油浸式电力变压器压力释放阀的有效性研究与对比分析

肖承仟 高晓峰 郭俊杰

（国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南 平顶山 467001）

1 变压器损坏原因分析

变压器会发生的各种故障甚至爆炸着火的原因通常是由于电弧导致的过压，而产生电弧的原因包括[1]：

1）一个绕组的线圈之间发生闪络。

2）线圈之间出现故障。

3）绕组、铁心、油箱和连接线缆之间发生闪络。

4）套管故障（通常是高压套管）。

5）有载分接开关故障。

电弧会导致变压器油气化，导致过压并以球形向四周扩展。产生的气体量取决于电弧的能量和故障的持续时间。IEEE报告“变压器油箱破裂和移位”中列出了计算得出的最大气体生成率为500ml/kW，有时产生的过压会超出14bar，并伴随高达5000bar/s的增加速度。压升和产生的过压主要取决于电弧的能量、消失前发生的相位响应次数以及开始的位置。

压力波会以接近音速的速度在变压器油等中向四周扩展，并对周围所有物件（绕组包、箱壁等）施力，变压器油箱通常是弱点所在。根据 OEM 规范，变压器油箱的耐压力至少为1bar。IEEE报告提到油箱的耐压力（根据设计而异）为 1.4到 2.1bar之间，圆柱形油箱的耐压力可高达 3.5bar。但这些数值均低于发生最严重故障时的压力值。提高安全度的一种解决方案是提高油箱的耐压能力[2-3]，但增加材料会导致价格提高，而且变压器还要遵守特定国家的压力容器法规。第二种解决方案是采用压力释放阀在变压器过压时释放压力。相关研究表明，采用压力释放阀能够释放因低能故障导致的过压，使变压器保持运行或者至少不会严重损坏。

对于高能故障，压力释放阀并不能提供 100%的保护，尤其是当压力释放阀距离故障发生位置过远且压力波已对其他位置造成损坏时。因此当发生高能故障时，最重要的是尽快关闭变压器，防止火灾蔓延。MPreC® LMPRD压力释放阀采用信号销直接驱动微动开关，从动作到发出信号的时间仅需2ms。

当然，变压器在整个寿命周期发生高能或低能故障的几率是较低的，因此在变压器的使用寿命期间保持其绝对气密性以及在整个该时间段保持其功能正常是至关重要的。

2 压力释放阀的设计及选型

1）压力释放阀的设计及工作原理

可参考德国制造商的 MPreC® LMPRD图纸了解压力释放阀的设计原理。该压力释放阀包括一个法兰，通过螺丝连接到变压器油箱（或有载分接开关盖）的对接法兰上。压力释放阀通过弹簧组压入法兰并使用2个衬垫密封。当油箱内压力超出开启压力时，压力释放阀向上弹出，油和气体喷出并减小油箱内部的压力：当压力降至关闭压力以下时，压力释放阀将再次密封。

2）压力释放阀的选型

压力释放阀的选型需要考虑的几个参数是：外壳类型、开启压力、接线方式、颜色、密封胶垫材料、信号标杆等。

如图1所示，MPreC® LMPRD压力释放阀可提供两种不同型号的阀盖。标准阀盖具通过侧面的百叶窗式裂缝排放油液。若采用“引油盖”（Oil-Directed Cover），则可通过专用管路连接将油液导向变压器下部进行排放。

图1 不同类型的压力释放阀

3 国标JB/T 7065—2004简介

在国内，所有制造商的压力释放阀必须满足JB/T 7065—2004标准。该标准描述了结构类型、性能参数和技术要求，还提及了常规试验和型式试验的试验方法[4]。常规试验最重要的几项包括：

开启压力试验，在常温下将压缩空气注入容器，当压力增量达到25～40kPa时，压力释放阀应断续跳动，循环周期为1～4s，每次跳动过程中信号开关应切换并可靠自锁。机械信号也应明显作用，当10次连续作用过程中无异常时，则视为符合要求。

表1 开启压力试验对应值列表

开启时间试验，采用模拟短路事故方式或者使用易燃气体引爆实施，三次试验中至少有两次试验的时间应不超过2ms，则视为符合要求。

信号接点绝缘性能试验，“测试信号触点之间以及信号触点和地之间，在端子和地之间施加2kV短时工频电压，持续1min，不应发生闪络、穿透现象。

老化开启性能试验，在常温条件下进行的开启压力试验中合格的压力释放阀应静置至少 24h，试验中测得的第一次开启压力值应符合表3的规定。试验方法同开启压力试验。

密封压力值的密封性能试验，常温下在试验系统中注入变压器油（油温为 100℃）或煤油，将压力释放阀安装到试验设备上，施加等于密封压力值的压力，持续2h，若没有泄漏，则视为符合要求。

4 基于JB/T 7065—2004/2010的试验分析

JB/T 7065—2004介绍了如何测试压力释放阀。若由人工完成这些繁杂的测试，一个完整的测试流程大概需要两天时间。

Messko公司研发的自动测试设备平台可以克服这个缺点，如图2所示。这台测试装置配备一台个人计算机，并可连接到打印机和压力系统，能够自动执行试验程序，同时记录所有结果，如图3所示。

从图3中可以看出，这台压力释放阀自动测试装置，除了可以测试压力释放阀的开启压力，关闭压力、动作时等参数外，还可以以曲线形式直观的反映压力释放阀的动作特性（图中横坐标轴为时间，以ms为单位；纵轴是压力值，以bar为单位）。

图2 压力释放阀试验台

图3 压力释放阀试验循环的典型结果

5 主流压力释放阀的对比分析

为了测试各品牌压力释放阀的动作特性，我们分别购置了市场上最著名的德国、美国及我国沈阳某公司生产的压力释放阀（所有的压力释放阀均为全新产品，具有出厂测试报告，包装完好），并根据JB/T 7065—2004对这些压力释放阀进行10次连续的开启压力对比试验。其实验结果如下。

1）沈阳制造的国内产品

实验用的国产压力释放阀如图4所示，其开启压力为 10PSI（68.94kPa）。

图4 国产压力释放阀

由图5及表2可以看出，该压力释放阀虽然通过了开启压力测试，但开启速度较慢，至少需要0.4s，同时在测试过程中还有一次渗漏的现象发生。

图5 国产压力释放阀的开启压力试验结果

表2 国产压力释放阀开启压力试验数值分析

2）美国进口压力释放阀

用于测试的美国压力释放阀开启压力为 5psi（34.74kPa），如图6所示。

图6 美国进口压力释放阀

由图7及表3可以得出，美国进口压力释放阀的第一次测试并未在公差范围内开启。该压力释放阀不符合JB/T 7065—2004标准。

图7 美国进口压力释放阀的试验结果

表3 美国进口压力释放阀开启压力试验数值分析

3）德国进口压力释放阀

该产品开启压力为10psi（68.94kPa），如图8所示。

图8 德国进口压力释放阀

由图9及表4可以看出，德国制造的压力释放阀在所有10次尝试中均在公差范围内开启。实验曲线表明该设备的动作特性非常稳定。

图9 德国进口压力释放阀的试验结果

表4 德国进口压力释放阀开启压力试验数值分析

6 结论

压力释放阀能够为保护变压器、有载分接开关和类似设备内部压力过高时提供保护。JB/T 7065—2004标准对于此类重要保护设备提出了非常高的要求，采用适当的测试设备对压力释放阀进行测试也很重要。MPreC®自动试验台旨在用于根据 JB/T 7065—2004标准测试压力释放阀，它不仅能够测试开启压力，还会提供试验的图形说明，是检测压力释放阀的非常有用的工具。

[1] 孟涛. 浅议变压器的故障分析与处理[J]. 甘肃农业,2014(16): 38-38, 40.

[2] 梅栴, 艾宏, 于成公. 简述压力释放阀的开启压力和开启时间[J]. 变压器, 2006, 43(9): 27-30.

[3] 余瑾, 丁国成, 陈庆涛, 等. 安徽电网变压器压力释放阀校验工作情况[J]. 宿州学院学报, 2012, 27(2):82-83.

[4] 国家电网公司. 变压器用压力释放阀试验导则[S].2004-06-17.