新型全密封变压器“呼吸装置”的设计改进与验证

陈芳CHEN Fang；白少峰BAI Shao-feng

（银川能源学院电力系，银川 750105）

（Department of Electric Power，Yinchuan Energy College，Yinchuan 750105，China）

0 引言

本文所述的新型全密封变压器设计核心为“呼吸装置”，该装置不仅用于油浸式全密封变压器，还可用于油浸式互感器、油罐或其他在热胀冷缩时需要进行容量调节的密封容器。

1 现状

目前变压器、互感器、电抗器储油柜一般采用敞开式储油柜或全密封储油柜。敞开式储油柜中变压器油和大气直接接触；全密封储油柜是在敞开式储油柜的基础上增加装置使油和空气不直接接触，杜绝了油的氧化和水分进入油中，目前装置采用三种形式：①金属波纹管；②隔膜；③胶囊。

当环境温度发生变化，变压器油温升高或降低会导致变压器油的膨胀、收缩。储油柜相当于一个“呼吸装置”[1]。当油膨胀时，油从油箱进入储油柜，储油柜中的空气被排入大气；当油收缩时，油从储油柜进入油箱，大气中的空气被吸入储油柜。外油式金属波纹、胶囊储油柜中金属波纹、胶囊随油膨胀和收缩。内油式金属波纹储油柜中金属波纹随油膨胀和收缩；隔膜式储油柜中隔膜随油膨胀、收缩而上升和下降。

由于储油柜安装在箱盖之上，在储油柜上需安装支架来满足与高低压引线间的电气距离，给运输、安装带来很大麻烦，另外为使储油柜安全的“呼吸”，必须使储油柜拥有足够大的容积，一般设计时按总油量的10%取值，储油柜运行前需要装入50%容积的油，即相当于总油量的5%。

另外小容量全密封变压器采用气垫或特殊散热器来调节变压器油的膨胀和收缩。采用气垫调节的变压器，由于套管在顶部，高低压引线和开关暴露在空气中，安全性降低。目前大于800kVA 的变压器也采用无储油柜的全密封结构，GB6451-1999 规定:当容量大于800kVA 的变压器需要安装气体保护装置，而采用顶部充气结构的全密封变压器所装的气体保护装置形同虚设，不起作用。采用特殊散热器的变压器，是靠散热器的膨胀量来“呼吸”的，这种“呼吸”对散热器技术要求很高，大大增加成本，而且当油的膨胀量超出散热器的膨胀量，油就会从油箱顶部密封面渗出，影响变压器的美观和运行安全。而通过增加散热器数量来满足油的膨胀量，或者选择弹性模量好的膨胀式散热器，成本也会大幅增加。

油罐的情形类似于小容量采用气垫的全密封变压器，但油罐只考虑环境温度的变化。常见问题是：运输前油的各项指标均合格，当经过长途运输后，水分通常超标，变压器油耐压下降，必须重新滤油降低水分含量，增加成本。

2 目的

通过密封胶囊或者开口胶囊解决变压器、互感器、电抗器、油罐的“呼吸”问题；取消储油柜，真正实现全密封，使800kVA 以上变压器的气体保护装置真正起到作用；保证油罐在运输的整个过程中不吸收水分和空气，保证运输液体的技术性能。

3 设计思想说明

最早的变压器油箱短边采用圆弧结构，现在变压器采用心式铁芯，圆形线圈包围铁芯，采用长方体油箱提高效率。从变压器俯视图看，油箱四角有很大的空间，见图1；从变压器主视图看，夹件到箱壁、箱盖都有很大的空间，见图2。本设计就是在两侧、四角或箱盖下放置密封胶囊或者开口胶囊，实现变压器储油柜的“呼吸”[2]。

图1 长方体油箱的俯视图

图2 长方体油箱的主视图

变压器和油罐可采用密封胶囊，胶囊气体不充满，充入大约50%容积的气体后密封，胶囊的形状根据变压器和油罐的空间位置设计，从制造成本和效率来讲，制成条形或环形即可，在变压器、油罐四角或顶部用隔板设计一个或几个胶囊室，防止胶囊随着油漂浮移动、损坏等，如图3、图4。变压器和油罐也可采用开口胶囊外形如图5，为防止胶囊随着油漂浮移动、损坏等，也可采用图3 的胶囊室。胶囊密封、安装以及通气口通过阀门和吸湿器相连如图6所示。采用两种充气方式，第一种是先对变压器或油罐注满油，然后对胶囊充气排除一定容积（根据环境温度确定）的油，通常相当于胶囊容积的50%；第二种方式是胶囊安装后先充满气，打开封闭胶囊出口的阀门，平托胶囊底部缓缓推至胶囊中部左右（根据环境温度确定）即可，然后封闭胶囊出口的阀门，注满油，对变压器或储油罐密封后，打开封闭胶囊出口的阀门即可。

图3 长方体油箱设计胶囊室后的主视图

图4 长方体油箱设计胶囊室后的俯视图

由于冲入气体的不确定性，胶囊容积实际设计时按12%油体积设计，确保在平均环境温度25C°时，胶囊冲入50%的气体时满足变压器运行需要。

4 设计效果

取消了变压器、互感器的储油柜，使安装、运输更加方便；与带储油柜变压器、互感器相比，减少10%以上变压器油；与目前全密封变压器相比，箱盖下无气垫，引线、开关运行更加安全可靠，同时可真正发挥气体保护装置作用，同时减少5%以上变压器油；油罐长途运输内部不会有水分和气体进入，保证了运输液体的性能。

图5 开口胶囊外形示意图

图6 胶囊密封、安装以及通气口与阀门、吸湿器的连接示意图

5 应用实例

根据本设计，在研发电气化铁路AT 供电方式的OD-12600/2×27.5kV 自耦变压器中进行了实施，选用开口胶囊、采用通气管法兰密封后和吸湿器相连。

由于这个变压器的额定容量达到12600kVA，结构容量为6300kVA，从结构容量的角度来讲，该样机和我们目前制造的不带储油柜最大容量变压器相同。

变压器本体上通常有四种保护，一是压力保护，一般采用压力释放阀，当压力达到设定值时，压力释放阀开启泄压，压力下降后关闭，同时带有电接点，动作时报警或跳闸；二是温度保护，通常采用温度控制器，设有报警和跳闸电接点；三是油位保护，一般采用油位计，配在储油柜上，有最高和最低油位报警；四是瓦斯保护，通常采用气体继电器。与储油柜配套使用的有三种保护方式，分别为轻瓦斯保护、重瓦斯保护和油流速度过快（通常电力部门设定的速度为0.8 米/秒）保护，用在不带储油柜上的只有轻、重瓦斯两种保护。

由于本样机不带储油柜，所以只能采用仅有轻、重瓦斯两种保护的气体继电器，这样就缺少油流保护的功能，为了弥补缺陷，设计了三套方案：一是在通气管上增加流量或者压力类仪表进行监测，可以达到类似油流保护的功能，但价格太高，不利于商业化生产[3]。二是变压器上安装油流速动继电器，靠检测压差进行保护，但如果压力缓慢上升，没有达到压力释放阀的动作值，但变压器本身压力已很大，等到压力释放阀动作，故障可能会扩大。从成本和保护两个角度考虑，最终采用了第三套方案即采用价格低廉的双电接点压力表，通常像样机这种大容量变压器上的压力释放阀的保护压力为55kPa，我们把压力表放在油箱中部，除去油箱顶部到压力表之间的油压，两个电接点设两个报警，报警压力分别设定为35kPa 和45kPa，这样和压力释放阀的55kPa 形成压力梯度保护，满足设计使用要求。

[1]张宪，张广科.变压器用新型呼吸器[J].大众用电，2003，18（11）：20.

[2]董玶.胶囊储油罐[J].变压器，2008，44（01）：15-16.

[3]齐大勇，沈倩，刘明，等.变压器储油柜及常见问题浅析[J].山东电力技术，2008，34（06）：22-23.