油浸式電力變壓器排油注氮滅火系統(tǒng)的改進

閆海寧

【摘 要】本文對油浸式變壓器排油注氮滅火系統(tǒng)的工作原理進行簡單介紹，并就現(xiàn)階段寧夏地區(qū)220kV及以上油浸式變壓器滅火系統(tǒng)存在的幾點問題進行簡要分析，通過分析提出了現(xiàn)場改進措施及運行管理建議。

【關(guān)鍵詞】油浸式變壓器；排油注氮；滅火；系統(tǒng)

1.前言

在電力安全生產(chǎn)中，電力變壓器作為主設(shè)備之一，一直發(fā)揮著其“心臟”的功能。隨著寧夏地區(qū)經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，高耗能生產(chǎn)用電負荷不斷增大，變壓器火災隱患也隨之增加。由于短路、過電壓等引起的變壓器內(nèi)部電弧使油品電離并分解出多種可燃氣體，并使油箱內(nèi)壓迅速升高，當此壓力超過油箱所能承受極限時，油箱薄弱處就會破裂，導致氧氣進入與可燃氣體混合，一旦遇明火或一定能量的電火花即刻爆炸起火，造成重大火災事故。

2. 變壓器起火主要原因

由于油浸式變壓器內(nèi)部存有大量的可燃變壓器油，線圈、引線也使用紙、面紗等作絕緣材料，鐵芯絕緣則主要由木塊、紙板作支架和襯墊，這些都是可燃材料，再加上設(shè)備制造和運行過程中的一些因素，以及以下幾種情況難以徹底避免，其變壓器起火和爆炸的危險性無法根除。因此，除了提高變壓器制造質(zhì)量及運行水平，減少火災隱患外，同時還有必要加強和改進對變壓器的保護，以防止或減少變壓器火災帶來的損失和危害。

2.1線圈絕緣損壞造成短路，使線圈發(fā)熱燃燒；

2.2內(nèi)部導電連接處接觸不良產(chǎn)生高溫，在松動或斷開時，產(chǎn)生電弧造成爆炸起火；

2.3高壓套管損壞爆裂起火，套管發(fā)生漏水、滲油或長期積滿油垢而閃絡(luò)或套管絕緣層損壞、老化，絕緣擊穿引起爆炸起火；

2.4變壓器油老化變質(zhì)引起內(nèi)絡(luò)擊穿而造成爆炸著火事故。

3.現(xiàn)階段寧夏地區(qū)使用的變壓器滅火系統(tǒng)

3.1 變壓器排油注氮滅火系統(tǒng)，應用于220kV、330kV變壓器。

排油注氮滅火系統(tǒng)是九十年代由國外引進并在國內(nèi)消化研制而成的一種專門針對油浸變壓器和其它充油電氣設(shè)備的滅火裝置。系統(tǒng)主要包括火災探測器、控流閥、消防柜（內(nèi)設(shè)氮氣瓶及相關(guān)附件）、電氣控制柜、排油及充氮管路系統(tǒng)等。主要是通過采取立即切斷油路，迅速排出熱油，攪拌冷卻油溫，隔氧室熄滅火四種手段來達到消防滅火的目的。它具有準確、迅速、可靠等優(yōu)點，宜于安裝，土建工程小，不污染環(huán)境。適用于發(fā)電廠、變電站容量在5MVA以上的大型油浸電力變壓器以及類似充電電力設(shè)備滅火消防。

排油注氮滅火系統(tǒng)的滅火原理是：當變壓器因內(nèi)部故障發(fā)生火災，系統(tǒng)同時接到火災探測器和瓦斯繼電器動作信號后，排油重錘動作，立即打開快速排油閥，降低變壓器油箱油位，減輕油箱本體油壓，防止變壓器爆炸；同時自動關(guān)閉控流閥，切斷油枕向本體供油。經(jīng)數(shù)秒，氮氣從變壓器底部充入本體，并充分攪拌，使油溫降至燃點以下而迅速滅火。全部充氮時間在十分鐘以上，可使變壓器油充分冷卻，防止復燃。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行維護方便。系統(tǒng)的動作原理見圖1。

3.2 變壓器“SP”合成型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)，應用于750kV變壓器。

“SP”合成型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)是近年來開發(fā)的一種新型滅火系統(tǒng)，其組成類似于高壓細水霧（WATER MIST）滅火系統(tǒng)，主要由儲液罐、氮瓶、電動閥、減壓閥、安全閥、水霧噴頭、壓力表及管道等組成。該系統(tǒng)通過在水中添加一定比例的“ST”合成型阻燃滅火劑，在一定的壓力下通過專用的水霧噴頭，霧化后噴射到著火物體上進行滅火。“ST”合成型阻燃滅火劑是集滅A類火、B類火、C類火和阻燃等性能的多功能合成泡沫滅火劑，并具有良好的絕緣性能，穩(wěn)定性好，具有生物降解性，對環(huán)境無污染。系統(tǒng)作用原理是結(jié)合水霧滅火和泡沫滅火的特點，借助水霧和泡沫的冷卻、窒息、乳化和隔離等綜合作用來達到迅速滅火的目的，對A、B、C類及帶電火災均有良好的滅火效果，且不易復燃。系統(tǒng)的啟動方式是采用儲存在鋼瓶內(nèi)的氮氣作為動力源，直接驅(qū)動儲液罐內(nèi)的滅火劑混合液，經(jīng)管道和水霧噴頭噴出。

排油注氮滅火系統(tǒng)和“SP”合成型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)作為新型滅火裝置，均已通過國家有關(guān)消防部門的檢驗和認證，并且在國內(nèi)變壓器消防上有了相當數(shù)量的應用。寧夏系統(tǒng)從90年代中期開始在部分變電所220kV-330kV的主變上采用排油注氮滅火系統(tǒng)，并積累了一定的應用經(jīng)驗。2007至2010年，在750KV銀川東、賀蘭山、黃河變電站的設(shè)計中，在仔細研究、消化吸收相關(guān)技術(shù)并改進了聯(lián)動系統(tǒng)后，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，陸續(xù)采用了“SP”合成型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)方案，并得到了消防部門的審查批準，現(xiàn)已在三座750kV變電站中運行。

4.寧夏地區(qū)變電站220kV、330kV主變排油注氮滅火系統(tǒng)存在的幾個問題及改進措施

現(xiàn)階段，寧夏系統(tǒng)中220kV及330kV變壓器排油注氮系統(tǒng)安裝共計56臺，未投入運行的40臺，占71%，其主要未投入原因為滅火系統(tǒng)存在漏油、漏氮及誤動等因素（表1）。

通過統(tǒng)計表1可將排油注氮滅火系統(tǒng)缺陷確定為以下幾個方面：

缺陷一：火災啟動條件不符合標準

現(xiàn)有主變排油注氮滅火系統(tǒng)自動啟動裝置動作條件為：當“主變重瓦斯動作+火災探測器”信號出現(xiàn)，裝置自動開啟排油閥進行排油，20秒后注氮31分鐘。此條件不滿足《寧夏電力公司油浸式變壓器排油注氮裝置運行規(guī)范（試行）》第二十五條要求，易出現(xiàn)滅火裝置誤動，造成變壓器故障。

缺陷二：一體化排油閥存在問題，需改進

現(xiàn)安裝于滅火箱內(nèi)排油閥經(jīng)常存在滲油問題，其一，重錘掛在排油蝶閥擺桿上，導致擺桿長期受力，引起排油蝶閥微量滲油，其二，電磁閥拉桿與排油蝶閥擺桿為斜面接觸存在重錘脫落引起誤排油；其三，如排油閥故障需檢修，需將滅火箱排油連管與主變側(cè)閥門關(guān)閉，將管內(nèi)油排完，此連管較長，放出的變壓器油在150公斤左右，不便于檢修。

缺陷三：部分裝置滅火箱老舊、密封墊老化、箱門卡澀，需檢修；有些滅火箱內(nèi)氮氣瓶只有一瓶，需增加；另外氮氣管路還在使用膠管，需更換為銅管，降低其漏氮幾率。

缺陷四：裝置油路、氣路無報警裝置，出現(xiàn)漏油、漏氮情況不能及時發(fā)現(xiàn)、處理，影響設(shè)備安全。

為加強變壓器排油注氮滅火系統(tǒng)的安全性、可靠性，就以上存在問題提出改進措施。

4.1 排油注氮滅火系統(tǒng)控制回路改進前后分析

4.1.1 排油注氮滅火裝置改進前控制回路

當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障，油箱內(nèi)部壓力急劇增加，引起氣體繼電器跳閘觸點動作，若變壓器油起火時，探測器的感溫元件熔斷（熔斷溫度約145℃）觸頭接通，繼電器線圈帶電，不延時常開觸點閉合，電磁機構(gòu)動作。重錘把快速排油閥打開開始排油。在整定延時（20S）過后，延時常開觸頭接通，繼電器線圈通電，常開觸點閉合，開啟閥把氮氣瓶打開，氮氣通過減壓閥，注氮管路進入油箱底部，迫使油箱內(nèi)部變壓器油循環(huán)，油箱下部較低溫度的油和頂層高溫油混合，即可消除熱油層，從而使表層油溫降到燃點之下，油箱內(nèi)部火焰自動熄滅。斷流閥根據(jù)油的流量，自動關(guān)閉注油管路。

自動滅火、手動滅火時均采用氣體繼電器（瓦斯保護）及感溫火災探測器發(fā)出的信號作為啟動方式。上述控制方式中排油繼電器啟動后將直接打開排油閥，在手動控制方式下，按下啟動按鈕將直接啟動裝置，該啟動回路簡潔，但啟動條件單一，發(fā)生誤動或拒動時無其它后備條件。

4.1.2 滅火裝置改進后控制回路

修改主變充氮滅火方式控制回路，降低人為誤碰、誤操作以及自動方式下誤啟動，造成滅火裝置誤動的可能性，保證裝置在主變正常運行時不誤動，主變著火時不拒動。裝置修改后的控制回路如圖2。

改進后的回路中串入了主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳閘信號，形成了氣體繼電器KG跳閘，三側(cè)斷路器DL跳閘失電，K1觸點動作，若變壓器油起火時，探測器的感溫元件熔斷，K4觸頭接通，繼電器K2線圈帶電，電磁機構(gòu)L動作。對于動作于排油閥和注氮閥的中間繼電器（K1、K2、K3、K4），采用大功率中間繼電器，動作電壓應大于55%，小于70%額定直流電源電壓，保證直流電源正常時可靠啟動，同時避免直流系統(tǒng)接地引起繼電器誤動作，造成滅火裝置誤啟動。

4.2重錘機構(gòu)改進前后分析

4.2.1重錘機構(gòu)改進前情況

前期滅火系統(tǒng)排油重錘掛在排油蝶閥擺桿上，導致擺桿長期受力，引起排油蝶閥微量滲油、電磁閥拉桿與排油蝶閥擺桿為斜面接觸存在重錘脫落引起誤排油不可靠因素的問題。

4.2.1重錘機構(gòu)改進后情況

由排油電磁閥直接控制重錘（即重錘直接掛在電磁閥拉桿上），將拉桿斜面去掉，改斜面接觸為直面（平面）接觸，重錘與擺桿之間具有行程補償功能。改進后既保證了在滅火裝置正常運行時擺桿和排油蝶閥不受力，又防止了重錘的脫落，同時保持了滅火裝置動作即電磁閥吸合時重錘迅速脫落的特性。從根本上消除了滲油和重錘脫落的不安全因素。

4.3油路、氣路改進前后分析

4.3.1油路、氣路改進前情況

排油閥擺桿長期受力，無法觀測排油蝶閥是否滲油；注氮回路使用橡膠軟管，存在管路老化漏氣情況，且無法監(jiān)測漏氮情況；排油閥上部油壓區(qū)無監(jiān)測油壓裝置。

4.3.2油路、氣路改進后情況

排油閥下部增加了滲油報警裝置和玻璃觀察孔，在滲油后能及時發(fā)現(xiàn)并處理；注氮管路改為銅管，管路上增加漏氮報警裝置和壓力表，及時監(jiān)測管路是否有滲漏，發(fā)現(xiàn)及時處理；油路增加超壓報警裝置和壓力表；實現(xiàn)對滅火箱內(nèi)油路和氣路監(jiān)測和遠方報警。

5.排油注氮滅火系統(tǒng)改進后新功能實現(xiàn)

5.1自動運行：方式選擇開關(guān)處在“自動”狀態(tài)時，當主變事故著火瓦斯繼電器、火災探測器（多個探頭均分為串聯(lián)的兩組）和變壓器三側(cè)斷路器跳閘動作后，該裝置自動啟動，電磁閥動作，重錘下沉，排油蝶閥打開排油至地下的儲油池，30秒后電爆管開啟氮氣瓶閉鎖頭打開氮氣瓶，通過注氮管路將氮氣減壓后向主變油箱底部充氮，迫使油箱內(nèi)變壓器油攪拌，油箱下部較低溫度的油與頂層高溫油混合，消除熱油層，使表層油溫降到閃點以下，同時在油面上方形成惰性氣體保護層隔絕空氣中的氧氣使火焰自動熄滅。如發(fā)生變壓器三側(cè)開關(guān)跳閘DL或氣體繼電器KG不動作或動作不到位時，按SB2緊急解鎖按鈕解鎖后滅火裝置才能動作。

5.2手動運行：方式選擇開關(guān)處在“手動”狀態(tài)時， “主變各側(cè)斷路器跳閘+重瓦斯動作+壓力過高（裝置內(nèi)部壓力檢測元件）”或“主變各側(cè)斷路器跳閘+重瓦斯動作+火災探測”信號出現(xiàn)時，應在確認變壓器發(fā)生明顯火災后才能按下站內(nèi)控制屏上“啟動”確認按鈕啟動滅火，或?qū)νㄟ^變電站SCADA系統(tǒng)電腦遙控在遠方啟動滅火程序；當運行人員首先發(fā)現(xiàn)變壓器外部有明顯火焰時，必須在確認該變壓器重瓦斯動作信號出現(xiàn)及其各側(cè)開關(guān)均已斷開的情況下才能按下控制屏上“啟動”確認按鈕啟動滅火程序（同時按下“SB2解鎖按鈕”和“SB3手動滅火按鈕”啟動滅火裝置實施滅火）。

5.3機械應急啟動：自動和手動運行失效或處于滅火箱附近的值班人員在確定發(fā)生火情的緊急情況下，應打開滅火箱，手動開啟排油閥門，拉開氮氣瓶閉鎖頭的拉環(huán)后拍擊閥桿開啟氮氣進行機械應急啟動滅火。

6.排油注氮滅火系統(tǒng)現(xiàn)場運行管理的幾點建議

6.1變電站應收集并保存排油注氮滅火系統(tǒng)臺帳信息、制造廠家說明書、圖紙及出廠試驗報告，現(xiàn)場調(diào)試報告、驗收報告及歷次檢修報告。如滅火系統(tǒng)人更新、改造或報廢，應及時更新設(shè)備臺帳。

6.2應定期每天檢查滅火控制屏上的“電源指示”和“系統(tǒng)投入”指示燈亮；每月應檢查一次滅火箱內(nèi)氮氣壓力，正常運行應為10～15MPa，小于10 MPa后應及時補充氮氣；確認滅火裝置正確處于選擇的自動或手動狀態(tài)。

6.3加熱器交流電源應在冬季投運，自動加熱器自動通斷的溫度范圍為5-13℃，即外溫低于5℃時加熱器自動投入，即外溫高于13℃時加熱器自動斷開。

6.4 當檢修滅火裝置或在屏內(nèi)增加控制單元時，必須斷開滅火裝置控制電源，并銷定排油閥擺桿，拆開電爆管連線，以免發(fā)生誤動影響變壓器正常運行。

6.5當滅火系統(tǒng)發(fā)生動作后或在投入運行后每間隔10年大修一次或結(jié)合主變大修周期，小修周期應結(jié)合主變檢修周期進行。

7.結(jié)束語

排油注氮滅火系統(tǒng)至今在電力系統(tǒng)中投入運行的還是少數(shù)，最重要的原因還是對此輔助設(shè)備的可靠性的質(zhì)疑，希望通過不斷的改進，能進一步增強其功能和安全性能，使其今后真正廣泛應用。

參考文獻：

[1] 中國建設(shè)標準化協(xié)會：《油浸變壓器排油注氮裝置 技術(shù)規(guī)程 CECS 187：2005》

[2] 寧夏電力公司（寧電生技發(fā)【2011】5號）：《寧夏電力公司油浸式變壓器排油注氮裝置檢修規(guī)范（試行）》及《寧夏電力公司油浸式變壓器排油注氮裝置運行規(guī)范（試行）》

[3] 寧夏電力公司（寧電生技發(fā)【2011】5號）：《關(guān)于印發(fā)油浸式變壓器排油注氮裝置完善化大修實施方案的通知》