新型換流變壓器快速排油裝置研究

劉光輝，周 斌，楊仁毅，賈志玲，王新兵

（山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)特高壓技術(shù)的快速發(fā)展，特高壓骨干網(wǎng)絡(luò)已初步形成，油浸式電力變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著“心臟”的功能［1］，一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域內(nèi)電力網(wǎng)癱瘓，損失不可估量。

由于油浸式電力變壓器存在內(nèi)部產(chǎn)生電弧放電的隱患［2-3］，且不可避免，而變壓器油箱是一個(gè)全密閉的整體，電弧放電產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在油箱內(nèi)部迅速聚集會(huì)使油箱內(nèi)部壓力迅速增大，壓力釋放閥無(wú)法迅速泄壓時(shí)，容易引發(fā)爆炸等重大事故［4-5］，變壓器內(nèi)部裝有幾十噸甚至上百噸可燃性變壓器油，變壓器油大面積流出，將引發(fā)重大火災(zāi)事故，造成重大損失。因此，在變壓器突發(fā)火災(zāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)變壓器油的迅速轉(zhuǎn)移是防止爆炸和大范圍火災(zāi)事故極為重要的手段［6］。

換流變壓器各部件常見(jiàn)的可燃材料有絕緣油、紙板、絕緣成型件、層壓木、環(huán)氧樹(shù)脂、尼龍拉帶等。換流變壓器在異常情況下，火災(zāi)隱患源主要有：網(wǎng)側(cè)升高座及套管、有載分接開(kāi)關(guān)［7］等，其中，網(wǎng)側(cè)套管內(nèi)部絕緣故障導(dǎo)致套管絕緣油在高溫下分解產(chǎn)生氣體，同時(shí)產(chǎn)生巨大的壓力，使網(wǎng)側(cè)套管瓷套炸裂，絕緣油從破損口外泄接觸空氣，當(dāng)絕緣油溫度達(dá)到自燃點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)側(cè)套管起火［8］。分接開(kāi)關(guān)的放電故障主要原因?yàn)檫^(guò)電壓引起的放電擊穿、分接開(kāi)關(guān)各部分絕緣惡化造成的局部放電和短路擊穿［9］，放電故障會(huì)進(jìn)一步造成絕緣燒傷使開(kāi)關(guān)燒毀、絕緣油更加劣化形成噴油甚至爆炸。因此須對(duì)上述關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，在變壓器發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，快速將油箱內(nèi)的變壓器油轉(zhuǎn)移到安全距離以外的油池中，防止重大爆炸事故的發(fā)生，最大限度降低火災(zāi)發(fā)生時(shí)的損失。

1 換流變壓器快速排油裝置研究

1.1 裝置主要部件及作用

快速排油裝置布置如圖1 所示，包括火災(zāi)探測(cè)器、氣體繼電器、電動(dòng)閥、油泵、斷流閥、充氮系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制柜、排油管路等。

圖1 排油系統(tǒng)各部件相對(duì)位置布置

火災(zāi)探測(cè)器安裝在本體及網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)升高座上，當(dāng)檢測(cè)到溫度異常且超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

氣體繼電器安裝在本體及網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)升高座，當(dāng)變壓器或升高座內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障，油分解產(chǎn)生大量氣體造成油流大的沖擊時(shí)，氣體繼電器的跳閘節(jié)點(diǎn)動(dòng)作。

電動(dòng)閥采用DN150 及以上大口徑閥（視變壓器等級(jí)及油量而定），通過(guò)排油管與安裝在變壓器本體上的事故放油閥相連，通過(guò)排油管將變壓器油排入事故油池，實(shí)現(xiàn)變壓器火災(zāi)時(shí)的快速排油。

油泵安裝在電動(dòng)閥門近油池端，可加快油流速度，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)初期快速排油。

斷流閥安裝在本體氣體繼電器與油枕之間的主聯(lián)管上，變壓器突發(fā)火災(zāi)排油時(shí)自動(dòng)切斷油箱本體補(bǔ)油管路。

充氮系統(tǒng)用于變壓器本體破除真空狀態(tài)及隔絕空氣，降低油溫的目的。

遠(yuǎn)程控制柜布置在主控室內(nèi)，提供信號(hào)顯示，報(bào)警信號(hào)輸出及自動(dòng)啟動(dòng)控制功能。該控制柜獨(dú)立于變壓器本體二次控制柜，控制柜配置雙路供電系統(tǒng)，互為備用。

排油管路作為電動(dòng)排油閥與排油池之間的管路連接部分，保證變壓器油快速排入排油池。

快速排油裝置具有智能探測(cè)變壓器火災(zāi)事故的功能，可實(shí)現(xiàn)就地或遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)，裝置動(dòng)作時(shí)開(kāi)啟電動(dòng)閥排油，同時(shí)，斷流閥關(guān)閉，將儲(chǔ)油柜與油箱之間油路切斷，杜絕“火上澆油”。排油閥與遠(yuǎn)端密閉排油池相連，保證油池安全。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)作機(jī)理

每臺(tái)變壓器配置3 個(gè)電動(dòng)閥和2 臺(tái)油泵。每6 臺(tái)變壓器的閥門和油泵的機(jī)械動(dòng)作由1 臺(tái)控制柜控制。

當(dāng)變壓器發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，變壓器內(nèi)部因故障變壓器油分解產(chǎn)生大量氣體，變壓器內(nèi)部壓力急劇升高，氣體繼電器跳閘節(jié)點(diǎn)動(dòng)作，發(fā)出指令，變壓器跳閘。

裝置自動(dòng)模式下，排油控制系統(tǒng)啟動(dòng)必須同時(shí)滿足“重瓦斯+火警+變壓器斷電”等條件并延時(shí)3 s后啟動(dòng)排油控制，充分保證系統(tǒng)的可靠性。電動(dòng)排油閥迅速開(kāi)啟，然后油泵工作，同時(shí)斷流閥自動(dòng)關(guān)閉，截?cái)鄡?chǔ)油柜補(bǔ)充給變壓器的變壓器油。油泵運(yùn)行10 s 后，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)氮?dú)忾y門，開(kāi)始注入氮?dú)?，達(dá)到降溫、隔絕空氣的目的。滅火過(guò)程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫度并與注入氮?dú)馇皽囟冗M(jìn)行比較，對(duì)溫度繼續(xù)上升和下降趨勢(shì)做出分析，依據(jù)溫升和溫度變化趨勢(shì)判斷火勢(shì)是否得到控制，實(shí)時(shí)輸出判斷，并由人工確認(rèn)是否需要繼續(xù)排油或中途停止繼續(xù)排油。自動(dòng)控制邏輯流程如圖2 所示。

裝置手動(dòng)模式下，火災(zāi)探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，值守人員確認(rèn)火情后，按下排油系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，迅速排油。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生且不能滿足自動(dòng)啟動(dòng)排油控制時(shí)，可手動(dòng)啟動(dòng)裝置，執(zhí)行自動(dòng)模式邏輯控制。

圖2 換流變壓器快速排油裝置自動(dòng)控制邏輯

2 系統(tǒng)可行性驗(yàn)算

以某公司生產(chǎn)的特高壓直流輸電工程用換流變壓器為例，變壓器本體內(nèi)總油質(zhì)量m 按100 t 計(jì)。本方案設(shè)計(jì)排油管路最多有4 個(gè)90°彎頭，管路最長(zhǎng)約12 m。變壓器油密度ρ 在20 ℃時(shí)約為888.8 kg／m3，變壓器油面高度H 為9.35 m。本方案安裝1 個(gè)DN150（內(nèi)徑尺寸為150 mm）口徑尺寸的閥門及配套管路，閥門選用有特高壓直流輸電工程運(yùn)行業(yè)績(jī)的廠家成熟產(chǎn)品。

考慮到變壓器本體中油量及排油管徑等因素，選用油泵的選型流量Qy為240 m3／h 時(shí)，DN150 管路中油流速度為。其中，A 為閥門和管路截面積，m2，可由DN150 口徑管路計(jì)算得出。

依靠自重及油泵作用排油，計(jì)算此情況下排油流量，對(duì)于不可壓縮流體，根據(jù)伯努利方程及連續(xù)方程，可得出管路計(jì)算流量與液體壓力及閥門口徑的關(guān)系為

式中：Q 為體積流量；ξ 為閘閥的阻力系數(shù)，ξ=0.75；g 為重力加速度，g=9.8 m／s2；kv為油泵及閥的流量系數(shù)；γ為變壓器油的重度，γ=ρg；ΔP 為油泵及閥進(jìn)出口壓力差；P 為閥進(jìn)口壓力，P=ρgH=81.4 kPa；ΔPy為沿程損失壓力，可查《化工原理》Re-λ 圖取ΔPy=46.7 kPa；ΔPj為局部壓力損失。

局部壓力損失ΔPj采用式（2）所示的阻力系數(shù)法求得。

式中：ξ總為總的局部損失系數(shù)，管道中含有4 個(gè)90°彎管，單個(gè)阻力系數(shù)ξ=0.75，則總的局部損失系數(shù)為ξ總=4×0.75=3。

根據(jù)式（2），得ΔPj為18.9 kPa。將各參數(shù)代入式（1），可得Q 為436 m3／h。

因此，可得排油時(shí)間為

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)油泵流量選用240 m3／h，DN150 管路中流體始終保持流速為v1，經(jīng)計(jì)算可在20 min 以內(nèi)將遠(yuǎn)端換流變100 t 的變壓器油迅速排入公共油池，該方案有效、可行。

3 結(jié)語(yǔ)

為防止換流變壓器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，變壓器油大面積流出，引發(fā)重大火災(zāi)事故，造成重大損失。設(shè)計(jì)一種換流變壓器智能快速排油裝置，集火災(zāi)報(bào)警及事故快速排油于一體，裝置啟動(dòng)后，可立即切斷油枕與油箱之間的油路并迅速排油，同時(shí)可與水噴霧等滅火系統(tǒng)配合，迅速滅火。其能夠在火災(zāi)事故安全距離以外實(shí)現(xiàn)排油閥控制，最大限度保證人身安全，防止火災(zāi)蔓延波及其他重要電力設(shè)備，有效防止二次爆炸事故的發(fā)生，相較于其他排油及滅火系統(tǒng)而言，具有更智能、更可靠、更高效的特點(diǎn)。