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(shí)控制，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。雖然采取了消防隊(duì)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(jìn)一步加強(qiáng)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(shí)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(yàn)，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(shí)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(shí)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(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)對象

本次試驗(yàn)選用2臺退役的油浸式變壓器進(jìn)行試驗(yàn)測試，詳細(xì)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(gè)直徑分別為150 mm和80 mm的排油管，2個(gè)排油管分別位于油箱底部2個(gè)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(gè)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，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(yàn)的模擬工況與實(shí)際工況一致，主變一在排油過程中應(yīng)同時(shí)拔掉1支高壓套管、高壓中性點(diǎn)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(shí)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(shí)時(shí)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(yàn)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(gè)儲油槽(尺寸均為7 500 mm×3 000 mm×700 mm)，每個(gè)儲油槽配備1臺油泵，以便在變壓器排油的同時(shí)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(yàn)準(zhǔn)備

2.1 主變一排油試驗(yàn)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(dá)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(shí)拔掉1支高壓套管、1支高壓中性點(diǎn)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(yàn)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(dá)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(jìn)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(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 主變一150 mm排油管排油試驗(yàn)數(shù)據(jù)

主變一150 mm排油管排油持續(xù)時(shí)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(jì)算的實(shí)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(shí)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(shí)間及流量與時(shí)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(shí)間關(guān)系

圖6 主變一150 mm排油管排油量與時(shí)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(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)

主變一80 mm排油管排油持續(xù)時(shí)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(jì)測得的流量為40.94 m3。據(jù)儲油罐及儲油槽計(jì)算的實(shí)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(shí)際排油量的相對誤差是15.83%。超聲波流量計(jì)測得的流量與實(shí)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(shí)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(shí)間關(guān)系

圖8 主變一80 mm排油管排油流量、流速與時(shí)間關(guān)系

3.3 主變二80 mm排油管排油試驗(yàn)數(shù)據(jù)

主變二80 mm排油管排油時(shí)間共計(jì)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(jì)測得的流量為11.96 m3。儲油箱的實(shí)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(jì)測得的流量與實(shí)際排油量的相對誤差是-20.27%。排油過程中排油時(shí)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(shí)間關(guān)系

圖10 主變二80 mm排油管排油量、流速與時(shí)間關(guān)系

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 管徑與排油時(shí)間的關(guān)系

主變一排油試驗(yàn)不同管徑排油油位與時(shí)間對應(yīng)關(guān)系見圖11。不同管徑排油管排油試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

圖11 不同管徑排油油位高度與時(shí)間關(guān)系

表3 不同排油管徑排油試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)/(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(shí)不同，排油管徑越大用時(shí)越少。

4.2 油箱油位高度與排油時(shí)間的關(guān)系

由表3中主變一80 mm排油管排油試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)的油位1.09 m，而主變二在油箱內(nèi)油量為15 m3時(shí)(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(shí)主變一變壓器油尚未排空，故流速未迅速降低，至26 min時(shí)，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(shí)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(shí)間與油箱排油時(shí)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(yàn)過程中油枕排油時(shí)間、流速等數(shù)據(jù)(見表4)可知，油枕排油時(shí)間與油箱排油管徑無關(guān)，油枕排油速度遠(yuǎn)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(jìn)氣管道口徑小進(jìn)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(yàn)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(shí)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(shí)間約為150 min。同等油量，排油管徑越大，排油用時(shí)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(shí)的油位高度不同造成不同變壓器的排油速度及排油時(shí)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(yuǎn)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(shí)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(shí)間。

通過以上試驗(yàn)，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(shí)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(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)。