排油注氮消防裝置檢修閥漏油故障分析

劉奕奕，李孟強(qiáng)，萬(wàn)濤，吳俊杰，龔尚昆

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.武漢大學(xué)，湖北武漢430072)

0 引言

油浸式變壓器是變電站和發(fā)電廠的主要電力設(shè)備,長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,由于鐵芯產(chǎn)生的持續(xù)高溫,以及短路、過(guò)電壓、絕緣老化等故障引起的突發(fā)性短暫高溫,因此變壓器油受熱分解產(chǎn)生氫氣和烴類等易燃?xì)怏w,這些氣體溶解在油中降低油的閃點(diǎn),并隨著易燃?xì)怏w的增多,變壓器內(nèi)部壓力劇增,導(dǎo)致油箱破裂甚至爆炸,可燃性油氣遇明火將迅速燃燒,嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全和運(yùn)行人員的人身安全[1-5]。因此,對(duì)油浸式變壓器開(kāi)展消防設(shè)計(jì),做到防患于未然具有重要意義。其中,變壓器排油注氮消防裝置以預(yù)防火災(zāi)為主,能最大限度地控制變壓器火災(zāi)并將其消滅在萌芽狀態(tài)[6-7]。

變壓器排油注氮消防裝置主要由可編程控制系統(tǒng)、消防柜、斷流閥、排油管路、注氮管路等組成,其中排油管路主要包括檢修閥、排油閥、排油閥的閥開(kāi)檢測(cè)開(kāi)關(guān)、閥關(guān)檢測(cè)開(kāi)關(guān)等[8-9]。為防止閥門漏油,使用耐油、耐高溫性能良好的橡膠密封墊至關(guān)重要,其中丁腈橡膠材料制作的密封墊應(yīng)用最為廣泛。丁腈橡膠 (Nitrile Butadiene Rubber,簡(jiǎn)稱NBR)是由丁二烯和丙烯腈為主要單體共聚制得的一種合成橡膠,化學(xué)結(jié)構(gòu)式為CH2─CH由于分子結(jié)構(gòu)中含有氰基極性基團(tuán),丁腈橡膠對(duì)礦物油具有極好的穩(wěn)定性,被廣泛用于制造各種耐油橡膠制品、密封墊圈、套管、電纜材料等,是石油、航空、汽車等行業(yè)中必不可少的彈性材料[10-11]。本文針對(duì)兩起主變壓器排油注氮消防裝置內(nèi)檢修閥漏油故障,對(duì)檢修閥的橡膠密封墊開(kāi)展分析檢測(cè),并提出建議處置措施,為同類故障調(diào)查、處理提供參考[12]。

1 故障分析

1.1 故障簡(jiǎn)述

某500 kV變電站1號(hào)主變壓器和220 kV變電站2號(hào)主變壓器新改造安裝的排油注氮消防裝置內(nèi)檢修閥相繼出現(xiàn)漏油,對(duì)主變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大風(fēng)險(xiǎn)。某500 kV變電站1號(hào)主變壓器排油注氮消防裝置型號(hào)為BPZM-40×2-Ⅱ-PL,2015年05月生產(chǎn),閥門型號(hào)為D71JR-10/16Q；某220 kV變電站2號(hào)主變壓器排油注氮消防裝置型號(hào)為BPZM-40×2-Ⅱ-XFFE,2018年12月生產(chǎn),閥門型號(hào)為D7A1XP-16。針對(duì)兩起漏油故障,調(diào)查得知閥門在生產(chǎn)安裝時(shí),存在燒焊行為,初步認(rèn)為密封墊劣化失效并導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)漏油,檢查發(fā)現(xiàn)劣化橡膠密封墊損毀十分嚴(yán)重,失去密封性能。為了確定具體故障原因,開(kāi)展反射紅外光譜分析[13-14]、熱失重分析[15]以及與礦物絕緣油的相容性試驗(yàn)[16],并對(duì)220 kV產(chǎn)品進(jìn)行第二次采樣,采集模擬電焊前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù),綜合分析密封墊性能。

1.2 反射紅外光譜分析

采用BRUKER TENSOR傅里葉紅外光譜儀(ATR采樣系統(tǒng))和OPUS操作軟件,光譜采集范圍600～4 000 cm-1,光譜分辨率4 cm-1,掃描次數(shù)32次,測(cè)量環(huán)境的濕度小于70%RH,在室溫下測(cè)量,紅外光譜如圖1—2所示。

圖1 500 kV變電站1號(hào)主變壓器橡膠密封墊反射紅外光譜圖

圖2 220 kV變電站2號(hào)主變壓器橡膠密封墊反射紅外光譜圖

對(duì)圖1進(jìn)行譜圖分析可知,波數(shù)2 232 cm-1處對(duì)應(yīng)—CN的伸縮振動(dòng)吸收峰；波數(shù)1 638 cm-1處對(duì)應(yīng)C═C雙鍵的彎曲振動(dòng)吸收峰 (強(qiáng)度較弱,難以識(shí)別)；波數(shù)2 921 cm-1和2 852 cm-1處對(duì)應(yīng)飽和烷基的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰,波數(shù)1 456 cm-1和1 375 cm-1處對(duì)應(yīng)飽和烷基的C—H彎曲振動(dòng)吸收峰 (波數(shù)1 425 cm-1處存在譜圖疊加現(xiàn)象,對(duì)應(yīng)飽和烷基的C—H彎曲振動(dòng)吸收峰)；波數(shù)962 cm-1處對(duì)應(yīng)—CH═CH—雙鍵上的C—H彎曲振動(dòng)吸收峰；波數(shù)914 cm-1處對(duì)應(yīng)丁二烯中端基乙烯基的C—H彎曲振動(dòng)吸收峰。因此,選擇波數(shù)2 232 cm-1、 962 cm-1、 914 cm-1處的吸收峰作為NBR的特征峰。圖1中,劣化橡膠在2 232 cm-1、962 cm-1、914 cm-1處沒(méi)有明顯特征峰；圖 2中,密封墊樣品的紅外譜圖與圖1基本一致。初步分析發(fā)現(xiàn),劣化橡膠密封墊的成分與丁腈橡膠不同。

1.3 熱失重分析

采用島津TGA-51/51H熱重分析儀,升溫區(qū)間由室溫至600℃,升溫速率20℃/min,保護(hù)氣體為高純N2,氣體流速50 mL/min。

如圖3所示,合格丁腈橡膠在212.88℃開(kāi)始發(fā)生熱分解,此時(shí)為初級(jí)階段各種有機(jī)助劑的分解；455.11℃時(shí),主要結(jié)構(gòu)成分開(kāi)始分解；580.00℃時(shí),失重率為45.92%。而劣化橡膠在141.15℃就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生熱分解；580.00℃時(shí),失重率達(dá)到75.59%。圖4的熱失重分析結(jié)果與圖3基本一致。綜合反射紅外光譜的分析結(jié)果表明,劣化橡膠與合格丁腈橡膠的材質(zhì)存在明顯差異,可能誤用了非丁腈橡膠。

圖3 500 kV變電站1號(hào)主變壓器橡膠密封墊TG圖

圖4 220 kV變電站2號(hào)主變壓器橡膠密封墊TG圖

1.4 相容性試驗(yàn)

根據(jù)DL/T 1836—2018《礦物絕緣油與變壓器材料相容性測(cè)定方法》的要求,開(kāi)展了220 kV產(chǎn)品劣化橡膠與礦物絕緣油的相容性試驗(yàn),由于劣化橡膠損毀嚴(yán)重且形狀十分不規(guī)則,因此僅對(duì)試驗(yàn)后絕緣油的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表1可知,空白油樣老化后的指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,將老化后的試驗(yàn)油樣與老化后的空白油樣比較發(fā)現(xiàn),擊穿電壓與介質(zhì)損耗因數(shù)均有明顯差異,表明劣化橡膠與絕緣油存在相容性問(wèn)題。

表1 絕緣油測(cè)試結(jié)果

2 二次采樣分析

為進(jìn)一步查明檢修閥漏油故障原因,對(duì)某220 kV主變壓器產(chǎn)品進(jìn)行第二次采樣,共準(zhǔn)備2個(gè)閥門并模擬電焊試驗(yàn),前后采集4組樣品的分析數(shù)據(jù),樣品信息見(jiàn)表2。

表2 第二次采樣的閥門樣品信息

采集以上2個(gè)閥門在模擬電焊試驗(yàn)前后密封墊的分析數(shù)據(jù),橫向?qū)Ρ饶?20 kV變電站2號(hào)主變壓器消防裝置內(nèi)檢修閥的密封墊性能參數(shù),縱向?qū)Ρ群细穸‰嫦鹉z密封墊燒焊前后的性能參數(shù)。經(jīng)檢查,模擬管路焊接前兩個(gè)檢修閥外觀完好,輪廓清晰。焊接后經(jīng)短時(shí)冷卻并取下閥門,發(fā)現(xiàn)用于3號(hào)變電站消防裝置的檢修閥橡膠密封墊有燒融痕跡,輪廓清晰；備品檢修閥的橡膠密封墊同樣有燒融痕跡,且部分輪廓模糊。

2.1 反射紅外光譜分析

通過(guò)反射紅外光譜分析得知,第二次采樣的兩個(gè)閥門密封墊材質(zhì)均為丁腈橡膠。由圖5可看出模擬焊接后樣品在2 234 cm-1、967 cm-1、911 cm-1處的吸收峰明顯減弱,丁腈橡膠特征鍵發(fā)生斷裂,同時(shí)在其他位置出現(xiàn)新的特征峰。該樣品特征與某500 kV變電站1號(hào)主變壓器和220 kV變電站2號(hào)主變壓器消防裝置內(nèi)的劣化橡膠密封墊不同。由圖6可看出,焊接后丁腈橡膠表面的主鏈分子結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變,特征鍵保留完好。

圖5 橡膠密封墊備品反射紅外光譜圖

圖6 3號(hào)變電站橡膠密封墊反射紅外光譜圖

2.2 熱失重分析

由圖7可知,備品橡膠中添加的各種有機(jī)助劑在140℃左右開(kāi)始發(fā)生熱分解；410℃時(shí),主要結(jié)構(gòu)成分才開(kāi)始分解；580℃時(shí),失重率為52.18%。模擬管路焊接后,樣品同樣在140℃左右開(kāi)始發(fā)生熱分解,580℃時(shí)失重率為57.55%。并且從圖中可以看出,燒焊后樣品主結(jié)構(gòu)發(fā)生分解的溫度略低于原樣品,但總的失重率相差不大。圖8中的熱失重測(cè)試結(jié)果與圖7基本一致,結(jié)合反射紅外光譜的分析結(jié)果推斷,兩個(gè)檢修閥在模擬管路焊接前后橡膠密封墊的表面結(jié)構(gòu)雖然會(huì)顯著變化,但橡膠內(nèi)部并未發(fā)生明顯的劣化現(xiàn)象。

圖7 橡膠密封墊備品TG圖

圖8 3號(hào)變電站橡膠密封墊備品TG圖

3 故障原因分析

綜合兩次試驗(yàn)分析結(jié)果,500 kV變電站1號(hào)主變壓器和220 kV變電站2號(hào)主變壓器排油注氮消防裝置內(nèi)檢修閥的橡膠密封墊在300℃以下就出現(xiàn)了嚴(yán)重的熱失重,說(shuō)明樣品耐熱性能很差。進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)的兩個(gè)樣品,雖然在模擬燒焊后耐熱能力較燒焊前略有降低,但基本都是在450℃以上才出現(xiàn)明顯的熱失重現(xiàn)象,且總失重率相差不大,即檢修閥在模擬管路焊接前后橡膠密封墊不會(huì)發(fā)生顯著劣化現(xiàn)象。因此,判斷500 kV變電站1號(hào)主變壓器和220 kV變電站2號(hào)主變壓器排油注氮消防裝置內(nèi)檢修閥的橡膠密封墊和復(fù)現(xiàn)樣品材質(zhì)不同,進(jìn)一步確認(rèn)故障原因不是由于電焊加熱導(dǎo)致密封墊老化失效,而是誤用了非丁腈橡膠材料制作的密封墊,且該橡膠材料與礦物絕緣油存在相容性問(wèn)題。根據(jù)目前調(diào)查情況,從排油注氮消防裝置以及檢修閥的生產(chǎn)廠家、型號(hào)等信息無(wú)法判斷其密封墊是否使用耐油丁腈橡膠。

4 處置措施

1)加強(qiáng)對(duì)排油注氮消防裝置的巡視檢查,結(jié)合500 kV變電站每日站內(nèi)巡視,打開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)裝置柜檢查是否存在漏油,增加220 kV變電站巡視頻次,及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的漏油故障。巡視檢查時(shí)應(yīng)防止誤動(dòng)、誤碰。

2)發(fā)現(xiàn)排油注氮消防裝置有滲漏時(shí),應(yīng)立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查處理。若發(fā)生嚴(yán)重漏油故障,立即關(guān)閉變壓器本體與排油管間的閥門,關(guān)閉閥門后監(jiān)視滲漏狀況。若本體閥門無(wú)法可靠關(guān)閉、漏油現(xiàn)象無(wú)法遏制,申請(qǐng)主變壓器停電。

3)發(fā)生漏油故障后,應(yīng)立即準(zhǔn)備補(bǔ)充油,并做好變壓器本體補(bǔ)油的準(zhǔn)備,及時(shí)恢復(fù)主變壓器運(yùn)行。

4)對(duì)目前已改造完成的排油注氮消防裝置,提供一定數(shù)量的合格閥門備品；結(jié)合主變壓器停電檢修工作,對(duì)閥門密封墊進(jìn)行檢查,對(duì)不合格的進(jìn)行更換。

5)針對(duì)后續(xù)需要改造的排油注氮消防裝置,在安裝前應(yīng)拆開(kāi)消防柜內(nèi)的檢修閥和排油閥,檢查閥門密封墊上是否有NBR(丁腈橡膠)標(biāo)識(shí),對(duì)無(wú)標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品進(jìn)行更換。