柜內(nèi)注入干燥空氣，運(yùn)輸過(guò)程中保持微正壓。但是儲(chǔ)油腔內(nèi)充氣壓固定芯體方式常常會(huì)因壓縮空氣水分產(chǎn)生內(nèi)壁凝露，這給后續(xù)注油帶來(lái)了很大風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于 500kV 大型變壓器，抽真空時(shí)要求真空壓力值不大于 133Pa ，以保持內(nèi)部的干燥和清潔。對(duì)于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸以及顛簸路況運(yùn)輸，建議采用儲(chǔ)油腔抽負(fù)壓和呼吸腔充正壓 0.03MPa 雙保險(xiǎn)運(yùn)輸。而膠囊式儲(chǔ)油柜的膠囊是單獨(dú)包裝運(yùn)輸，更為方便。

3.5 運(yùn)行環(huán)境

膠囊式儲(chǔ)油柜一般適用于 -25～40^°C 的戶(hù)外環(huán)境，適用范圍比較廣。但對(duì)于極寒、極潮天氣、多塵天氣等需格外注意，極寒天氣會(huì)影響膠囊的伸縮性，潮氣和沙塵會(huì)增加呼吸器的維護(hù)次數(shù)，若有潮氣和沙塵進(jìn)入將大大影響膠囊的使用壽命。金屬波紋管儲(chǔ)油柜耐極端天氣能力突出，在極端天氣時(shí)也能保持好伸縮性，能夠正確顯示油位，密封性良好。目前，立式外油儲(chǔ)油柜已大量應(yīng)用于各電壓等級(jí)變壓器，特別是高電壓和大容量變壓器，金屬波紋管立式外油儲(chǔ)油柜更是優(yōu)先選擇的對(duì)象。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)儲(chǔ)油柜的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，指出了改進(jìn)后的金屬波紋管立式外油儲(chǔ)油柜的優(yōu)異性能。通過(guò)對(duì)芯體結(jié)構(gòu)、耐壓能力、運(yùn)輸要求、運(yùn)行環(huán)境等方面的分析，探討了儲(chǔ)油柜的選取要求，變電站中電力變壓器儲(chǔ)油柜的選取應(yīng)根據(jù)具體情況，綜合考慮多方面因素的影響。今后，還可以進(jìn)一步探索研制技術(shù)更加先進(jìn)、性能更為優(yōu)異的儲(chǔ)油柜，以不斷提升變壓器的運(yùn)行質(zhì)量，從而保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[參考文獻(xiàn)]

[1]單文建，屈文鋒，馬立鑫，等.550kV大型主變壓器儲(chǔ)油柜油位異常的分析與處理[J].水電與新能源，2024，38（11）：53-55.

[2]黃建瓊，季杰.大型油浸式電力變壓器膠囊式儲(chǔ)油柜運(yùn)行維護(hù)[J].電力安全技術(shù)。