油浸变压器是发电厂跟变电站的主要电力设备跟一.docx
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油浸变压器是发电厂跟变电站的主要电力设备跟一
WHL—FMD
李筠瑞
深圳华电电力消防技术有限公司
二○○五年九月二十五日
WHL-FMD变压器排油注氮防爆防火灭火装置
李筠瑞
二○○五年九月二十五日
油浸变压器是发电厂和变电站的主要电力设备之一。
变压器内充满着大量的变压器油，变压器油闪点是135℃左右，燃点为165℃~190℃，自燃点是330℃左右。
变压器油是一种是可燃的绝缘液体，所以在选择安装、使用油浸变压器时要采用防火措施，特别是变电站综合自动化技术中，更应选择主动性的灭火设备，确保变电站的安全可靠性。
1、油浸变压器发生爆炸和燃烧的原因：
1.1变压器油箱爆裂着火：
1.1.1绕组绝缘损毁产生短路。
变压器长期过负荷运行、绝缘油的裂解腐蚀作用都会引起绕组绝缘老化、变质，使绝缘强度降低，严重时失去绝缘作用，造成绕组匝间短路；变压器进水使绝缘强度降低而引起匝间短路；焊渣、铁磁等杂物（如过滤网及活性氧化铝）进入变压器，以及制造质量不良都会导致绕组匝间短路。
绕组发生短路故障时产生放电电弧，其温度达3000℃以上，绝缘油在高温作用下，分解出大量氢气、乙炔、甲烷等可燃气体。
同时伴随着内部压力不断增大，当压力超过油箱的机械强度，就会发生喷油或油箱爆裂。
当可燃气体与空气混合达到一定浓度，箱体内的变压器油即刻燃烧。
1.1.2变压器出线发生短路，变压器的保护如瓦斯继电器、压力释放阀等失灵，烧毁变压器而发生火灾。
1.1.3过电压击穿绝缘，使变压器爆燃。
对中性点不接地运行的变压器，由于系统引起操作过电压，使主绝缘烧坏，由于变压器出口单相弧光接地，引起操作过电压。
这两种情况都会使变压器内部发生闪络。
由于套管上部端子帽密封不严，雨水沿引线鼻子通过销钉孔，沿引线漏入变压器，使引线根部绕组绝缘强度大大降低，造成该相绕组对地，或高低压绕组之间短路。
1.1.4变压器周围堆放杂物、有油污等在外界火源下引发变压器爆裂。
总之变压器油箱爆裂起火，一般都是几种因素共同作用而引发火灾。
1.2绝缘油套管闪络，引起变压器爆裂起火，绝缘油套管是变压器的薄弱环节，在变压器火灾事故中占很大比例，仅次于绕组事故。
1.2.1变压器的绝缘套管由于上部密封不严，雨水浸入或受潮，绝缘下降而爆裂起火。
1.2.2变压器套管发生出线短路，雷击过电压，内部发生严重的绝缘事故，如果防爆管不能及时泄压，或泄压能力不足，也会造成套管爆炸起火。
1.2.3瓷套管有裂纹，长期渗油，使其表面长期积满油垢发生闪络，局部放电，使瓷质发热受损，发生绝缘击穿事故。
1.2.4瓷套管中心导体损坏或脱落，造成绕组出线端接地，或套管油箱内部破裂，引起短路接地，产生高温放电电弧，发生变压器油的内部燃烧。
1.2.5高压电容套管在制造上存在缺陷或在运输中的损伤，在运行中又长期受高电压作用，一旦经受电气事故的冲击，便可爆发并伴随高压套管爆裂，引起喷油起火。
1.2.6在安装过程中，未将套管接线柱拧紧或未采取铜铝过渡措施，产生局部过热或电弧，电化学腐蚀、火花等，出现接触不良，引起套管破裂漏油燃烧，引起衬垫和油箱顶部起火。
1.3有载调压的开关与绕组连接处接触不良，产生高温引起爆炸与燃烧，此类事故的比例仅次于套管闪络事故。
1.3.1分接开关制造上存在的缺陷，如镀银层强度不够，磨损脱皮造成接触不良，及伴随产生高温，使油分解产生油气，引起燃烧和爆炸。
1.3.2分接开关位置不正或制造时弹簧压力不足，滚轮压力不均，使实际有效接触面积减小。
1.3.3在线圈与线圈之间、绕组端部和分接头之间、以及露出油面的接线头等，如果开焊，或连接不好、松动或断开而产生电弧的故障也经常发生。
1.3.4有的变压器三相调压开关相间距离不够或绝缘材质不合格，在过电压下引起绝缘击穿，造成相间短路事故。
1.4磁路、铁芯故障产生涡流、环流发热，引起变压器故障。
铁芯多点接地事故多是制造不良或检修不慎引起。
变压器制造时，螺栓穿过铁芯及铁轭以夹紧叠片时，常因装配疏忽，使螺栓绝缘损坏，造成叠片间局部短路，形成局部涡流。
如果螺栓绝缘有两个或以上损坏时，螺栓与螺栓之间可能产生很大的循环电流，形成匝与磁通相链的短路线圈，闭合回路电流产生的热量可以使所短接的硅钢片烧到融化程度，并可能同时造成线圈绝缘破坏而短路。
当叠片之间的绝缘或铁轭与铁轭的夹板间的绝缘破坏时，会产生很大的涡流，产生相当大的热量，严重时可使铁芯和绕组绝缘损坏。
当夹件与铁芯之间的绝缘距离不够，或钟罩加强筋对上夹件距离不够，或铁芯底部有杂物时，将发生铁芯多点接地。
有些大型变压器由于低压绕组压钉脱落使铁芯两点接地，产生涡流发热。
1.5造成变压器故障的其它原因有：
1.5.1大气过电压和内部过电压使线圈主绝缘损毁。
1.5.2小动物造成变压器短路。
1.5.3金属导线、照明线、铝箔、装配或检修工具或其它外来杂物造成变压器短路。
1.5.4变压器周围可燃物起火，引起变压器短路。
2、变压器的消防装置分为被动和主动灭火系统及比较
根据多年来对大型油浸变压器的消防系统的设计理念、运行及功能将消防装置分为被动及主动灭火系统。
2.1被动灭火系统
当变压器发生爆裂或燃烧后，启动灭火系统以扑灭火灾的称作被动灭火系统。
2.1.1其优点：
不再扩大事故，可尽量减少事故造成损失。
2.1.2其缺点：
此被动灭火，虽然是最终将火熄灭，但变压器依然是损坏了，仍需修复甚至报废，不但造成直接损失，而且由于停电造成的间接损失是无法估量的，更重要的是造成社会的不安。
2.2主动灭火系统
当变压器将要发生爆裂或燃烧时，启动灭火系统，将事故扼杀在萌芽状态，完全保护了变压器，称做主动灭火。
其特点：
主动灭火，与国家“预防为主，防消结合”方针相一致，保护了国家财产和人民生命安全。
3被动灭火装置（系统）主要有以下几种：
3.1水喷雾灭火系统（包括细水雾和SP泡沫灭火系统）
3.1.1优点：
此系统的灭火介质是清洁的水，当启动时，形成水雾隔绝空气，进行灭火。
3.1.2缺点：
a）水喷淋灭火系统的水源，往往成为变电所选址的突出制约因素。
如我国西北、华北、东北地区缺水、寒冷、风沙大，而变压器系统一般设置在室外，这给设计、安装、运行维护提出许多难以解决的问题。
b）造价高：
需占用地打井、建蓄水池、设大水泵房、设置多条输水管及安装喷头。
c）保养维护费用高，严重地受环境影响。
⏹在干燥或灰尘多的环境里，喷水头会堵塞而完全不能使用，如要清理喷水头和该系统的维护，则一定要停运变压器。
⏹喷水时因配管内部之锈垢常会使喷水头堵塞。
⏹在寒冷环境中，温度在0℃以下时（暴露在外面的水喷淋系统不能充水，否则会结冰，甚至水管爆裂）水喷淋系统无法运转。
⏹装在变压器上方之配管及喷水头，在变压器爆炸时会被损坏而不能参与救火。
⏹为保证系统正常运行，需定时试喷，试喷时，变压器甚至整个变电站要停电。
d）当变压器发生火灾水喷淋停喷后，表面的火已灭了，如变压器油温仍然超过了燃点和自燃点，热油一旦涌出，遇空气立即复燃。
e）水喷淋系统启动一次约用300~450吨水，不利于保护水资源和节约用水。
3.2二氧化碳灭火系统：
3.2.1优点：
a）二氧化碳来源广泛，价格低廉。
b）二氧化碳从储存系统喷出来，使正在燃烧的变压器油窒息，同时二氧化碳也是快速冷却剂。
3.2.2缺点：
a）只适用于安装在室内的变压器（变压器室要有一定的密封性）。
b）只能扑灭变压器表面的火焰，但在消除变压器火灾隐患和防止变压器复燃方面，仍存在一定问题。
c）如该系统启动时，若防范不够，易造成人窒息。
3.卤代烷灭火系统：
3.3.1优点：
卤代烷中含有卤代碳氢化合物，速度快、灭火性能高。
3.3.2缺点：
适合小范围内用，会产生巨毒，可使人窒息。
a）产生的巨毒，破坏大气臭氧层，是联合国限制使用的产品，我国在2010年将全面禁用。
b）此灭火系统也只能扑灭变压器表面火焰，无法防止变压器复燃。
4、主动灭火方式——WHL-FMD变压器排油注氮变压器防爆防火灭火装置。
4.1FMD变压器防爆防火系统的表达和要点：
变压器防爆防火装置是避免变压器爆裂并阻止火灾发生。
所以，以往变压器被动灭火系统例如水喷淋系统、二氧化氮系统等都已经落伍，因为防爆防火系统不但是一个灭火系统，也是一个预防的系统。
是主动性的灭火装置。
防爆防火系统是唯一能避免变压器爆裂的技术，能够现场进行维修以节省因更换变压器和其他附属设备而花费的大量资金。
有载调压开关和套管比起变压器有更大的发生故障的可能性。
所以防爆防火保护系统亦考虑到保护所有充满易燃绝缘油的变压器的保护装备。
（包括油箱、油套管，有载调压开关，套管电缆油箱）
4.2FMD排油注氮变压器防爆防火灭火装置的特点
4.2.1使用0.1s高速排油阀；
4.2.2接获信号判断后0.2s排油防爆，随后注氮搅拌冷却变压器故障点，反应快速；
4.2.3采用信号逻辑原理启动，既能防止系统误动作，亦能保证动作的灵敏可靠；
4.2.4系统启动后可连续注氮30分钟以上，充分冷却变压器油，防止和扑灭火灾，防止复燃，效果明显；
4.2.5采用氮气防火灭火介质，环保无污染；不用水，可保护水资源；
4.2.6系统安装简单，维护方便，无论新变压器安装或旧变压器改造均容易实施；
4.2.7本系统价格大大低于“水喷淋”、“二氧化碳”等灭火系统
4.2.8尤其适合在缺水、严寒、风沙地区安装；
4.2.9适用于变电站无人值班。
5、FMD排油注氮防爆防火灭火装置与被动灭火装置的技术比较：
排油注氮
水喷雾
二氧化碳
卤代烷
灭火介质
氮气
水
二氧化碳
卤代烷
使用范围
露天、室内
露天、室内
室内
室内
灭火时间（min）
约2min
约30min
约10min
约8min
复燃可能性
无
有
有
有
降温效果
好
较好
无
无
灭火介质的补充
可在全国各地充氮
耗费水资源
补充二氧化碳较困难
限制使用，2010年停用，难于补充
设计工作量
简单
复杂
复杂
复杂
设备投资比较
1
3.517
2.52
2.12
对环境的污染
无
较小
一般
严重
系统的安装
零部件少易安装
管道多，难安装
较难安装
较难安装
系统的维护
简单、方便
复杂
复杂
复杂
工作可靠性
高
低
高
高
设备占地面积（m2）
2~4
30~50
20~25
15~18
6、FMD防爆防火灭系统的投运
见图1变压器线圈短路时箱体压力变化曲线
见图2防爆防火灭火系统逻辑原理图
图2防爆防火灭火系统逻辑原理图
6.1防爆防火系统
为了防止变压器爆炸,防爆防火系统启动是由变压器断路器跳闸和过压所发出的两个快速信号。
如果变压器装配了有载调压开关和油套管及油套管电缆箱，它们亦能由防爆防火系统所保护。
爆破膜和爆破感应器是用来防止所有设备的爆炸和用来启动防爆防火系统。
油气隔离阀要装在所有连接管道上为了避免油的渗入。
当两个请求信号发出后，系统启动运行：
a）防爆：
在0.2秒内开启快速排油阀将内部压力释放，以防止变压器爆炸。
同时关闭断流阀，将储油柜内的油与箱体隔离，将箱体内的油排低至变压器顶盖下方15～20cm。
b）停止氢气产生并驱走所有爆炸性气体：
大量的氮气注入变压器底部、有载调压开关内和套管（或套管电缆盒如有的话）30分钟以上，以限制由于短路过热损坏的影响。
利用散热和热量转换的方法，把热量从短路点转到绝缘油。
6.2灭火系统
见图3灭火逻辑原理图
当变压器出现故障，如果压力探测器、有载调压开关和套管的爆破膜和爆破感应器无法送出信号，防爆防火系统便会由传统的氮气灭火方法名叫“排出和搅拌”来做出后援。
在这个时期系统由两个信号启动：
来自火焰探测器的高温信号再加上电气保护（接地，压力释放阀，高电流或瓦斯）的其中一个信号。
为了增加探测火（任何来源）的面积，变压器箱体、有载调压开关和套管的温度探测器会连接在一起。
灭火程序：
1）变压器油箱排油：
启动快速排油阀和断流阀隔离油枕。
排油20秒后才开始注入氮气，这样可以防止体积膨胀导致燃烧的油溢出。
2）灭火：
为了降低油的表面温度在闪点以下，注入氮气并搅拌油，火在小于5分钟前被熄灭，而氮气注入会持续30分钟以上
图3：
FMD灭火系统的逻辑原理图
3）逻辑关系的叙述
图1和图2显示防爆防火系统仅在收到[（变压器箱体超压、有载调压器或套管的爆破感应器信号）和（变压器保护信号后）]或[（任一电气保护动作信号）和至少一只温感火灾探测器信号]方可启动。
若只收到上述任何一个或单一信号而没有另一个信号配合，则有关防爆防火系统不能启动，但所出现的信号会于远方的控制箱信号显示。
此外，亦可通过手动操作，随时将有关灭火系统启动。
变压器的压力释放阀和温感火灾探测器被连接到变压器接线箱上。
电缆直接从变压器接到布置在控制室里的控制箱内。
控制箱又连接到安装在变压器附近的消防柜，该柜中装有防爆防火装置的主要机械部件。
防爆保护程序的启动和氮气注入之间的时间，由延时继电器整定为3秒钟（防爆防火启动）或20秒（灭火启动）。
此继电器安装在压力为15MPa方并可将氮气瓶上的注氮阀打开，击穿氮气瓶顶上的防爆元件。
7、系统装置的结构
7.1主要部件
图4：
防爆防火装置的主要部件
1、瓦斯断电器2、压力释放阀3、有载调压控制器4、有载调压防爆膜
5、断流阀6、温感火灾探测器7、排油管8、注氮管
9、消防柜10、油气隔离组件11、检修阀12、减压阀
13、氮气压力表14、快速排油阀15、氮气阀16、氮气瓶
7.2整体结构
图5FMD变压器防爆防火灭火系统整体设置示例
7.3控制部份
7.3.1控制箱：
每台变压器配备一个控制箱，控制箱采用IC元件和可编程软件，通过RS485或RS232接口接入变电站SCADA系统，实现远程监控，并可配合无人值班变电站内使用。
控制部份要考虑电磁兼容的可靠性。
7.3.2故电源：
为了使变压器防爆防火灭火装置更加安全可靠，可选用不间断电源，安装在控制柜内，作为紧急启动时的电源。
7.3.3控制柜：
为了便于管理和监控可将三个控制箱和一个事故电源装入电力柜内。
8、介绍国产化的排油注氮变压器防爆防火灭火装置——WHLFMD系列
8.1于2001年通过了“国家固定灭火和耐火构件质量监督检验中心”型式检验。
8.2于2003年3月13日深圳市经济贸易局主持的鉴定会，通过了朱英浩院士、黄其励院士、原公安部消防局陈文贵局长等11位著名专家的鉴定，并给予了充分肯定。
8.3“该产品设计思路新颖，肯有自主专利知识产权，其高效、安全、不用水、环保等性能居国内领先水平，填补了我国油浸变压器防爆、防火和灭火一体化技术的空白，达到国际同类产品的先进水平，尤其在快速排油阀结构性能和构造方面优于国际同类产品。
”
8.4于2004年11月份通过了国家电网公司自动化设备电磁兼容实验型式实验。
8.5目前WHL-FMD已型成系列产品，即
FMD100灭火型
FMD200防爆防火灭火型
FMD300防爆防火灭火型无人值班型
对于FMD200及FMD300型，不仅保护变压器箱体，同时也可以保护变压器油套管、油套管电缆箱、有载调压开关。
9、结束语
随着科学技术的发展，变压器电压等级越来越高，容量越来越大，稍有不慎就容易酿成大事故，供电的安全可靠性更显重要。
被称为主动型的防爆防火灭火设备，是油浸变压器的忠诚卫士，将会更加广泛地应用于变电站和发电站，将为全国电厂及变电站安全生产做出更大贡献。
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