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因为变压器在发生突发故障时

  变压器是电力系统最为常用的设备之一,也是极为常见的电力设备,无论是工业也是民用,都离不开变压器在其中发挥的极其重要的作用,正因为如此,变压器的安全成为了电气专家克难公关的一个主要课题。

  从目前我国广为使用的变压器来看,大多数停留在上世纪末的研发水平,其安全性能还不能令人高枕无忧,一般来说,变压器的保护主要电流速断、差动保护等电气型的继电保护,但实践证明,次来保护对变压器内部故障反映相当迟钝,主要原因在于变压器内部出现的故障基本上都是从短路尤其是匝间短路引发的,一旦短路事情发生,瞬间的电流非常强大,不过由于其传递到线线电流的并不能得到同步反映或者有效放大,因此,难以被发现,直到多多匝短路或者接地短路时,才会自动切断电源,但此时往往内部损伤很大。从变压器的构成结构分析,变压器保护的水平和性能主要取决于内部的瓦斯继电器,这个继电器是主动性的,它着设计上赋予了及时切断电源的功能,但因为瓦斯继电器的灵敏度被流速所制约,若达不到相应的整定值,就不会发生保护动作。变压器还设有安全气道――压力释放阀门,这个装置的主要功能是保护变压器主油箱保证正常形态,一旦变压器内部发生问题时,变压器的主油箱内的压力随之升高,瓦斯继电器中的油也会同时流动。上世纪八十年代前设计的变压器,其的流速整定交由机电设备专业人员进行设定,而压力释放阀门却又是交由设计人员把握,两者互相之间缺乏更加科学或者完善的沟通或者交流,势必会造成各自为政,继电专业从业人员难以完全顾及到压力释放阀门是否比瓦斯继电器的反映要早,瓦斯继电器是否能真正在瞬间能随之动作,作为设计人员,也可能对瓦斯继电器和压力释放阀门的联动缺乏深入的研究。

  变压器内放置了大量的变压器油,变压器油石油的一种分馏产物,它的主要成分是烷烃,环烷族饱和烃,芳香族不饱和烃等化合物。俗称方棚油,浅黄色透明液体,相对密度0.895。凝固点-45℃。变压器油作用是多方面的,但绝缘、冷却和消弧作用是主要功能,当变压器内部发生电弧时,出现故障点局部就会产生高温,变压器油被高温电弧激活气化,分解为高分子的体,一般为烃类气体,气体的主要成分为氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等,其中含量最高的尾乙炔气体,往往占有率超过75%,由于油本身就是有机溶剂,所以,部分气体是可以溶解到油中,但当产生气体的速度快于气体溶解于油的速度,就会在发生故障的局部形成气泡,气泡的体质比油要大,大体积的气泡势必会挤占油的空间,可见,在产生故障时,故障点产生的气体和瓦斯继电器中油的流动应该是同步发生的,多少气体的产生会增大一定体质的空间,被挤占的空间中的有就流向储油罐,也就是说,产气的速率大少制约着通过瓦斯继电器油的流速,而电弧的功率越大,则产气的速率自然也越大。因此,要尽可能低控制变压器内部的故障发生的概率,就是要求得最少的流速整定值,将流速整定值少于最低故障概率下的产气速率。真如以上所述那样,变压器的故障往往都是有一匝短路引起的,而一匝短路的原因十分复杂,如电弧路径问题、线圈大小形状、电弧电阻大小、匝间电压高低等因素,要精确计算非常困难,鉴于此,本文采用反推的计算方法,对整定流速进行计算。传统变压器的整流流速处于0.7―1.3m/s,这里我们取用0.9m/s进行反推。

  通过查找变压器相关资料可知,变压器内油要气化为烃类气体必须要达到一定的能力供应,一般乙炔的临界点为850kJ/mol,其他烃类的气化点为450kJ/mol,由于变压器气体中乙炔占有主要,大概超过75%,所以在计算中,加权的气体气化临界点为780kJ/mol。

  这个数值大小相当于5台大功率(35KW)电机同时作业产生的能量,铁的溶解热170kJ/kg,这个能量就相当于在在一秒钟内就可以将170/174克铁融化掉,若是这个能量在变压器内持续的时间达到几秒钟,那么对变压器的破坏难以估量。从发生故障的变压器事后拆解分析,当瓦斯继电器发生的动作时,变压器内部的损坏早已超出人们想象的程度,往往是很多匝发生了短路,即便是灵敏度非常高的传统变压器,哪怕其反应时间在1秒钟以内,瓦斯继电器不发生动作,那么至少都会有超过一匝以上的点被击穿。

  几乎在运行中的变压器都装有压力释放阀,作为变压器非电量保护的安全装置,压力释放阀是用来保护油浸电气设备的。即在变压器油箱内部发生故障时,油箱内的油被分解、气化,产生大量气体,油箱内压力急剧升高,此压力如不及时释放,将造成变压器油箱变形、甚至爆裂。安装了压力释放阀,就使变压器在油箱内部发生故障、压力升高到压力释放阀的开启压力时,压力释放阀在2ms内迅速开启,使变压器油箱内的压力很快降低。

  当压力释放阀内部发生故障时,就会产生一定的气泡,气泡挤压空间导致主油箱的压力随之上升,这个数值大小十分关键,按照流体力学通行的计算方式,主油箱的压力大小由四个方面的因素决定:

  (1)受主油箱的和储油箱之间的通道阻力影响。从传统变压器的设计分析,一般都有几个直角的弯头,有几个直线通道,在主油箱和管道之间有缩放口,从管道到储油箱也有缩放口。

  为了计算的方便,本次计算中变压器呼吸器的设定为与外界隔绝,也就是呼吸器失去作用。而储油箱中的橡皮油囊当做是可以调节的容器,由于其调节的幅度非常之小,其变化的空间也忽略不计。则以油柱计为计算指标的阻力大小为:

  由此可见,由于主油箱的强度取材和设计的存在着差异,压力释放阀门生产企业的设计也无法形成固定的标准和一致的参数,通过以上数值定量化计算,压力释放阀门的动作值必须要大大小于最低的油压流动阻力,但不能与升压力有较大的差距,从国内已经使用的压力释放阀门来看,一般都是在10-55看一般都是kPa之间,我们不难发现,一旦瓦斯继电器的整定流速为90cm/s,当变压器主油箱因为电弧等因素影响导致气化升压,压力超过15.1kPa时,瓦斯继电器才会有反应,若压力释放阀门能在11kPa时就发生动作,那么变压器的主油箱内的气压就会得到有效的控制,不会连续攀升,压力达不到临界操作点,瓦斯继电器就不会有反应,瓦斯继电器挡板结构图见图1,所以瓦斯继电器的整定流速和压力释放阀门发生动作的设定值之间有着非常密切的因果关系,这就要求在设计变压器时,必须考虑压力释放的途径已经和瓦斯继电器互相关联的作用。

  (1)瓦斯继电器的流速整定值应该越小也好。因为变压器在发生突发故障时,我们总希望能把故障的损伤降低到最低的限度,从以上分析计算可知,只有当瓦斯继电器的流速整定值达到下限,才能提供足够的安全保护作用,之所以还设定下限,是因为还要考虑地震等外界突发灾害性事件,参照世界上先进的变压器设计方案,一般来说在选取整定值下限时,都是以地震灾害为考量,地震强度达到7度的,最佳的整定流速设定为0.3m/s;地震强度达到8度的,建议设定整定流速0.4m/s;当地震强度超过9度时,可以将整定流速再提高一个千分点,地震强度再加大时,要加大相应的安全系数,油管越大,流速相对可以取小点,油管越少流速必须相应取大数。

  (2)将压力释放阀的动作效果接近于电流全断。从计算可知,当引发变压器故障的能量达到174KPa时,主油箱的压力为15.1KPAa,如果在设计压力释放阀门的动作临界点的值不对,后果也是非常严重的,比如将压力释放阀门的动作设定为40kPa,要满足这个条件,等于是变压器内发生了极其严重的故障,若已经发生了极其严重的故障,再动作势必时与事无补,因此,要科学设定临界参数,一旦发生此类事件,必须跳闸动作完全切断电源。

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