一起電抗器用壓力釋放閥漏油事故的分析

曲光磊 劉均菲

（特變電工沈陽變壓器集團有限公司，遼寧 沈陽110144）

1 概述

壓力釋放閥主要適用于大型油浸式電力變壓器、電抗器等設(shè)備油箱超壓時的壓力釋放，當(dāng)油浸式電力電抗器油箱內(nèi)壓力因事故急劇升高時，此壓力若不及時釋放，將會造成油箱變形甚至爆裂。壓力釋放閥在油箱壓力升高到其開啟壓力值時，迅速開啟，使油箱內(nèi)的壓力很快降低。當(dāng)壓力降到壓力釋放閥關(guān)閉壓力值時，壓力釋放閥又可關(guān)閉，使油箱內(nèi)保持正壓，能夠有效的防止外部空氣、水分和其他雜質(zhì)進入油箱。壓力釋放閥一般安裝在電抗器油箱頂蓋上部，電抗器正常運行時壓力釋放閥不應(yīng)該開啟，而且也不能漏油。若壓力釋放閥出現(xiàn)滲漏油情況將會嚴(yán)重影響電抗器的正常運行。

2 故障現(xiàn)象描述

某變電站并聯(lián)電抗器發(fā)生壓力釋放閥滲油，更換同型號的壓力釋放閥后仍然存在壓力釋放閥滲油現(xiàn)象。

通過對壓力釋放閥導(dǎo)向罩的拆除檢查，發(fā)現(xiàn)壓力釋放閥油跡來自壓力釋放閥膜盤密封位置。解體檢查中發(fā)現(xiàn)閥體外部（不與油接觸部分）有紅色粉末狀油泥、壓力釋放閥彈簧有紅色油泥污染物。清理后發(fā)現(xiàn)彈簧有部分磨損，將防護層磨破露出金屬。同時閥體內(nèi)密封墊撕裂。

3 漏油原因分析

現(xiàn)場測試壓力力釋放閥附近位置的振動幅值不大，說明本體的振動是正常的，釋放閥的激勵源和以往產(chǎn)品是一致的，正常傳遞到壓力釋放閥上的振動頻率和幅值也應(yīng)該是相同的。但從拆解的壓力釋放閥彈簧磨損位置和程度，可以看出磨損面是由于水平和扭轉(zhuǎn)摩擦導(dǎo)致。所以分析認(rèn)為壓力釋放閥內(nèi)部彈簧的固有頻率與電抗器振動頻率吻合，導(dǎo)致彈簧振動幅值加大產(chǎn)生磨損。

結(jié)合彈簧研磨粉末和密封墊邊緣撕裂形態(tài)，對該壓力釋放閥彈簧的自振頻率進行仿真計算研究。

圖1 電抗器壓力釋放閥有限元模型

對此壓力釋放閥和相同型號不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥進行固有頻率及振動對比計算。采用三維建模方式對壓力釋放閥各部件按真實尺寸進行建模，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)實體形態(tài)，運用有限元分析軟件ANSYS 建立了如圖1 所示的有限元模型。壓力釋放閥的結(jié)構(gòu)從上到下依次為蓋板、彈簧、磨盤及磨盤下面的密封墊。

表1 原壓力釋放閥固有頻率

一階振型如圖2 所示：

圖2 一階模態(tài)

從上述分析可以看出壓縮后的彈簧的1 階固有頻率為103.3Hz，非常接近電抗器的激勵頻率100Hz，在相同的激勵力的情況下越接近激勵頻率則彈簧的振幅放大倍數(shù)越大，振動形態(tài)為縱向振動為主兼有橫向擺動。初步判定漏油是因為壓力釋放閥彈簧共振導(dǎo)致，故考慮更換相同型號不同結(jié)構(gòu)的壓力釋放閥，并對其計算固有頻率。

經(jīng)計算相同型號不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥的固有頻率如下表所示：

表2 不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥固有頻率

從上述分析可以看出壓縮后的彈簧的1 階固有頻率為69.4Hz，離電抗器的激勵頻率100Hz 較遠(yuǎn)。

對兩種壓力釋放閥施加同一載荷進行振動對比分析結(jié)果如下：原壓力釋放閥在激勵作用下的最大振動幅值為2410um。振動形態(tài)兼有縱向振動及橫向振動如圖4 所示。振動幅值如圖3 所示。

圖3 原壓力釋放閥整體振動幅值

圖4 原壓力釋放閥磨盤振動幅值

拆解后壓力釋放閥的密封圈有撕裂現(xiàn)象，故對密封圈的應(yīng)力也進行了分析，原壓力釋放閥密封墊振動過程中最大應(yīng)力為0.62MPa。

圖5 原結(jié)構(gòu)壓力釋放閥密封墊應(yīng)力云圖

從以上分析可以看出進口泄壓閥在豎直激勵力作用下，磨盤兼有縱向及橫向振動，且密封墊在振動過程中受力不均，向一側(cè)擠壓，如圖5 中紅色部分，長期振動作用下會造成密封墊一側(cè)先發(fā)生破裂。

圖6 相同型號不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥整體振動幅值

相同型號不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥在激勵作用下的最大振動幅值為131um。振動方向為縱向，沒有橫向的振動。（圖6）

不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥密封墊振動過程中最大應(yīng)力為0.21MPa。

圖7 不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥密封墊應(yīng)力云圖

從以上分析可以看出不同結(jié)構(gòu)泄壓閥整體振動方向為縱向振動，且整體振動幅值相對較小，磨盤的振動方式也為縱向振動（圖中磨盤顏色一致）。密封圈受力相對較小且比較均勻，不存在向一側(cè)擠壓的情況，相比原結(jié)構(gòu)受力小而且均勻。

表3 工作狀態(tài)壓縮量及振動對比表

總結(jié)上述計算分析如下：

（1）原壓力釋放閥彈簧第一階的固有頻率為103.3Hz 非常接近電抗器的振動激勵頻率（100Hz）。而相同型號不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥的固有頻率為69.4Hz，遠(yuǎn)離電抗器振動激勵頻率。

（2）從壓縮時的工作狀態(tài)分析，原壓力釋放閥的壓縮量較大，彈簧前兩圈幾乎都疊加在一起，振動大的時候磨損嚴(yán)重。

（3）從振動幅值分析，原壓力釋放閥由于頻率更接近激勵頻率故振幅更大，導(dǎo)致彈簧及密封圈的損壞。

（4）從磨盤下面的膠墊進行分析，原壓力釋放閥的膠墊應(yīng)力較大而且還受力不均。不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥的膠墊應(yīng)力相對小且均勻。

通過以上兩種壓力釋放閥的對比分析確定可以采用更換不同結(jié)構(gòu)的壓力釋放閥來解決漏油問題。

4 結(jié)論

通過上述仿真計算找到了壓力釋放閥漏油的真正原因：由于壓力釋放閥彈簧固有頻率與本體振動頻率較接近造成振動幅值較大，通過更換相同型號不同結(jié)構(gòu)壓力釋放閥解決該問題，更換后現(xiàn)場再沒有發(fā)生漏油現(xiàn)象。