劉奕奕，李孟強，萬濤，吳俊杰，龔尚昆

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.武漢大學，湖北武漢430072)

0 引言

油浸式變壓器是變電站和發(fā)電廠的主要電力設備,長期運行過程中,由于鐵芯產(chǎn)生的持續(xù)高溫,以及短路、過電壓、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氣體,這些氣體溶解在油中降低油的閃點,并隨著易燃氣體的增多,變壓器內(nèi)部壓力劇增,導致油箱破裂甚至爆炸,可燃性油氣遇明火將迅速燃燒,嚴重危害電網(wǎng)安全和運行人員的人身安全[1-5]。因此,對油浸式變壓器開展消防設計,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防火災為主,能最大限度地控制變壓器火災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、排油閥的閥開檢測開關(guān)、閥關(guān)檢測開關(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用最為廣泛。丁腈橡膠 (Nitrile Butadiene Rubber,簡稱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,丁腈橡膠對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]。本文針對兩起主變壓器排油注氮消防裝置內(nèi)檢修閥漏油故障,對檢修閥的橡膠密封墊開展分析檢測,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 故障簡述

某500 kV變電站1號主變壓器和220 kV變電站2號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,對主變壓器安全穩(wěn)定運行造成巨大風險。某500 kV變電站1號主變壓器排油注氮消防裝置型號為BPZM-40×2-Ⅱ-PL,2015年05月生產(chǎn),閥門型號為D71JR-10/16Q；某220 kV變電站2號主變壓器排油注氮消防裝置型號為BPZM-40×2-Ⅱ-XFFE,2018年12月生產(chǎn),閥門型號為D7A1XP-16。針對兩起漏油故障,調(diào)查得知閥門在生產(chǎn)安裝時,存在燒焊行為,初步認為密封墊劣化失效并導致運行過程中出現(xiàn)漏油,檢查發(fā)現(xiàn)劣化橡膠密封墊損毀十分嚴重,失去密封性能。為了確定具體故障原因,開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[16],并對220 kV產(chǎn)品進行第二次采樣,采集模擬電焊前后的試驗數(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,測量環(huán)境的濕度小于70%RH,在室溫下測量,紅外光譜如圖1—2所示。

圖1 500 kV變電站1號主變壓器橡膠密封墊反射紅外光譜圖

圖2 220 kV變電站2號主變壓器橡膠密封墊反射紅外光譜圖

對圖1進行譜圖分析可知,波數(shù)2 232 cm-1處對應—CN的伸縮振動吸收峰；波數(shù)1 638 cm-1處對應C═C雙鍵的彎曲振動吸收峰 (強度較弱,難以識別)；波數(shù)2 921 cm-1和2 852 cm-1處對應飽和烷基的C—H伸縮振動吸收峰,波數(shù)1 456 cm-1和1 375 cm-1處對應飽和烷基的C—H彎曲振動吸收峰 (波數(shù)1 425 cm-1處存在譜圖疊加現(xiàn)象,對應飽和烷基的C—H彎曲振動吸收峰)；波數(shù)962 cm-1處對應—CH═CH—雙鍵上的C—H彎曲振動吸收峰；波數(shù)914 cm-1處對應丁二烯中端基乙烯基的C—H彎曲振動吸收峰。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℃開始發(fā)生熱分解,此時為初級階段各種有機助劑的分解；455.11℃時,主要結(jié)構(gòu)成分開始分解；580.00℃時,失重率為45.92%。而劣化橡膠在141.15℃就已經(jīng)開始發(fā)生熱分解；580.00℃時,失重率達到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號主變壓器橡膠密封墊TG圖

圖4 220 kV變電站2號主變壓器橡膠密封墊TG圖

1.4 相容性試驗

根據(jù)DL/T 1836—2018《礦物絕緣油與變壓器材料相容性測定方法》的要求,開展了220 kV產(chǎn)品劣化橡膠與礦物絕緣油的相容性試驗,由于劣化橡膠損毀嚴重且形狀十分不規(guī)則,因此僅對試驗后絕緣油的測試結(jié)果進行評價。由表1可知,空白油樣老化后的指標滿足標準要求,將老化后的試驗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題。

表1 絕緣油測試結(jié)果

2 二次采樣分析

為進一步查明檢修閥漏油故障原因,對某220 kV主變壓器產(chǎn)品進行第二次采樣,共準備2個閥門并模擬電焊試驗,前后采集4組樣品的分析數(shù)據(jù),樣品信息見表2。

表2 第二次采樣的閥門樣品信息

采集以上2個閥門在模擬電焊試驗前后密封墊的分析數(shù)據(jù),橫向?qū)Ρ饶?20 kV變電站2號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檢修閥外觀完好,輪廓清晰。焊接后經(jīng)短時冷卻并取下閥門,發(fā)現(xiàn)用于3號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

通過反射紅外光譜分析得知,第二次采樣的兩個閥門密封墊材質(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號主變壓器和220 kV變電站2號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助劑在140℃左右開始發(fā)生熱分解；410℃時,主要結(jié)構(gòu)成分才開始分解；580℃時,失重率為52.18%。模擬管路焊接后,樣品同樣在140℃左右開始發(fā)生熱分解,580℃時失重率為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

綜合兩次試驗分析結(jié)果,500 kV變電站1號主變壓器和220 kV變電站2號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)了嚴重的熱失重,說明樣品耐熱性能很差。進行故障復現(xiàn)的兩個樣品,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發(fā)生顯著劣化現(xiàn)象。因此,判斷500 kV變電站1號主變壓器和220 kV變電站2號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現(xiàn)樣品材質(zhì)不同,進一步確認故障原因不是由于電焊加熱導致密封墊老化失效,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、型號等信息無法判斷其密封墊是否使用耐油丁腈橡膠。

4 處置措施

1)加強對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,打開現(xiàn)場裝置柜檢查是否存在漏油,增加220 kV變電站巡視頻次,及時發(fā)現(xiàn)可能存在的漏油故障。巡視檢查時應防止誤動、誤碰。

2)發(fā)現(xiàn)排油注氮消防裝置有滲漏時,應立即進行現(xiàn)場檢查處理。若發(fā)生嚴重漏油故障,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。若本體閥門無法可靠關(guān)閉、漏油現(xiàn)象無法遏制,申請主變壓器停電。

3)發(fā)生漏油故障后,應立即準備補充油,并做好變壓器本體補油的準備,及時恢復主變壓器運行。

4)對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,對閥門密封墊進行檢查,對不合格的進行更換。

5)針對后續(xù)需要改造的排油注氮消防裝置,在安裝前應拆開消防柜內(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)標識,對無標識的產(chǎn)品進行更換。