新型换流变压器快速排油装置研究

刘光辉，周 斌，杨仁毅，贾志玲，王新兵

（山东电力设备有限公司，山东 济南 250022）

0 引言

近年来，随着我国特高压技术的快速发展，特高压骨干网络已初步形成，油浸式电力变压器在电力系统中发挥着“心脏”的功能［1］，一旦发生故障，将导致整个区域内电力网瘫痪，损失不可估量。

由于油浸式电力变压器存在内部产生电弧放电的隐患［2-3］，且不可避免，而变压器油箱是一个全密闭的整体，电弧放电产生的可燃气体在油箱内部迅速聚集会使油箱内部压力迅速增大，压力释放阀无法迅速泄压时，容易引发爆炸等重大事故［4-5］，变压器内部装有几十吨甚至上百吨可燃性变压器油，变压器油大面积流出，将引发重大火灾事故，造成重大损失。因此，在变压器突发火灾时，实现变压器油的迅速转移是防止爆炸和大范围火灾事故极为重要的手段［6］。

换流变压器各部件常见的可燃材料有绝缘油、纸板、绝缘成型件、层压木、环氧树脂、尼龙拉带等。换流变压器在异常情况下，火灾隐患源主要有：网侧升高座及套管、有载分接开关［7］等，其中，网侧套管内部绝缘故障导致套管绝缘油在高温下分解产生气体，同时产生巨大的压力，使网侧套管瓷套炸裂，绝缘油从破损口外泄接触空气，当绝缘油温度达到自燃点时，网侧套管起火［8］。分接开关的放电故障主要原因为过电压引起的放电击穿、分接开关各部分绝缘恶化造成的局部放电和短路击穿［9］，放电故障会进一步造成绝缘烧伤使开关烧毁、绝缘油更加劣化形成喷油甚至爆炸。因此须对上述关键部位进行重点监控，在变压器发生火灾事故时，快速将油箱内的变压器油转移到安全距离以外的油池中，防止重大爆炸事故的发生，最大限度降低火灾发生时的损失。

1 换流变压器快速排油装置研究

1.1 装置主要部件及作用

快速排油装置布置如图1 所示，包括火灾探测器、气体继电器、电动阀、油泵、断流阀、充氮系统、远程控制柜、排油管路等。

图1 排油系统各部件相对位置布置

火灾探测器安装在本体及网侧、阀侧升高座上，当检测到温度异常且超过设定阈值时发出报警信号。

气体继电器安装在本体及网侧、阀侧升高座，当变压器或升高座内部发生严重故障，油分解产生大量气体造成油流大的冲击时，气体继电器的跳闸节点动作。

电动阀采用DN150 及以上大口径阀（视变压器等级及油量而定），通过排油管与安装在变压器本体上的事故放油阀相连，通过排油管将变压器油排入事故油池，实现变压器火灾时的快速排油。

油泵安装在电动阀门近油池端，可加快油流速度，实现火灾初期快速排油。

断流阀安装在本体气体继电器与油枕之间的主联管上，变压器突发火灾排油时自动切断油箱本体补油管路。

充氮系统用于变压器本体破除真空状态及隔绝空气，降低油温的目的。

远程控制柜布置在主控室内，提供信号显示，报警信号输出及自动启动控制功能。该控制柜独立于变压器本体二次控制柜，控制柜配置双路供电系统，互为备用。

排油管路作为电动排油阀与排油池之间的管路连接部分，保证变压器油快速排入排油池。

快速排油装置具有智能探测变压器火灾事故的功能，可实现就地或远程控制，自动或手动启动，装置动作时开启电动阀排油，同时，断流阀关闭，将储油柜与油箱之间油路切断，杜绝“火上浇油”。排油阀与远端密闭排油池相连，保证油池安全。

1.2 系统动作机理

每台变压器配置3 个电动阀和2 台油泵。每6 台变压器的阀门和油泵的机械动作由1 台控制柜控制。

当变压器发生火灾事故时，变压器内部因故障变压器油分解产生大量气体，变压器内部压力急剧升高，气体继电器跳闸节点动作，发出指令，变压器跳闸。

装置自动模式下，排油控制系统启动必须同时满足“重瓦斯+火警+变压器断电”等条件并延时3 s后启动排油控制，充分保证系统的可靠性。电动排油阀迅速开启，然后油泵工作，同时断流阀自动关闭，截断储油柜补充给变压器的变压器油。油泵运行10 s 后，系统自动打开氮气阀门，开始注入氮气，达到降温、隔绝空气的目的。灭火过程中系统实时采集温度并与注入氮气前温度进行比较，对温度继续上升和下降趋势做出分析，依据温升和温度变化趋势判断火势是否得到控制，实时输出判断，并由人工确认是否需要继续排油或中途停止继续排油。自动控制逻辑流程如图2 所示。

装置手动模式下，火灾探测器发出报警信号，值守人员确认火情后，按下排油系统启动按钮，迅速排油。当火灾发生且不能满足自动启动排油控制时，可手动启动装置，执行自动模式逻辑控制。

图2 换流变压器快速排油装置自动控制逻辑

2 系统可行性验算

以某公司生产的特高压直流输电工程用换流变压器为例，变压器本体内总油质量m 按100 t 计。本方案设计排油管路最多有4 个90°弯头，管路最长约12 m。变压器油密度ρ 在20 ℃时约为888.8 kg／m3，变压器油面高度H 为9.35 m。本方案安装1 个DN150（内径尺寸为150 mm）口径尺寸的阀门及配套管路，阀门选用有特高压直流输电工程运行业绩的厂家成熟产品。

考虑到变压器本体中油量及排油管径等因素，选用油泵的选型流量Qy为240 m3／h 时，DN150 管路中油流速度为。其中，A 为阀门和管路截面积，m2，可由DN150 口径管路计算得出。

依靠自重及油泵作用排油，计算此情况下排油流量，对于不可压缩流体，根据伯努利方程及连续方程，可得出管路计算流量与液体压力及阀门口径的关系为

式中：Q 为体积流量；ξ 为闸阀的阻力系数，ξ=0.75；g 为重力加速度，g=9.8 m／s2；kv为油泵及阀的流量系数；γ为变压器油的重度，γ=ρg；ΔP 为油泵及阀进出口压力差；P 为阀进口压力，P=ρgH=81.4 kPa；ΔPy为沿程损失压力，可查《化工原理》Re-λ 图取ΔPy=46.7 kPa；ΔPj为局部压力损失。

局部压力损失ΔPj采用式（2）所示的阻力系数法求得。

式中：ξ总为总的局部损失系数，管道中含有4 个90°弯管，单个阻力系数ξ=0.75，则总的局部损失系数为ξ总=4×0.75=3。

根据式（2），得ΔPj为18.9 kPa。将各参数代入式（1），可得Q 为436 m3／h。

因此，可得排油时间为

通过以上分析可知，当油泵流量选用240 m3／h，DN150 管路中流体始终保持流速为v1，经计算可在20 min 以内将远端换流变100 t 的变压器油迅速排入公共油池，该方案有效、可行。

3 结语

为防止换流变压器发生火灾时，变压器油大面积流出，引发重大火灾事故，造成重大损失。设计一种换流变压器智能快速排油装置，集火灾报警及事故快速排油于一体，装置启动后，可立即切断油枕与油箱之间的油路并迅速排油，同时可与水喷雾等灭火系统配合，迅速灭火。其能够在火灾事故安全距离以外实现排油阀控制，最大限度保证人身安全，防止火灾蔓延波及其他重要电力设备，有效防止二次爆炸事故的发生，相较于其他排油及灭火系统而言，具有更智能、更可靠、更高效的特点。