油浸式電力變壓器壓力釋放閥的有效性研究與對比分析

肖承仟 高曉峰 郭俊杰

（國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

1 變壓器損壞原因分析

變壓器會發(fā)生的各種故障甚至爆炸著火的原因通常是由于電弧導(dǎo)致的過壓，而產(chǎn)生電弧的原因包括[1]：

1）一個繞組的線圈之間發(fā)生閃絡(luò)。

2）線圈之間出現(xiàn)故障。

3）繞組、鐵心、油箱和連接線纜之間發(fā)生閃絡(luò)。

4）套管故障（通常是高壓套管）。

5）有載分接開關(guān)故障。

電弧會導(dǎo)致變壓器油氣化，導(dǎo)致過壓并以球形向四周擴(kuò)展。產(chǎn)生的氣體量取決于電弧的能量和故障的持續(xù)時間。IEEE報告“變壓器油箱破裂和移位”中列出了計算得出的最大氣體生成率為500ml/kW，有時產(chǎn)生的過壓會超出14bar，并伴隨高達(dá)5000bar/s的增加速度。壓升和產(chǎn)生的過壓主要取決于電弧的能量、消失前發(fā)生的相位響應(yīng)次數(shù)以及開始的位置。

壓力波會以接近音速的速度在變壓器油等中向四周擴(kuò)展，并對周圍所有物件（繞組包、箱壁等）施力，變壓器油箱通常是弱點所在。根據(jù) OEM 規(guī)范，變壓器油箱的耐壓力至少為1bar。IEEE報告提到油箱的耐壓力（根據(jù)設(shè)計而異）為 1.4到 2.1bar之間，圓柱形油箱的耐壓力可高達(dá) 3.5bar。但這些數(shù)值均低于發(fā)生最嚴(yán)重故障時的壓力值。提高安全度的一種解決方案是提高油箱的耐壓能力[2-3]，但增加材料會導(dǎo)致價格提高，而且變壓器還要遵守特定國家的壓力容器法規(guī)。第二種解決方案是采用壓力釋放閥在變壓器過壓時釋放壓力。相關(guān)研究表明，采用壓力釋放閥能夠釋放因低能故障導(dǎo)致的過壓，使變壓器保持運(yùn)行或者至少不會嚴(yán)重?fù)p壞。

對于高能故障，壓力釋放閥并不能提供 100%的保護(hù)，尤其是當(dāng)壓力釋放閥距離故障發(fā)生位置過遠(yuǎn)且壓力波已對其他位置造成損壞時。因此當(dāng)發(fā)生高能故障時，最重要的是盡快關(guān)閉變壓器，防止火災(zāi)蔓延。MPreC? LMPRD壓力釋放閥采用信號銷直接驅(qū)動微動開關(guān)，從動作到發(fā)出信號的時間僅需2ms。

當(dāng)然，變壓器在整個壽命周期發(fā)生高能或低能故障的幾率是較低的，因此在變壓器的使用壽命期間保持其絕對氣密性以及在整個該時間段保持其功能正常是至關(guān)重要的。

2 壓力釋放閥的設(shè)計及選型

1）壓力釋放閥的設(shè)計及工作原理

可參考德國制造商的 MPreC? LMPRD圖紙了解壓力釋放閥的設(shè)計原理。該壓力釋放閥包括一個法蘭，通過螺絲連接到變壓器油箱（或有載分接開關(guān)蓋）的對接法蘭上。壓力釋放閥通過彈簧組壓入法蘭并使用2個襯墊密封。當(dāng)油箱內(nèi)壓力超出開啟壓力時，壓力釋放閥向上彈出，油和氣體噴出并減小油箱內(nèi)部的壓力：當(dāng)壓力降至關(guān)閉壓力以下時，壓力釋放閥將再次密封。

2）壓力釋放閥的選型

壓力釋放閥的選型需要考慮的幾個參數(shù)是：外殼類型、開啟壓力、接線方式、顏色、密封膠墊材料、信號標(biāo)桿等。

如圖1所示，MPreC? LMPRD壓力釋放閥可提供兩種不同型號的閥蓋。標(biāo)準(zhǔn)閥蓋具通過側(cè)面的百葉窗式裂縫排放油液。若采用“引油蓋”（Oil-Directed Cover），則可通過專用管路連接將油液導(dǎo)向變壓器下部進(jìn)行排放。

圖1 不同類型的壓力釋放閥

3 國標(biāo)JB/T 7065—2004簡介

在國內(nèi)，所有制造商的壓力釋放閥必須滿足JB/T 7065—2004標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)描述了結(jié)構(gòu)類型、性能參數(shù)和技術(shù)要求，還提及了常規(guī)試驗和型式試驗的試驗方法[4]。常規(guī)試驗最重要的幾項包括：

開啟壓力試驗，在常溫下將壓縮空氣注入容器，當(dāng)壓力增量達(dá)到25～40kPa時，壓力釋放閥應(yīng)斷續(xù)跳動，循環(huán)周期為1～4s，每次跳動過程中信號開關(guān)應(yīng)切換并可靠自鎖。機(jī)械信號也應(yīng)明顯作用，當(dāng)10次連續(xù)作用過程中無異常時，則視為符合要求。

表1 開啟壓力試驗對應(yīng)值列表

開啟時間試驗，采用模擬短路事故方式或者使用易燃?xì)怏w引爆實施，三次試驗中至少有兩次試驗的時間應(yīng)不超過2ms，則視為符合要求。

信號接點絕緣性能試驗，“測試信號觸點之間以及信號觸點和地之間，在端子和地之間施加2kV短時工頻電壓，持續(xù)1min，不應(yīng)發(fā)生閃絡(luò)、穿透現(xiàn)象。

老化開啟性能試驗，在常溫條件下進(jìn)行的開啟壓力試驗中合格的壓力釋放閥應(yīng)靜置至少 24h，試驗中測得的第一次開啟壓力值應(yīng)符合表3的規(guī)定。試驗方法同開啟壓力試驗。

密封壓力值的密封性能試驗，常溫下在試驗系統(tǒng)中注入變壓器油（油溫為 100℃）或煤油，將壓力釋放閥安裝到試驗設(shè)備上，施加等于密封壓力值的壓力，持續(xù)2h，若沒有泄漏，則視為符合要求。

4 基于JB/T 7065—2004/2010的試驗分析

JB/T 7065—2004介紹了如何測試壓力釋放閥。若由人工完成這些繁雜的測試，一個完整的測試流程大概需要兩天時間。

Messko公司研發(fā)的自動測試設(shè)備平臺可以克服這個缺點，如圖2所示。這臺測試裝置配備一臺個人計算機(jī)，并可連接到打印機(jī)和壓力系統(tǒng)，能夠自動執(zhí)行試驗程序，同時記錄所有結(jié)果，如圖3所示。

從圖3中可以看出，這臺壓力釋放閥自動測試裝置，除了可以測試壓力釋放閥的開啟壓力，關(guān)閉壓力、動作時等參數(shù)外，還可以以曲線形式直觀的反映壓力釋放閥的動作特性（圖中橫坐標(biāo)軸為時間，以ms為單位；縱軸是壓力值，以bar為單位）。

圖2 壓力釋放閥試驗臺

圖3 壓力釋放閥試驗循環(huán)的典型結(jié)果

5 主流壓力釋放閥的對比分析

為了測試各品牌壓力釋放閥的動作特性，我們分別購置了市場上最著名的德國、美國及我國沈陽某公司生產(chǎn)的壓力釋放閥（所有的壓力釋放閥均為全新產(chǎn)品，具有出廠測試報告，包裝完好），并根據(jù)JB/T 7065—2004對這些壓力釋放閥進(jìn)行10次連續(xù)的開啟壓力對比試驗。其實驗結(jié)果如下。

1）沈陽制造的國內(nèi)產(chǎn)品

實驗用的國產(chǎn)壓力釋放閥如圖4所示，其開啟壓力為 10PSI（68.94kPa）。

圖4 國產(chǎn)壓力釋放閥

由圖5及表2可以看出，該壓力釋放閥雖然通過了開啟壓力測試，但開啟速度較慢，至少需要0.4s，同時在測試過程中還有一次滲漏的現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 國產(chǎn)壓力釋放閥的開啟壓力試驗結(jié)果

表2 國產(chǎn)壓力釋放閥開啟壓力試驗數(shù)值分析

2）美國進(jìn)口壓力釋放閥

用于測試的美國壓力釋放閥開啟壓力為 5psi（34.74kPa），如圖6所示。

圖6 美國進(jìn)口壓力釋放閥

由圖7及表3可以得出，美國進(jìn)口壓力釋放閥的第一次測試并未在公差范圍內(nèi)開啟。該壓力釋放閥不符合JB/T 7065—2004標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 美國進(jìn)口壓力釋放閥的試驗結(jié)果

表3 美國進(jìn)口壓力釋放閥開啟壓力試驗數(shù)值分析

3）德國進(jìn)口壓力釋放閥

該產(chǎn)品開啟壓力為10psi（68.94kPa），如圖8所示。

圖8 德國進(jìn)口壓力釋放閥

由圖9及表4可以看出，德國制造的壓力釋放閥在所有10次嘗試中均在公差范圍內(nèi)開啟。實驗曲線表明該設(shè)備的動作特性非常穩(wěn)定。

圖9 德國進(jìn)口壓力釋放閥的試驗結(jié)果

表4 德國進(jìn)口壓力釋放閥開啟壓力試驗數(shù)值分析

6 結(jié)論

壓力釋放閥能夠為保護(hù)變壓器、有載分接開關(guān)和類似設(shè)備內(nèi)部壓力過高時提供保護(hù)。JB/T 7065—2004標(biāo)準(zhǔn)對于此類重要保護(hù)設(shè)備提出了非常高的要求，采用適當(dāng)?shù)臏y試設(shè)備對壓力釋放閥進(jìn)行測試也很重要。MPreC?自動試驗臺旨在用于根據(jù) JB/T 7065—2004標(biāo)準(zhǔn)測試壓力釋放閥，它不僅能夠測試開啟壓力，還會提供試驗的圖形說明，是檢測壓力釋放閥的非常有用的工具。

[1] 孟濤. 淺議變壓器的故障分析與處理[J]. 甘肅農(nóng)業(yè),2014(16): 38-38, 40.

[2] 梅栴, 艾宏, 于成公. 簡述壓力釋放閥的開啟壓力和開啟時間[J]. 變壓器, 2006, 43(9): 27-30.

[3] 余瑾, 丁國成, 陳慶濤, 等. 安徽電網(wǎng)變壓器壓力釋放閥校驗工作情況[J]. 宿州學(xué)院學(xué)報, 2012, 27(2):82-83.

[4] 國家電網(wǎng)公司. 變壓器用壓力釋放閥試驗導(dǎo)則[S].2004-06-17.