變壓器是電力系統(tǒng)最為常用的設(shè)備之一，也是極為常見的電力設(shè)備，無(wú)論是工業(yè)也是民用，都離不開變壓器在其中發(fā)揮的極其重要的作用，正因?yàn)槿绱耍儔浩鞯陌踩蔀榱穗姎鈱＜铱穗y公關(guān)的一個(gè)主要課題。

　　1 變壓器安全的故障的主要原因

　　從目前我國(guó)廣為使用的變壓器來(lái)看，大多數(shù)停留在上世紀(jì)末的研發(fā)水平，其安全性能還不能令人高枕無(wú)憂，一般來(lái)說(shuō)，變壓器的保護(hù)主要電流速斷、差動(dòng)保護(hù)等電氣型的繼電保護(hù)，但實(shí)踐證明，次來(lái)保護(hù)對(duì)變壓器內(nèi)部故障反映相當(dāng)遲鈍，主要原因在于變壓器內(nèi)部出現(xiàn)的故障基本上都是從短路尤其是匝間短路引發(fā)的，一旦短路事情發(fā)生，瞬間的電流非常強(qiáng)大，不過(guò)由于其傳遞到線線電流的并不能得到同步反映或者有效放大，因此，難以被發(fā)現(xiàn)，直到多多匝短路或者接地短路時(shí)，才會(huì)自動(dòng)切斷電源，但此時(shí)往往內(nèi)部損傷很大。從變壓器的構(gòu)成結(jié)構(gòu)分析，變壓器保護(hù)的水平和性能主要取決于內(nèi)部的瓦斯繼電器，這個(gè)繼電器是主動(dòng)性的，它著設(shè)計(jì)上賦予了及時(shí)切斷電源的功能，但因?yàn)橥咚估^電器的靈敏度被流速所制約，若達(dá)不到相應(yīng)的整定值，就不會(huì)發(fā)生保護(hù)動(dòng)作。變壓器還設(shè)有安全氣道――壓力釋放閥門，這個(gè)裝置的主要功能是保護(hù)變壓器主油箱保證正常形態(tài)，一旦變壓器內(nèi)部發(fā)生問(wèn)題時(shí)，變壓器的主油箱內(nèi)的壓力隨之升高，瓦斯繼電器中的油也會(huì)同時(shí)流動(dòng)。上世紀(jì)八十年代前設(shè)計(jì)的變壓器，其的流速整定交由機(jī)電設(shè)備專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)定，而壓力釋放閥門卻又是交由設(shè)計(jì)人員把握，兩者互相之間缺乏更加科學(xué)或者完善的溝通或者交流，勢(shì)必會(huì)造成各自為政，繼電專業(yè)從業(yè)人員難以完全顧及到壓力釋放閥門是否比瓦斯繼電器的反映要早，瓦斯繼電器是否能真正在瞬間能隨之動(dòng)作，作為設(shè)計(jì)人員，也可能對(duì)瓦斯繼電器和壓力釋放閥門的聯(lián)動(dòng)缺乏深入的研究。

　　2 瓦斯繼電器整定值計(jì)算

　　變壓器內(nèi)放置了大量的變壓器油，變壓器油石油的一種分餾產(chǎn)物，它的主要成分是烷烴，環(huán)烷族飽和烴，芳香族不飽和烴等化合物。俗稱方棚油，淺黃色透明液體，相對(duì)密度0.895。凝固點(diǎn)<-45℃。變壓器油作用是多方面的，但絕緣、冷卻和消弧作用是主要功能，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧時(shí)，出現(xiàn)故障點(diǎn)局部就會(huì)產(chǎn)生高溫，變壓器油被高溫電弧激活氣化，分解為高分子的體，一般為烴類氣體，氣體的主要成分為氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，其中含量最高的尾乙炔氣體，往往占有率超過(guò)75%，由于油本身就是有機(jī)溶劑，所以，部分氣體是可以溶解到油中，但當(dāng)產(chǎn)生氣體的速度快于氣體溶解于油的速度，就會(huì)在發(fā)生故障的局部形成氣泡，氣泡的體質(zhì)比油要大，大體積的氣泡勢(shì)必會(huì)擠占油的空間，可見，在產(chǎn)生故障時(shí)，故障點(diǎn)產(chǎn)生的氣體和瓦斯繼電器中油的流動(dòng)應(yīng)該是同步發(fā)生的，多少氣體的產(chǎn)生會(huì)增大一定體質(zhì)的空間，被擠占的空間中的有就流向儲(chǔ)油罐，也就是說(shuō)，產(chǎn)氣的速率大少制約著通過(guò)瓦斯繼電器油的流速，而電弧的功率越大，則產(chǎn)氣的速率自然也越大。因此，要盡可能低控制變壓器內(nèi)部的故障發(fā)生的概率，就是要求得最少的流速整定值，將流速整定值少于最低故障概率下的產(chǎn)氣速率。真如以上所述那樣，變壓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復(fù)雜，如電弧路徑問(wèn)題、線圈大小形狀、電弧電阻大小、匝間電壓高低等因素，要精確計(jì)算非常困難，鑒于此，本文采用反推的計(jì)算方法，對(duì)整定流速進(jìn)行計(jì)算。傳統(tǒng)變壓器的整流流速處于0.7―1.3m/s，這里我們?nèi)∮?.9m/s進(jìn)行反推。

　　設(shè)油流速：V=1m/s=100cm/s；

　　瓦斯繼電器管道直徑：D=8cm；

　　管道截面：50cm2

　　油的體積流速：R=S×V=52×90=5000cm2/s=5L/s；

　　計(jì)算結(jié)果就是產(chǎn)氣速率為每秒五升。

　　通過(guò)查找變壓器相關(guān)資料可知，變壓器內(nèi)油要?dú)饣癁闊N類氣體必須要達(dá)到一定的能力供應(yīng)，一般乙炔的臨界點(diǎn)為850kJ/mol，其他烴類的氣化點(diǎn)為450kJ/mol，由于變壓器氣體中乙炔占有主要，大概超過(guò)75%，所以在計(jì)算中，加權(quán)的氣體氣化臨界點(diǎn)為780kJ/mol。

　　那么，每秒5升的產(chǎn)氣需要的能量為：

　　這個(gè)數(shù)值大小相當(dāng)于5臺(tái)大功率（35KW）電機(jī)同時(shí)作業(yè)產(chǎn)生的能量，鐵的溶解熱170kJ/kg，這個(gè)能量就相當(dāng)于在在一秒鐘內(nèi)就可以將170/174克鐵融化掉，若是這個(gè)能量在變壓器內(nèi)持續(xù)的時(shí)間達(dá)到幾秒鐘，那么對(duì)變壓器的破壞難以估量。從發(fā)生故障的變壓器事后拆解分析，當(dāng)瓦斯繼電器發(fā)生的動(dòng)作時(shí)，變壓器內(nèi)部的損壞早已超出人們想象的程度，往往是很多匝發(fā)生了短路，即便是靈敏度非常高的傳統(tǒng)變壓器，哪怕其反應(yīng)時(shí)間在1秒鐘以內(nèi)，瓦斯繼電器不發(fā)生動(dòng)作，那么至少都會(huì)有超過(guò)一匝以上的點(diǎn)被擊穿。

　　3 壓力釋放閥門整定值計(jì)算

　　幾乎在運(yùn)行中的變壓器都裝有壓力釋放閥，作為變壓器非電量保護(hù)的安全裝置，壓力釋放閥是用來(lái)保護(hù)油浸電氣設(shè)備的。即在變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，油箱內(nèi)的油被分解、氣化，產(chǎn)生大量氣體，油箱內(nèi)壓力急劇升高，此壓力如不及時(shí)釋放，將造成變壓器油箱變形、甚至爆裂。安裝了壓力釋放閥，就使變壓器在油箱內(nèi)部發(fā)生故障、壓力升高到壓力釋放閥的開啟壓力時(shí)，壓力釋放閥在2ms內(nèi)迅速開啟，使變壓器油箱內(nèi)的壓力很快降低。

　　當(dāng)壓力釋放閥內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的氣泡，氣泡擠壓空間導(dǎo)致主油箱的壓力隨之上升，這個(gè)數(shù)值大小十分關(guān)鍵，按照流體力學(xué)通行的計(jì)算方式，主油箱的壓力大小由四個(gè)方面的因素決定：

　　（1）受主油箱的和儲(chǔ)油箱之間的通道阻力影響。從傳統(tǒng)變壓器的設(shè)計(jì)分析，一般都有幾個(gè)直角的彎頭，有幾個(gè)直線通道，在主油箱和管道之間有縮放口，從管道到儲(chǔ)油箱也有縮放口。

　　（2）儲(chǔ)油箱都裝有橡皮油囊，橡皮的彈性會(huì)產(chǎn)生儲(chǔ)油阻力。

　　（3）變壓器呼吸器向環(huán)境釋放氣體也有阻力。

　　（4）儲(chǔ)油箱和主油箱之間的油位差壓力。

　　現(xiàn)設(shè)油流速：V=100cm/s；

　　管道直徑：D=8cm；

　　設(shè)存在兩個(gè)直角轉(zhuǎn)彎，幾段直管，兩者之和：L=190cm；

　　凈油位差：H=160cm；

　　為了計(jì)算的方便，本次計(jì)算中變壓器呼吸器的設(shè)定為與外界隔絕，也就是呼吸器失去作用。而儲(chǔ)油箱中的橡皮油囊當(dāng)做是可以調(diào)節(jié)的容器，由于其調(diào)節(jié)的幅度非常之小，其變化的空間也忽略不計(jì)。則以油柱計(jì)為計(jì)算指標(biāo)的阻力大小為：

　　式中：t1――主油箱到輸油管之間的阻力系數(shù)，取0.6；

　　t2――輸油管到儲(chǔ)油箱之間的阻力系數(shù)，取1.1；

　　t3――輸油管中直角彎頭的阻力系數(shù)。取0.2；

　　V――油的流速，取100cm/；

　　H――主油箱和儲(chǔ)油箱的油位差，取150cm；

　　L――輸油管直線管道的阻力系數(shù)，取決于油的粘度，查表取值5.2cm；

　　則

　　可以算出升壓力為：

　　由此可見，由于主油箱的強(qiáng)度取材和設(shè)計(jì)的存在著差異，壓力釋放閥門生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)也無(wú)法形成固定的標(biāo)準(zhǔn)和一致的參數(shù)，通過(guò)以上數(shù)值定量化計(jì)算，壓力釋放閥門的動(dòng)作值必須要大大小于最低的油壓流動(dòng)阻力，但不能與升壓力有較大的差距，從國(guó)內(nèi)已經(jīng)使用的壓力釋放閥門來(lái)看，一般都是在10-55看一般都是kPa之間，我們不難發(fā)現(xiàn)，一旦瓦斯繼電器的整定流速為90cm/s，當(dāng)變壓器主油箱因?yàn)殡娀〉纫蛩赜绊憣?dǎo)致氣化升壓，壓力超過(guò)15.1kPa時(shí)，瓦斯繼電器才會(huì)有反應(yīng)，若壓力釋放閥門能在11kPa時(shí)就發(fā)生動(dòng)作，那么變壓器的主油箱內(nèi)的氣壓就會(huì)得到有效的控制，不會(huì)連續(xù)攀升，壓力達(dá)不到臨界操作點(diǎn)，瓦斯繼電器就不會(huì)有反應(yīng)，瓦斯繼電器擋板結(jié)構(gòu)圖見圖1，所以瓦斯繼電器的整定流速和壓力釋放閥門發(fā)生動(dòng)作的設(shè)定值之間有著非常密切的因果關(guān)系，這就要求在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，必須考慮壓力釋放的途徑已經(jīng)和瓦斯繼電器互相關(guān)聯(lián)的作用。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)以上的分析可知，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，要注意以下兩個(gè)方面：

　　（1）瓦斯繼電器的流速整定值應(yīng)該越小也好。因?yàn)樽儔浩髟诎l(fā)生突發(fā)故障時(shí)，我們總希望能把故障的損傷降低到最低的限度，從以上分析計(jì)算可知，只有當(dāng)瓦斯繼電器的流速整定值達(dá)到下限，才能提供足夠的安全保護(hù)作用，之所以還設(shè)定下限，是因?yàn)檫€要考慮地震等外界突發(fā)災(zāi)害性事件，參照世界上先進(jìn)的變壓器設(shè)計(jì)方案，一般來(lái)說(shuō)在選取整定值下限時(shí)，都是以地震災(zāi)害為考量，地震強(qiáng)度達(dá)到7度的，最佳的整定流速設(shè)定為0.3m/s；地震強(qiáng)度達(dá)到8度的，建議設(shè)定整定流速0.4m/s；當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度超過(guò)9度時(shí)，可以將整定流速再提高一個(gè)千分點(diǎn)，地震強(qiáng)度再加大時(shí)，要加大相應(yīng)的安全系數(shù)，油管越大，流速相對(duì)可以取小點(diǎn)，油管越少流速必須相應(yīng)取大數(shù)。

　　（2）將壓力釋放閥的動(dòng)作效果接近于電流全斷。從計(jì)算可知，當(dāng)引發(fā)變壓器故障的能量達(dá)到174KPa時(shí)，主油箱的壓力為15.1KPAa，如果在設(shè)計(jì)壓力釋放閥門的動(dòng)作臨界點(diǎn)的值不對(duì)，后果也是非常嚴(yán)重的，比如將壓力釋放閥門的動(dòng)作設(shè)定為40kPa，要滿足這個(gè)條件，等于是變壓器內(nèi)發(fā)生了極其嚴(yán)重的故障，若已經(jīng)發(fā)生了極其嚴(yán)重的故障，再動(dòng)作勢(shì)必時(shí)與事無(wú)補(bǔ)，因此，要科學(xué)設(shè)定臨界參數(shù)，一旦發(fā)生此類事件，必須跳閘動(dòng)作完全切斷電源。

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