油浸式變壓器排油抑制火勢影響因素試驗研究

馬奎，劉威峰，陳繼堯，楊西銀，張鈺

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001;2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011;3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750400)

天山換流站“4·7”、宜賓換流站“6·2”火災(zāi)事故中油浸式變壓器套管或箱體爆裂后，燃燒的變壓器油流淌，火勢無法及時控制，造成重大經(jīng)濟損失。雖然采取了消防隊伍駐站值守、BOX-IN頂蓋拆除、加裝消防水噴淋、使用排油注氮等措施，進一步加強直流換流站和特高壓變電站消防應(yīng)急能力，但是仍然存在一定局限性[1]。為此提出1種快速排空變壓器油枕及箱體內(nèi)的變壓器油以抑制變壓器油破裂處燃燒油外溢引起火勢蔓延的技術(shù)措施，但排油管管徑大小以及變壓器油位高度又限制了排油速度，對及時抑制火勢有一定影響，因此，選擇110 kV、220 kV 2種型號變壓器開展了排油試驗，得出了準(zhǔn)確的排油管徑、器身油位高度對排油速度、排油時間的影響數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確估算大型油浸式電氣設(shè)備本體排油時間以及大型變壓器主動排油抑制火勢蔓延的技術(shù)可行性提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗設(shè)備

1.1 試驗對象

本次試驗選用2臺退役的油浸式變壓器進行試驗測試，詳細數(shù)據(jù)見表1。1臺已退役220 kV變壓器(簡稱“主變一”)，型號為SFPSZ7-90000/220，油重50.26 t，油箱底部共有2個直徑分別為150 mm和80 mm的排油管，2個排油管分別位于油箱底部2個短邊中部，見圖1。1臺已退役110 kV變壓器(簡稱“主變二”)，型號為SFSZ7-31500/110，油重16.1 t，油箱底部短邊中部有1個直徑為80 mm的排油管，見圖2。

表1 油浸式變壓器參數(shù)

圖1 主變一整體及排油管

圖2 主變二整體及排油管

為模擬換流變壓器在網(wǎng)側(cè)套管爆裂后啟動排油的工況，對某換流站換流變、主變一及主變二網(wǎng)側(cè)套管法蘭截面積及油箱本體截面積進行了統(tǒng)計，數(shù)據(jù)見表2。某換流站換流變網(wǎng)側(cè)套管法蘭截面與油箱本體截面之比(定義為露空比K)在0.029～0.038之間。為使排油試驗的模擬工況與實際工況一致，主變一在排油過程中應(yīng)同時拔掉1支高壓套管、高壓中性點套管及1支中壓套管，該狀況下K值為0.0348；主變二在排油過程中同時拔掉1支高壓套管擋板和1支中壓套管擋板，該狀況下K值為0.035。

表2 變壓器套管法蘭截面與油箱本體截面積數(shù)據(jù)

1.2 油位及流量裝置安裝

用PVC透明管一端與油浸式變壓器原有取油閥門相連通，另一端開口；PVC透明管與標(biāo)尺垂直固定，以便在排油過程中實時觀察變壓器油位變化。在變壓器原有排油管路上安裝相應(yīng)口徑的流量表(經(jīng)前期測試，安裝流量表不會對排油速度產(chǎn)生影響)。安裝好的油位指示裝置及流量表見圖3。

圖3 油位指示裝置

1.3 儲油槽設(shè)備

在試驗平臺油池中采用薄鋼板在兩側(cè)排油管下方焊接制作2個儲油槽(尺寸均為7 500 mm×3 000 mm×700 mm)，每個儲油槽配備1臺油泵，以便在變壓器排油的同時通過油泵將儲油槽中的油抽至40 m3的備用油罐內(nèi)，儲油槽見圖4。

圖4 儲油槽

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 主變一排油試驗準(zhǔn)備

將主變一安裝在離地高度為900 mm的基礎(chǔ)臺上，使排油管離地高度達到1 050 mm，在主變一油池中放置儲油槽收集排放的變壓器油。關(guān)閉主變一油枕與本體間油閥。在套管拔出的狀態(tài)下，通過油泵分別對主變油箱及油枕加注變壓器油，使油箱油位升至套接近中壓套管升高座上沿處(油位指示裝置顯示油位為3 100 mm)，使油枕油位在油枕中部(油位550 mm)。主變一在排油過程中同時拔掉1支高壓套管、1支高壓中性點套管及1支中壓套管，該工況下K值為0.034 8。

2.2 主變二排油試驗準(zhǔn)備

將主變二安裝在離地高度為900 mm的平臺上，使排油管離地高度達到1 050 mm。在主變二油池中放置儲油槽收集排放的變壓器油。在變壓器套管、油枕及冷卻器未安裝的情況下，利用套管升高座開孔對變壓器油箱進行注油，使油箱油位升至套接近中壓套管升高座上沿處(油位指示裝置顯示油位為2 300 mm)，使油枕油位在油枕中部(油位550 mm)。主變二在排油過程中同時拔掉1支高壓套管擋板和1支中壓套管擋板，該工況下K值為0.035。

3 排油試驗數(shù)據(jù)

3.1 主變一150 mm排油管排油試驗數(shù)據(jù)

主變一150 mm排油管排油持續(xù)時間為26 min 10 s。流量表記錄的總流量為53 m3，根據(jù)儲油罐及儲油槽計算的實際排油量約為48 m3，換算油重為42.96 t，平均排油速度為1.85 m3/min，折1.65 t/min。流量表記錄的總流量與實際排油量的相對誤差是10.42%。排油過程中變壓器油箱油位與時間及流量與時間對應(yīng)關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 主變一150 mm排油管排油油位高度與時間關(guān)系

圖6 主變一150 mm排油管排油量與時間關(guān)系

油枕油位高度55 mm，折算體積為2.42 m3，換算油重為2.16 t。油枕排油時間為15 min 35 s，油枕平均排油速度為0.156 m3/min，折0.14 t/min。

3.2 主變一80 mm排油管排油試驗數(shù)據(jù)

主變一80 mm排油管排油持續(xù)時間為64 min 40 s。排油流量表記錄的總流量為55.6 m3，超聲波流量計測得的流量為40.94 m3。據(jù)儲油罐及儲油槽計算的實際排油量約為48 m3，換算油重為42.96 t，平均排油速度為0.74 m3/min，折0.66 t/min。流量表記錄的總流量與實際排油量的相對誤差是15.83%。超聲波流量計測得的流量與實際排油量的相對誤差是-14.71%。排油過程中變壓器油箱油位、時間與流量、流速的對應(yīng)關(guān)系如圖7、圖8所示。

圖7 主變一80 mm排油管排油箱體油位高度與時間關(guān)系

圖8 主變一80 mm排油管排油流量、流速與時間關(guān)系

3.3 主變二80 mm排油管排油試驗數(shù)據(jù)

主變二80 mm排油管排油時間共計持續(xù)24 min 30 s，流量表記錄的總流量為15 m3，超聲波流量計測得的流量為11.96 m3。儲油箱的實際油量約為15 m3，換算油重為13.65 t，平均排油速度為0.61 m3/min，折0.548 t/min。超聲波流量計測得的流量與實際排油量的相對誤差是-20.27%。排油過程中排油時間與流量、流速的對應(yīng)關(guān)系如圖9、圖10所示。

圖9 主變二80 mm排油管油位高度與時間關(guān)系

圖10 主變二80 mm排油管排油量、流速與時間關(guān)系

4 試驗結(jié)果分析

4.1 管徑與排油時間的關(guān)系

主變一排油試驗不同管徑排油油位與時間對應(yīng)關(guān)系見圖11。不同管徑排油管排油試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

圖11 不同管徑排油油位高度與時間關(guān)系

表3 不同排油管徑排油試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計/(t·min-1)

注：變壓器油密度0.895 t/m3。

表3中平均排油速度數(shù)據(jù)可知，主變一150 mm排油管與80 mm排油管橫截面面積之比為3.51，主變一150 mm排油管與80 mm排油管平均排油速度之比為2.5，150 mm排油管與80 mm排油管排油速度之比是管徑橫截面之比的0.71倍，可見不同管徑排油速度與排油管橫截面面積不成正比。但同一臺主變相同油量，不同排油管徑用時不同，排油管徑越大用時越少。

4.2 油箱油位高度與排油時間的關(guān)系

由表3中主變一80 mm排油管排油試驗中最后15 m3排油數(shù)據(jù)與主變二80 mm排油管排油數(shù)據(jù)可知，同樣體積的變壓器油，同樣的排油管徑，主變一排油時間是主變二的1.1倍，主變一排油速度是主變二的0.91倍。造成排油時間及速度不同的原因主要是排油起始階段油位高度不同，主變一在油箱內(nèi)油量剩15 m3油時的油位1.09 m，而主變二在油箱內(nèi)油量為15 m3時(滿容量)的油位是2.3 m。由于主變二的初始油位較高，故其初期排油速度較快，5 min后二者排油速度基本一致，至22 min后主變二因油已基本排空，油位極低故流速迅速降低；而此時主變一變壓器油尚未排空，故流速未迅速降低，至26 min時，主變一因油已基本排空，油位極低，故流速也出現(xiàn)迅速下降現(xiàn)象，至28 min時降為0(見圖12)。

圖12 主變二與主變一80 mm管排油流速對比

4.3 油枕排油時間與油箱排油時間對比分析

主變一油枕與本體連接管路管徑為80 mm，對比主變一兩次排油試驗過程中油枕排油時間、流速等數(shù)據(jù)(見表4)可知，油枕排油時間與油箱排油管徑無關(guān)，油枕排油速度遠低于油箱排油速度，約為油箱排油速度的0.21～0.25倍。由于油枕內(nèi)膠囊有彈性限制，且呼吸器進氣管道口徑小進氣慢，在很大程度上限制了膠囊的膨脹速度，從而導(dǎo)致了油枕排油速度較慢。

表4 不同排油管徑帶油枕排油試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

主變一150 mm排油管的平均排油速度為1.65 t/min，放100 t油所需時間約為60 min；主變一80 mm排油管的平均排油速度為0.66 t/min，放100 t油所需時間約為150 min。同等油量，排油管徑越大，排油用時越少。

不同排油管徑排油速度與排油管橫截面面積不成正比。150 mm管與80 mm管排油速度之比是管徑橫截面之比的0.71倍。

在油量相同、排油管直徑相同的情況下，不同變壓器油箱在相同油量時的油位高度不同造成不同變壓器的排油速度及排油時間不同，油位高度越高，初始排油速度越快。

油枕排油速度與油箱排油管徑無關(guān)，且其排油速度遠低于油箱排油速度，因此在套管爆炸起火的情況下，若油箱與油枕同時排油，油枕中油不會使套管升高座向本體油箱外泄漏，但會延長本體排油時間。

通過以上試驗，若油浸式變壓器起火后主動排空油枕及箱體內(nèi)的變壓器油抑制變壓器油燃燒引起的火勢蔓延技術(shù)方案，需考慮變壓器油箱內(nèi)油位高度對排油速度的影響，同時應(yīng)選擇合適的排油管徑加快排油速度，排油速度越快，變壓器油位下降越快，油位低于變壓器破裂處位置，降低了變壓器油從破裂處流出引起的火勢擴大風(fēng)險。