一种排油注氮灭火系统设计与应用

盛 雨，葛增光，安 勇，马道柱

(1.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000；2.菏泽市定陶区市场监督管理局，山东 菏泽 274000)

0 引言

随着电力系统的高速发展，电力变压器的电压等级越来越高，油浸式电力变压器作为变电站最重要的设备之一，人们对其火灾防范水平有了更高的要求。变压器内部含有大量的绝缘油，当变压器出现操作过电压、雷击过电压、绝缘老化等故障时会造成内部绝缘损坏，严重时会在变压器内部产生大量可燃气体，温度和压力的剧增会造成本体损坏、变压器喷油，发生火灾并蔓延，造成重大损失[1]。

变压器常用的消防灭火系统有水喷雾灭火系统、合成泡沫喷淋灭火系统、排油注氮灭火装置等。排油充氮灭火装置具有适用范围广、预防灭火效果好、防爆功能强、维护工作量小、装置成本低等优点，在电力系统消防中得以广泛应用[2-3]。文献[4]对排油注氮灭火装置的原理及其应用展开了研究，并对水喷雾灭火系统、合成泡沫喷淋灭火系统、排油注氮灭火装置进行对比分析，结果表明排油注氮灭火装置更具有主动、经济、高效、适用的特点，具有广泛的应用前景。文献[5]通过对变压器排油注氮装置的作用原理、装置结构及系统配件进行分析，并结合工程实例对油浸电力变压器排油注氮装置的工作原理和系统设计要点作简要介绍及初步探讨。文献[6]研究了油浸式变压器BMH-1A 型排油注氮灭火系统的接线不合理等问题，提出了在控制回路中增加主变压器三侧断路器位置，增加紧急解锁按钮等措施，并针对变电站实际情况提出工程应用的改造方案。文献[7]分析了500 kV 变电站主变压器消防系统的现状，在比较三类消防系统优缺点的基础上，详细论述了主变排油注氮装置的结构组成、工作原理、参数计算、控制系统设计以及需要注意的事项等，为下一步排油注氮装置的推广应用打下基础。

下面对排油注氮灭火装置的工作原理展开研究，针对传统装置控制回路简单、抗干扰能力差、动作逻辑单一等缺点，对其从装置结构、设计参数等方面进行针对性改造。在此基础上，分析排油注氮灭火装置常见故障及原因，并提出故障处理方法，为排油注氮灭火装置的进一步研究提供参考。

1 工作原理

变压器排油注氮灭火装置主要由控制回路、切断油路、排油泄压、注氮灭火四个系统组成，当变压器内部故障着火时，一方面断流阀动作，切断储油柜到变压器本体的补油油路，另一方面将氮气从底部注入变压器本体内，对绝缘油进行降温和隔绝氧气，达到快速灭火的目的[9]。排油注氮灭火装置可满足防爆防火保护启动、灭火保护启动、手动启动和现场紧急启动四种方式，其启动条件电路如图1 所示。其中，FS 为三档选择旋钮，K1 为重瓦斯信号开关，K2、K20 为火灾探测器信号开关，K12为箱体超压信号开关，K11 为主变三侧断路器跳闸信号开关，QD 为手动灭火按钮开关，QDQ 为手动灭火确认按钮开关，XJK 为紧急启动按钮开关，XJKQ 为紧急启动确认按钮开关，KT 为时间继电器，K9、K21、KX1、KX2 为中间继电器。排油注氮灭火装置启动时均有反馈信号进行自检，避免装置出现因信号错误导致的误动作。

图1 排油注氮灭火装置启动条件电路

排油注氮灭火装置需有独立的两路电源才能实现主路电源自动切换，满足四种启动条件的一种就要动作，其中排油注氮启动(触发)功率应大于220 V×5 A (DC)，注氮阀动作线圈功率应大于220 V×6 A (DC)[10]。此时，装置打开排油阀、氮气瓶阀，先进行排油，3 s 后将氮气从变压器底部注入，将变压器顶部的热油排出进行泄压，防止油箱压力在起火后因注入氮气进一步增大。同时，断流阀达到流速动作切断储油柜补油回路，避免事故进一步扩大。氮气注入时间不少于30 min，使变压器内的油充分搅拌、降温。排油注氮灭火装置工作原理如图2 所示。

图2 排油注氮灭火装置工作原理

2 排油注氮灭火系统设计

断流阀水平安装于气体继电器和油枕之间，正常运行时处于“ 运行” 状态，箭头由油枕指向变压器，断流阀阀柄必须顺时针转动，动作流量为90 ～150 L/min (1.5 ～2.5 m/s)，动 作 时 间 不 大于1 s。

变压器排油接口阀与排油注氮灭火装置油管排气两通连接，排油管道采用φ133×4 mm 无缝管，管道位于变压器箱顶200 mm 处。注氮排气三通位于注氮管最高点，注氮管道采用φ33×3.5 mm 无缝管，6 个注氮孔均匀分布在变压器两端，位于变压器底部100 mm 处。

单台220 kV 变电站变压器容量在120 ～240 MVA 之 间， 当 变 压 器 容 量 在50 ～360 MVA 时，氮 气 瓶 数 量 为2 个，容 积为40 L。氮气瓶的额定压力(压强，下同)为12～15 MPa，一台220 kV 变压器可注氮气量如公式(1)所示。

式中：n为氮气瓶的数量，V为氮气瓶的容积，F1、F2分别为氮气瓶的初始压力和减压后压力，此处将初始压力设为额定压力最大值15 MPa，减压后压力为0.6 MPa。

排油注氮灭火装置需连续注氮30 min 以上，氮气调节阀的出口流速如公式(2)所示，其中tmin为最低连续注氮时长。

排油注氮灭火装置共6 个注氮孔，故每个注氮孔流量为氮气调节阀的出口流速的1/6 倍，即10.71 L/min。注氮管为φ33×3.5 mm 无缝管，即管道壁厚S为3.5 mm，平均直径d为33 mm，注氮管中的氮气流速v氮气如公式(3)所示。

排油注氮灭火装置排油管为φ133×4 mm无缝管，即管道壁厚S为4 mm，平均直径d为133 mm。以220 kV 某主变压器为例，变压器油号为25，故油密度ρ为895 kg/m3，该主变压器油重65 t，装置动作时排油量约为总油重的1 %，即Q排=0.65 t=650 kg，排油注氮时间间隔t为3 s，排油管中的油流流速v油流如公式(4)所示。

经过以上设计，排油注氮灭火装置示意如图3所示，消防柜内部布局如图4 所示。

3 排油注氮灭火装置应用及故障处理

3.1 排油注氮灭火装置日常维护

为了确保排油注氮灭火装置的正常运行，应对该装置进行必要的维护，以免因装置维护不当造成损失。日常维护应注意以下内容：

1) 每月监视氮气瓶压力，若压力下降较快，用肥皂水查找漏点，并进行维护，当氮气瓶压力低于7 MPa 时，应及时补气。

2) 排油阀、单向阀应无渗漏情况。

3) 若置于手动运行状态，排油阀、氮气释放阀锁定铜销一定要插上。

4) 各指示灯无报警信号，如有异常，要及时分析处理。

3.2 常见故障及处理方法

排油注氮灭火装置运行时出现故障要及时、准确处理，对常见故障、出现原因及处理方法进行归纳总结，如表1 所示。

表1 排油注氮灭火装置常见故障及处理方法

4 结束语

以上介绍了排油注氮灭火装置的工作原理，并用电路图和流程图对工作原理进行进一步诠释。通过理论计算，对排油注氮灭火装置的技术要点进行分析，并结合实际设计了排油注氮灭火装置示意和消防柜内部布局图，为排油注氮灭火系统的改造提供了借鉴。针对排油注氮灭火装置运行情况，对其日常维护事项和常见故障及处理方法进行分析，为设备检修及维护提供了依据，提高了检修效率。