电力变压器储油柜的选取与应用改进分析

0引言

电力变压器作为电能转换的核心设备,在电网中起到电压转换、电能分配的作用。电力变压器结构示意图如图1所示。

在电力变压器运行过程中,电力负荷的变化会导致电流发生变化,电流流过线圈,根据焦耳定律,可以判断电力变压器线圈所产生的热量,线圈产生的热量通过变压器油进行消散。当热量发生变化时,油的体积也会因热胀冷缩随之变化,此时储油柜通过内部胶囊或波纹管等部件的变化适应油体积的变化,使变压器内部压强与外界保持一致,来保证变压器的稳定运行。如果没有储油柜,变压器本体内油箱必须留有一定的空间来缓冲油的体积变化。当油体积减少,油面随之降低,有可能露出导电部分,不利于导电部分的绝缘,也不利于油的散热。因此,合理选取储油柜至关重要,关系到设备乃至电网的安全稳定运行。

1储油柜的发展历程

目前运用的储油柜是通过第一代敞开式储油柜改进而来。第一代产品是在变压器中简单加装了一个储油柜,储油柜顶部连接呼吸器。这种储油柜中的变压器油直接与空气接触,容易导致油的快速老化,不利于变压器的健康稳定运行。因此,针对该缺点,在变压器内加装橡胶薄壁胶囊,胶囊紧紧贴附在油面上,使变压器油与空气隔绝,从而防止油的氧化。在初期,胶囊式储油柜得到快速发展和使用,但是胶囊长期处于油内,受到胶囊材料的限制,胶囊会出现老化、破损等问题,于是金属波纹管式储油柜应运而生。金属波纹管式储油柜借鉴了互感器膨胀器的原理,早先出现的为波纹管立式内油结构的储油柜,借鉴胶囊外形,而后又演变为波纹管卧式结构^[1—2]。但由于水平伸缩的波纹芯体受力较为复杂,结构设计和制造要求高,产品可靠性不如立式工作的储油柜稳定,因此波纹管立式内油储油柜后又得到广泛采用。但如果采用耐压能力差的波纹芯体装油,对于大容量变压器,存在漏油和破损失控的巨大风险,同时多芯体结构占据较大无效空间,难以满足现有变压器套管之间的绝缘距离,因此波纹管立式外油储油柜诞生,弥补了现有结构的诸多不足,成为结构理想的第三代波纹储油柜^[3—5]。

2储油柜的特点

2.1胶囊式储油柜

胶囊式储油柜结构如图2所示,其是在储油柜顶部加装了一个橡胶胶囊,通常是由丁腈橡胶和尼龙加强布构成。胶囊顶部通过呼吸器与外部连通,当变压器油的体积发生变化时,胶囊通过呼吸器向大气吸气或放气,胶囊的最大变化量为储油柜的最大油容积。因此,在变压器正常运行时,胶囊长期处于压缩状态。外置油位计通过磁耦合与内部浮杆、浮球结合,随着浮球的升降,油位计示数发生变化。

胶囊式储油柜的优点是安装简单便捷,更换方便,通过四个挂钩即可安装;适用性强,从低电压等级到高电压等级都适用。其缺点是由于胶囊始终与油接触,橡胶制品容易老化;如果储油柜焊接部位有毛刺,胶囊容易破损,在胶囊与挂钩连接处胶囊受力较大,也容易产生破损;胶囊储油柜还有一个突出的缺点是容易出现假油位,如储油柜安装过程中柜内空气没排干净,导致储油柜内有空气存在,这部分空气热胀冷缩会导致油位计出现假油位,当呼吸器堵塞、油位计的浮杆和浮球出现损坏时,也会出现假油位^[6—7]。电力变压器处于运行过程中,出现假油位时,运维人员不易发现此类缺陷,而该隐患长期存在,不利于电网的稳定运行。因此,在变压器寿命周期中需多次检修、维护胶囊式储油柜,更换其零部件。

2.2波纹管内油储油柜

波纹管式储油柜通过采用金属波纹管作为容积补偿元件和隔离密封元件,适应油容积的变化,防止变压器油氧化^[8],它解决了胶囊式储油柜易堵塞、凝露、出现假油位和胶囊易破损等缺陷问题。金属波纹管内油储油柜的变压器油处于波纹管内部,由波纹管与外部空气形成隔绝,以保证变压器油的洁净[9]。金属波纹管内油储油柜结构示意图如图3所示,是由金属软管、波纹芯体、油位指示等组成,膨胀节的顶部密封良好,底部有与变压器本体相连的管道,上密封板和排气管相连接,当油温发生变化时,通过波纹管的伸缩来实现油体积变化的补偿。金属波纹管内油储油柜的优点是油位指示准确可靠,密封良好。但是,内油式储油柜对工艺要求较高,而且遇到渗漏油时,处理过程复杂。

2.3波纹管外油储油柜应用及改进

波纹管外油储油柜分为波纹管卧式和立式两种,金属波纹管储油柜发展初期曾采用卧式外油结构,但随着运行年限的增长,缺点也日益突出,主要是水平伸缩受力复杂、需导向、伸缩不均匀、焊缝易疲劳开裂等[10] 。改进的立式外油结构如图4所示,波纹芯体上挂式结构确保了波纹芯体在油中 自然垂直,伸缩均匀稳定,无须任何导向扶正机构,工作状态优于卧式和内油式;储油柜耐压能力提升,无渗漏油风险,波纹气囊内渗油可以通过导管清晰指示,优于胶囊漏油隐患无法指示的设计;波纹芯体为内散热式设计,无凝露,工作状态良好;油位计采用直接磁耦合外挂式,精度高且与绝缘油可靠隔离。

3储油柜的选取

3.1 芯体结构

储油柜芯体按结构分为单芯体和多芯体,单芯体结构的优点是空间利用率高,补偿能力强,消除了无效空间,相同外形尺寸比多芯体增加30%以上补偿空间,特别适用于设置在高低压套管之间的储油柜,外形尺寸不影响绝缘距离。单芯体结构的另一个优点是可以减少30%~50%焊缝,大大提升了储油柜的密封可靠性,单芯体的波纹伸缩刚性比多芯体小30%~50%,但不影响变压器压力释放阀和气体继电器参数设定,适用于小型变压器。外油立式结构通常采用单芯体结构。多芯体储油柜可以增大储油柜的储油量,相比单芯体储油量可以增大20%~30%,而且可以增加储油柜油的流动性,适用于大型变压器。

3.2储油柜耐正压能力和耐负压能力

储油柜是变压器油箱的一部分,应满足变压器设计相关规范,其耐压能力至少应满足压力释放阀的动作压力(通常50~70 kpa),并在变压器整体静压密封试验时参与测试,而不应该隔离。同时,对于有全真空注油要求的变压器,储油柜耐负压能力也要达到真空注油要求。

3.3 运行维护要求

在日常维护过程中,为了方便运维人员快速发现储油柜的缺陷,波纹管立式外油结构储油柜可以设置简单可靠的渗漏指示,将气囊下部漏油引到储油柜油箱下部的透明油盒中,一旦发生漏油,运维人员巡视中可以及时发现。胶囊式储油柜发生渗漏或破损时,往往第一时间不能发现,这也是胶囊式储油柜的一大弊端。波纹管立式外油储油柜还可以设置渗漏油检测装置,通过红外检测或超声波技术监测透明油盒,采集盒内油温的变化发出报警信号。

3.4 运输要求

波纹管储油柜是全焊密封结构,在运输时通常会在储油柜内注入干燥空气,运输过程中保持微正压。但是储油腔内充气压固定芯体方式常常会因压缩空气水分产生内壁凝露,这给后续注油带来了很大风险。对于500 kv大型变压器,抽真空时要求真空压力值不大于133 pa,以保持内部的干燥和清洁。对于远距离运输以及颠簸路况运输,建议采用储油腔抽负压和呼吸腔充正压0.03 Mpa双保险运输。而胶囊式储油柜的胶囊是单独包装运输,更为方便。

3.5 运行环境

胶囊式储油柜一般适用于—25~40℃的户外环境,适用范围比较广。但对于极寒、极潮天气、多尘天气等需格外注意,极寒天气会影响胶囊的伸缩性,潮气和沙尘会增加呼吸器的维护次数,若有潮气和沙尘进入将大大影响胶囊的使用寿命。金属波纹管储油柜耐极端天气能力突出,在极端天气时也能保持好伸缩性,能够正确显示油位,密封性良好。目前,立式外油储油柜已大量应用于各电压等级变压器,特别是高电压和大容量变压器,金属波纹管立式外油储油柜更是优先选择的对象。

4结束语

本文通过对常见储油柜的特点进行详细分析,指出了改进后的金属波纹管立式外油储油柜的优异性能。通过对芯体结构、耐压能力、运输要求、运行环境等方面的分析,探讨了储油柜的选取要求,变电站中电力变压器储油柜的选取应根据具体情况,综合考虑多方面因素的影响。今后,还可以进一步探索研制技术更加先进、性能更为优异的储油柜,以不断提升变压器的运行质量,从而保证电力系统的安全稳定运行。

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《机电信息》2025年第14期第5篇