大型變壓器膠囊式儲(chǔ)油柜和隔膜式儲(chǔ)油柜對(duì)比研究

孫京陽(yáng),王 南,于在明,唐 紅,白欽與

(1.長(zhǎng)春市恒濤熱電有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130001;2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110006; 3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

大型變壓器運(yùn)行過(guò)程中，由于受到環(huán)境溫度和運(yùn)行負(fù)荷的影響，油溫存在大幅變化，變壓器內(nèi)的大量絕緣油會(huì)隨著溫度的變化出現(xiàn)熱脹冷縮，因此儲(chǔ)油柜是調(diào)節(jié)變壓器內(nèi)油量的重要組成設(shè)備。膠囊式儲(chǔ)油柜和隔膜式儲(chǔ)油柜均具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)儲(chǔ)油柜內(nèi)的橡膠膠囊或橡膠隔膜與箱壁連接形成的密閉空間隔絕外界空氣，通過(guò)橡膠膠囊或橡膠隔膜伸縮實(shí)現(xiàn)絕緣油油壓與大氣壓的平衡。運(yùn)行時(shí)如出現(xiàn)密封失效，則會(huì)引起各類(lèi)變壓器運(yùn)行故障[1-5]。為此，本文統(tǒng)計(jì)了近5年膠囊式儲(chǔ)油柜和隔膜式儲(chǔ)油柜的故障案例,通過(guò)對(duì)案例的整理和分析,對(duì)兩者的運(yùn)行安全可靠性進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 儲(chǔ)油柜故障案例

1.1 隔膜式儲(chǔ)油柜故障案例

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，某省公司近5年來(lái)隔膜式儲(chǔ)油柜故障案例僅1起。

案例1：2017年1月，某220 kV變電站2號(hào)主變壓器出現(xiàn)油位指示為零，經(jīng)停電檢查發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閮?chǔ)油柜隔膜破裂后自然下沉所導(dǎo)致。

1.2 膠囊式儲(chǔ)油柜故障案例

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，某省公司近5年來(lái)膠囊式儲(chǔ)油柜故障案例4起。

案例1：2017年1月，某500 kV變電站2號(hào)主變壓器箱體因上蓋持續(xù)滲漏油，補(bǔ)油過(guò)程發(fā)現(xiàn)油位計(jì)顯示無(wú)變化，排油檢查發(fā)現(xiàn)膠囊一端接縫處有破損，位于膠囊端部接縫處，見(jiàn)圖1。

圖1 膠囊破損部位(案例1)

案例2：2017年6月，某換流站011B換流變油位低于當(dāng)時(shí)的油溫曲線，打開(kāi)儲(chǔ)油柜呼吸器連管處法蘭檢查發(fā)現(xiàn)，膠囊內(nèi)有絕緣油，確定為膠囊破損。排油檢查發(fā)現(xiàn)膠囊存在2處破損，分別位于中上部和固定法蘭接觸部位外沿，見(jiàn)圖2。

圖2 膠囊破損部位(案例2)

案例3：2017年6月，某500 kV變電站2號(hào)電抗器本體呼吸器硅膠罐底絕緣油外流，打開(kāi)儲(chǔ)油柜呼吸器連管處法蘭檢查發(fā)現(xiàn)，膠囊內(nèi)充滿(mǎn)絕緣油，膠囊上浮，確認(rèn)膠囊破損。排油檢查發(fā)現(xiàn)膠囊存在2處破損，分別位于頂部中間位置和固定法蘭接觸部位外沿，見(jiàn)圖3。

圖3 膠囊破損部位(案例3)

案例4：2019年7月，某220 kV變電站本體呼吸器漏油，當(dāng)日16時(shí)，巡視人員發(fā)現(xiàn)絕緣油充滿(mǎn)呼吸器硅膠罐，從硅膠罐底部大量外流，形成油流，當(dāng)日18時(shí)，呼吸器停止向外漏油。停電檢查發(fā)現(xiàn)膠囊破裂，破裂位置在膠囊上下半球接縫處，見(jiàn)圖4。

圖4 膠囊破損部位(案例4)

同時(shí),為更全面調(diào)查膠囊式儲(chǔ)油柜破損部位，還統(tǒng)計(jì)了近5年其他省份膠囊式儲(chǔ)油柜故障案例，共計(jì)4起。

案例5：2015年6月，某換流站Y/D-B換流變壓器本體呼吸器硅膠罐底有絕緣油外流，形成油流。打開(kāi)儲(chǔ)油柜呼吸器連管處法蘭檢查發(fā)現(xiàn)膠囊內(nèi)存在絕緣油，確認(rèn)膠囊已破損。取出膠囊檢查發(fā)現(xiàn)存在1處破損，位于膠囊右端端面上，見(jiàn)圖5。

圖5 膠囊破損部位(案例5)

案例6：2015年6月，某換流站極1B相換流變壓器于當(dāng)日15時(shí)投入運(yùn)行，當(dāng)日18時(shí)30分，巡視人員發(fā)現(xiàn)該換流變壓器本體呼吸器硅膠罐底絕緣油大量外流，形成油流。停電檢查發(fā)現(xiàn)膠囊存在2處破裂點(diǎn)，分別位于油位計(jì)浮球上方和膠囊右端掛點(diǎn)處，見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 呼吸器漏油部位(案例6)

圖7 膠囊破損部位(案例6)

案例7： 2018年11月，某換流站01B換流變壓器本體重瓦斯動(dòng)作，三相開(kāi)關(guān)跳閘。現(xiàn)場(chǎng)檢查換流變壓器油位為10.9%，符合當(dāng)時(shí)油溫曲線，無(wú)漏油現(xiàn)象。通過(guò)放油閥取油樣時(shí)無(wú)絕緣油流出，進(jìn)行補(bǔ)油操作時(shí)，油位計(jì)顯示無(wú)變化，存在假油位現(xiàn)象。排油檢查發(fā)現(xiàn)膠囊破損，破損位于膠囊中部，膠囊下沉至儲(chǔ)油柜底部，與本體連通管端部對(duì)應(yīng)位置有明顯壓痕，見(jiàn)圖8。

圖8 膠囊破損部位(案例7)

案例8：2019年2月，對(duì)某換流站極1C相換流變壓器儲(chǔ)油柜膠囊泄漏告警缺陷進(jìn)行檢查，取出膠囊后采用注水加壓法測(cè)試，發(fā)現(xiàn)膠囊存在7處滲漏點(diǎn)，其中4處位于膠囊兩端，2處位于側(cè)面，1處位于法蘭處，見(jiàn)圖9。

圖9 膠囊破損部位(案例8)

2 膠囊式儲(chǔ)油柜和隔膜式儲(chǔ)油柜對(duì)比分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近5年本省發(fā)生隔膜式儲(chǔ)油柜故障案例僅1起，而膠囊式儲(chǔ)油柜故障案例有4起，故障數(shù)量遠(yuǎn)多于隔膜式儲(chǔ)油柜。對(duì)此本文就膠囊式儲(chǔ)油柜故障率較高的問(wèn)題進(jìn)行深入分析。

2.1 膠囊式儲(chǔ)油柜和隔膜式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)

膠囊式儲(chǔ)油柜膠囊多為圓柱形，在呼吸器連管法蘭處進(jìn)行固定，膠囊與油位計(jì)連桿間存在一浮球，浮球與連桿相連接，靠自身浮力與膠囊底部緊密接觸[6-10]，見(jiàn)圖10。

圖10 膠囊式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)

雙密封形式的隔膜式儲(chǔ)油柜，上下箱體間使用密封墊進(jìn)行第一道密封，隔絕外界的空氣和水分進(jìn)入儲(chǔ)油柜箱體內(nèi)，儲(chǔ)油柜內(nèi)隔膜周邊固定于下半圓柜沿下方，采用密封墊壓緊，作為儲(chǔ)油柜的第二道密封。

雙密封在油柜右端板上側(cè)裝有一磁針式油位表，當(dāng)隔膜上下移動(dòng)時(shí)，通過(guò)固定在隔膜上的支架，和可以自由伸縮的油位表連桿，以及傳動(dòng)齒輪、磁偶等機(jī)構(gòu)，將變壓器油位用指針在刻度盤(pán)上指示出來(lái)。不同于膠囊式儲(chǔ)油柜在油位表連桿端頭采用浮球形式抵住膠囊下方，隔膜式儲(chǔ)油柜油位表連桿與隔膜直接連接，膠囊式儲(chǔ)油柜的浮球?yàn)樗芰喜馁|(zhì)，存在破損風(fēng)險(xiǎn)，故障案例6即為浮球破損后戳破膠囊的情況。

此外雙密封隔膜式儲(chǔ)油柜的隔膜采用獨(dú)立密封，密封膠條固定于法蘭下方凹槽內(nèi)，油箱上蓋與下蓋間使用第二道密封固定。在隔膜安裝完成后可進(jìn)行密封性試驗(yàn)檢測(cè)，大幅提高運(yùn)行可靠性[11-13]。隔膜式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

圖11 隔膜式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)

2.2 運(yùn)行故障主要影響因素

通過(guò)分析研究，在運(yùn)行過(guò)程中以下幾個(gè)方面對(duì)膠囊式和雙密封隔膜式儲(chǔ)油柜存在較大影響。

a.橡膠材料的使用

儲(chǔ)油柜故障案例大多數(shù)為儲(chǔ)油柜內(nèi)橡膠材料破損導(dǎo)致，橡膠材料相比于其他不銹鋼部件更易破損，因此橡膠材料的使用成為了儲(chǔ)油柜整體密封性最薄弱的部位。對(duì)于相同容積的儲(chǔ)油柜，膠囊所需橡膠材料面積遠(yuǎn)大于隔膜，因此膠囊式儲(chǔ)油柜運(yùn)行可靠性比隔膜式儲(chǔ)油柜差。

b.膠囊的磨損

對(duì)膠囊破損部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共計(jì)破損部位17處，其中破損部位位于膠囊兩端面共7處，位于浮球上方對(duì)應(yīng)部位的共1處，其他破損部位共9處，兩端面破損概率為41%。膠囊式儲(chǔ)油柜破損部位統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖12。

圖12 膠囊式儲(chǔ)油柜破損部位統(tǒng)計(jì)

通過(guò)圖12可見(jiàn)，膠囊的破損點(diǎn)集中于膠囊兩端，膠囊兩端因存在接縫而表面不平整，當(dāng)儲(chǔ)油柜箱壁兩側(cè)存在焊接、毛刺等不平整時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中兩者不斷摩擦及鉤住拉扯等問(wèn)題，最終出現(xiàn)破損。而隔膜四周均有固定于儲(chǔ)油柜上下殼體之間無(wú)法位移，隔膜上無(wú)接縫表面光滑，運(yùn)行過(guò)程為凸凹形變，不易與儲(chǔ)油柜內(nèi)壁發(fā)生摩擦，因此膠囊式儲(chǔ)油柜運(yùn)行可靠性差于隔膜式儲(chǔ)油柜。

c.浮球破損

對(duì)圖12中浮球上方破損點(diǎn)分析，膠囊式儲(chǔ)油柜油位計(jì)連桿末端連接一浮球浮于絕緣油中，運(yùn)行中浮球以連桿半軸抵住膠囊下方，隨著膠囊伸縮來(lái)回移動(dòng)，浮球破損后極易扎破橡膠材料造成膠囊破損。隔膜式儲(chǔ)油柜連桿同隔膜直接連接，不存在相對(duì)移動(dòng),因此膠囊式儲(chǔ)油柜比隔膜式儲(chǔ)油柜多一個(gè)潛在危害點(diǎn)。

2.3 運(yùn)行故障危害比較

通過(guò)對(duì)膠囊式儲(chǔ)油柜和隔膜式儲(chǔ)油柜整理所引起的故障類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基本故障類(lèi)型分為滲油、假油位、重瓦斯動(dòng)作(開(kāi)關(guān)跳閘)和大量漏油。隔膜式儲(chǔ)油柜所引起的故障共1起，為假油位故障；膠囊式儲(chǔ)油柜引起的故障共8起，其中滲油故障1起，假油位故障2起，重瓦斯動(dòng)作(開(kāi)關(guān)跳閘)故障1起，大量漏油故障4起。

按照膠囊式儲(chǔ)油柜和隔膜式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)分析，兩者共同的故障類(lèi)型包括假油位、堵塞本體瓦斯繼電器聯(lián)管。其中堵塞本體瓦斯繼電器聯(lián)管所造成的危害較為嚴(yán)重，絕緣油體積收縮時(shí)由于無(wú)法由儲(chǔ)油柜流向本體進(jìn)行補(bǔ)油，被堵塞端口下方開(kāi)始出現(xiàn)真空區(qū)域，油面繼續(xù)下降，瓦斯繼電器內(nèi)出現(xiàn)真空區(qū)域，首先導(dǎo)致輕瓦斯動(dòng)作發(fā)出報(bào)警信號(hào)，繼而重瓦斯動(dòng)作，造成變壓器跳閘故障。膠囊破損后虹吸現(xiàn)象油路見(jiàn)圖13。

圖13 膠囊破損后虹吸現(xiàn)象油路示意圖

但膠囊式儲(chǔ)油柜還會(huì)產(chǎn)生由呼吸器管路向外大量漏油的故障，該類(lèi)故障危害也較嚴(yán)重，是膠囊破損后會(huì)出現(xiàn)獨(dú)特的虹吸現(xiàn)象所致。在膠囊破損后失去浮力懸浮于絕緣油內(nèi)，待絕緣油體積膨脹時(shí)擠壓膠囊，絕緣油經(jīng)膠囊內(nèi)部至呼吸器連管、呼吸器后溢出變壓器，此時(shí)呼吸器出口低于變壓器最高油面，在絕緣油流出后形成虹吸油路持續(xù)往外抽油。由于變壓器內(nèi)油面下降迅速，首先導(dǎo)致輕瓦斯動(dòng)作，繼而重瓦斯動(dòng)作，造成變壓器跳閘故障。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文列舉了變壓器隔膜式儲(chǔ)油柜和膠囊式儲(chǔ)油柜近年所發(fā)生的故障案例，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由于膠囊式儲(chǔ)油柜的橡膠材料使用面積更大，端面等部位因不平整易破損，對(duì)浮球破損的潛在危害進(jìn)行總結(jié)，膠囊式儲(chǔ)油柜密封可靠性差于隔膜式儲(chǔ)油柜；此外，從兩者所發(fā)的故障類(lèi)型和危害進(jìn)行分析和比較，隔膜式儲(chǔ)油柜不僅出現(xiàn)異常情況少，且無(wú)從呼吸器向外漏油的可能性，可以得出膠囊式儲(chǔ)油柜運(yùn)行安全性差于隔膜式儲(chǔ)油柜。因此，綜合判斷隔膜式儲(chǔ)油柜運(yùn)行安全可靠性高于膠囊式儲(chǔ)油柜。