降低电力变压器环境影响和火灾风险

能源需求的增加可能导致系统运行更接近设计极限。这种运营模式的变化，加上时光飞逝，创造了一个更危险的环境。

   考虑到当今经济环境对电力的依赖，必须采取特殊措施。

   必须考虑更新的解决方案，以减轻对环境的影响，并降低新项目的火灾风险。这包括酯液替代矿物绝缘油，使变压器油箱具有更高的抗破裂性。干式套管可以降低火灾风险，而且不仅限于新的变压器。

   即使已经实施了所有可用的预防措施，意外情况仍然可能发生。移动式变电站可以显著降低故障对电网可靠性和可用性的影响。多变比和柔性单元在输电系统中已经很好地建立起来，现在已经扩展到移动式发电机升压(GSU)变压器，以便在需要快速更换时快速操作。除了这些主题之外，本文还讨论了在物联网世界中变压器的集成，并实现了异常的自动指示和优化操作。

1 简介

   市场上有许多解决方案可以减轻对环境的影响，降低火灾风险，并为意外情况做好准备。

2  酯绝缘液

   对于那些寻找传统矿物油替代品的人来说，使用合成酯正在成为一个真正的选择。合成酯液具有更高的防火安全性、环保性，即使在非常低的环境温度下也具有优越的运行特性。

加强消防安全

   变压器在运行过程中，会受到突发或紧急运行条件下的过载或过电压、短路电流以及地震、地磁感应电流或雷击等恶劣环境条件的影响。

   除了正常的寿命损耗外，如上所述的特殊运行条件也可能导致变压器故障。合成酯的燃点比矿物油高得多，因此将其用作绝缘液可以显著提高消防安全性，从而降低变压器故障的风险。

图1 燃点对比

   在安装和运行中加强消防安全的变压器具有以下成本效益:

    •降低火灾风险，使用户在保护发电厂、邻近电力设备和建筑物所需的投资 有所减少。

    •防火墙、防火坑、防火系统(如喷淋装置)的投资可以减少或最终完全取消。

    •可以减少传统的消防安全距离，优化安装面积。

    •用户报告表明，由于风险降低，保险费用/保费降低。

   虽然酯液绝缘变压器通常比传统矿物油绝缘变压器的原始成本更高，但在许多情况下，上述所有优点都抵消了较高的原始成本，并且通常会降低变压器使用寿命期间的总拥有成本。

   每个地区的消防安全条例各不相同，因此建议用户与有管辖权的地方当局沟通，了解有关使用难燃液体的地方规则和条例。

环境友好

   在运输、安装或运行过程中，绝缘液最终会从变压器中泄漏到土壤或水体中。使用酯液可以显著减少相关的环境影响。在为期28天的测试中，合成酯的生物降解率达到89%，而传统矿物油的生物降解率通常只有9.7%。酯类绝缘液可归类为完全可生物降解(根据IEC 61039) 。

图2 不同绝缘液的生物降解比较

   每个地区的环境条例各不相同，因此建议用户就与泄漏控制和酯类液体清理有关的当地规则和条例的适用情况与当地当局进行沟通。

运行特性

   合成酯的使用增加了变压器运行过程中的稳定性和灵活性。

   天然酯在与氧气接触时会迅速氧化、固化或变成凝胶状，而合成酯则高度稳定，也可用于敞开式变压器。合成酯在极低温度下具有极好的性能。天然酯的倾点大约在在-21°，而合成酯的倾点为-56°C ，这使得它适合在环境温度极低的地区使用。合成酯的其他好处包括高耐湿性。酯液可以比矿物油吸收更多的水分而不影响其介电性能。研究表明，即使酯液的含水量(ppm)与矿物油相比高出10倍，纤维素绝缘层中剩余的饱和水还不到一半。这意味着纤维素在充满酯液的变压器中会更干燥，从而减少其老化并降低其最终失效的风险。

设计注意事项

   应该注意的是，酯液与矿物油具有不同的介电、物理、热和化学性质，因此变压器应针对所使用的绝缘液类型专门设计。作为这种差异的一个例子，酯液的介电常数比矿物油的介电常数高45%以上，这意味着针对一种绝缘液优化设计的绝缘结构相关的等位场分布，在另一种绝缘液中可能会明显改变。

   在设计和制造过程中，应综合考虑上述绝缘液的所有其他差异，以确保在运行过程中具有最高的可靠性和性能。

3  树脂浸渍套管

   油浸纸(OIP)套管故障约占所有变压器火灾的50%。在OIP套管故障期间，绝缘通常会击穿，从而导致其内部产生电弧。这个电弧导致油分解，快速形成气体，然后导致套管内部压力迅速积聚。这种快速的压力积累和相关的热量会导致瓷套外壳/绝缘体破裂，这通常会导致严重的爆炸，快速排出瓷碎片和绝缘油。这种爆炸通常还会导致套管掉落到变压器油箱中，由于套管故障事件中形成的热量和可燃气体导致绝缘油发生火灾。

   通过使用无油套管(如树脂浸渍纸或树脂浸渍合成套管)替换OIP型套管，可以显著降低套管故障的风险。

 树脂浸渍纸(RIP)

       RIP套管的绝缘主体采用环氧树脂真空浸渍的特种纸制成。在卷绕过程中，纸张的层间插入导电的铝箔，以对电场进行分级。绝缘体缠绕在支架上，用树脂浸渍硬化。硬化后的电容器通常被加工成最终形状。电容器的绝缘体在变压器法兰处起到油密封的作用。

   载流导体固定在法兰上，法兰上方没有变压器油，从而消除了油泄漏的可能性和发生火灾的危险。外部绝缘通常由带纯硅胶伞裙的复合绝缘体外壳组成。这些都是硫化的机械支架，这是一个高性能的缠绕式绝缘管，由环氧树脂与玻璃纤维层压组成的结构。

   复合材料外壳两端都有铝制配件，这些配件连接在一起，以确保永久的气密连接。

   复合绝缘子与电容器本体之间的空间用聚氨酯弹性体填充。这确保了套管具有完全干燥的结构，含油量为零。通过使用特殊的气体发泡工艺，获得了细孔弹性体结构，提供了永久弹性，机械强度和高电气强度的优良组合。机械粘合使套管具有高度的弹性和良好的阻尼特性。因此，这种类型的套管特别适合在极端机械应力下使用，例如按照IEEE693的抗震设计。

RIP套管的其他优点包括:

    •由于其冲击强度和抗冲击性，可以减轻因操作不当或人为破坏造成的损坏

    •具有复合绝缘子的套管质量较轻，由于其净质量小，简化了操作，减少了变压器的应力

    •如果外壳因内部或外部因素损坏，不会产生危险的碎片或弹片，在发生故障时，对相邻变电站设备或人员的损伤风险最小。

    •可在极端温度下使用

    •耐火性能好

树脂浸渍合成(RIS)

   采用成熟的RIP技术制成的套管包括特殊纸等材料，真空浸渍环氧树脂。虽然纸是一种很好的绝缘体，但它也是吸潮的，因为它从周围的大气中吸收潮气。这些潮气会对功耗因素和套管老化产生负面影响，由于制造过程中的劳动密集型工艺，这种影响已经大大减少。这个过程是有帮助的，保证了套管的质量和性能。

     RIS套管技术是RIP套管技术的进步，用合成材料代替了纸质绝缘材料。这种合成纤维板具有均匀的材料特性和最小的吸湿性，大大减少了上述缺点。RIS套管的特点是其极为稳定的介电性能，这可归因于暴露的表面(即变压器套管的油端)吸湿量的大幅减少。

      RIS套管的其它优点包括：

•在储存或运行过程中对湿度不敏感

•高度稳定的介电性能

•更均匀的电场属性

•与纸绝缘相比，减少老化

•对使用寿命有积极影响

   用新的RIP和RIS套管取代传统类型的OIP套管可以消除套管中的油，并显著降低变压器火灾的风险。RIP和RIS套管故障的破坏性较小，很少引起变压器火灾。

4 物联网连接与分析寿命消耗-预测和优化操作

   变压器正在进化成一个信息中心，提供有关其状况和状态的实时信息。本文第四节所示的Resilience GSU是西门子Sensformer®系列的一部分，它利用智能强大的物联网网关将信息安全地传输到基于云的存储、分析和可视化平台，旨在优化变压器的运行。

   主要特点：

    •易于连接，通过以太网或安全的GSM连接，易于设置，不需要辅助IT基础设施。

    •通过限制实际物理测量和避免在现场使用不必要的IT设备(例如，没有本地分析)来减少漏洞。设计采用最先进的安全和加密技术，如ISO / IEC 27001，具有端到端加密和用于客户端身份验证的设备密钥。

    •使用标准和开放的云解决方案实现实时资产管理，以便轻松快速地了解所有连接的资产并增强运营决策。

    •面向未来的平台，实现以客户为中心的应用程序共同创造，并为所有运营提供价值。

    •移动APP增强了资产管理，并提供安全的移动连接，以获得有关资产状态的实时数据和概述，提供关键KPI，并在发生警报时推送消息。

    •云平台和app中提供以下测量信号和数据:

    •顶部油温、油位、绕组电流，

    •基于GPS提供的位置，云计算提供GPS位置和环境温度、湿度信息。

5 油箱破裂的预防

   原则上，电力变压器是安全、持久、高压的设备。但是，即使是制造变压器的最佳经验也不能消除所有可能的风险。尽量减少这些故障的后果是至关重要的，特别是在不太可能发生内部电弧的情况下。

   如果发生内部电弧，释放的能量将绝缘液分解成不同的气体。电弧的持续时间既不能预测也不能计算。在电弧产生过程中，由于气体的快速释放，油箱内压力增大。因此，上升的压力可能会使变压器油箱变形。如果压力继续增加，油箱最终会破裂。泄漏的绝缘液和逸出的气体(包括可燃气体)与大气中的氧气结合可引燃并引起火灾。

   内部电弧特性为：

      •压力的空间分布不均匀

      •压力上升范围从25bar /s到5000 bar/s

      •小于毫秒级的非常高的局部压强(>14 bar)

      •局部机械应力

变压器油箱暴露在高应力下

   变压器油箱不是压力容器，它的设计能够承受全真空和高于正常工作压力25%的压力。大多数矩形油箱在变形或破裂前将承受1.4至2.13bar(20至30psi)的压力。

   下表显示了电力变压器油箱在发生内部电弧时必须要面对的能量。在330kV及以上的电压等级中，可以产生大于20,000kJ的能量。这相当于2.6公斤(5.7磅)炸药或5.3公斤(11.7磅)TNT的能量。

图3 不同电压水平下的模拟能级

* CIGRE工作组A2.33建议

   将电弧过程的动力特性简化为静力计算公式，以便对复杂的油箱结构进行有限元建模，找到薄弱环节，提高油箱的耐压能力。内部电弧通常是由于匝间故障、饼间故障、绕组间故障或相间故障造成的。研究表明，电压越高，油箱破裂时发生火灾的概率越大。大约50%的变压器火灾是由油箱破裂引起的，这暗示了防止油箱破裂对确保变电站安全的重要性。

油箱破裂的预防

   通过常见的保护装置，如气体在线监测、气体继电器、突发压力继电器和泄压装置，变压器可以避免破裂。防止油箱破裂是降低损坏成本、停机时间和清理工作的最有效方法。

   以下步骤描述了增加油箱抗破裂性的程序:

    •在计算过程中，采用静压力有限元法对油箱体的弹性进行了计算。

   •将变压器油箱的3D CAD模型导入ANSYS®spaceclaim®或ANSYS®DesignModeler™以创建中表面模型(从壳模型-较少节点到实体模型，这意味着更快的计算)

    •本公式中每个步骤的电弧压力都是计算出来的

    •这一过程将持续到电弧压力低于或等于施加的压力

    •然后计算油箱的应力、应变和变形。

   对模型进行修正，直到计算出的应变低于油箱结构所用材料的极限应变。这种油箱的设计还将最薄弱的部分放在靠近顶部的位置，以便在油箱破裂时最大限度地减少绝缘液的损失。

6  保持电网弹性

A. 预防

   在指定变电站设备时，应考虑防止可能发生故障的措施。这些可以包括使用最新的技术和最先进的设计工具来设计设备。生命周期管理和设备运行期间的密切监测对早期发现重大故障是有效的。

B. 保护

   操作冲击会对变压器造成压力。这些压力中的一些可能不会立即损坏设备，或者可能有办法减轻手头的问题。这些冲击可能会导致变压器的损坏。

   避免不确定性的一种方法是在项目的早期开始考虑有关电网弹性的风险预防。

   保护措施可以防止因暴露于自然环境或人为影响而造成的强制停电，以及增加变压器的整体安全性，即:

    •可承受太阳风暴引起的地磁感应电流(GIC)的设备

    •防弹设计，防止子弹击中设备造成损害。物理保护，使敏感设备远离视线。

    •先进的保护继电器检测和隔离故障更快，更准确。

C. 反应

   即使采用上述所有故障预防和检测措施，变压器仍然会发生灾难性故障，并且需要应急计划来应对此类故障。

   一种可能的解决方案是基于“即插即用”概念的移动柔性变压器。这些变压器可以存储在仓库或战略备用场地，并且可以在很短的时间内部署到所需的位置。

   快速反应的一些要求是:

    •易于运输(尽可能限制组件重量-单相单元)

    •多变比(高压和低压绕组的多个抽头设置，因此变压器几乎可以在任何地方使用)

    •柔性电缆连接，用于二次和三次绕组连接(提供灵活的方法来连接变压器和有效绕过故障变压器)，

    •快速安装(使用可插拔电缆和套管，快速组装)，如下图4所示。

图4 弹性概念示意图

案例研究

  提出的解决方案是一种非常轻巧紧凑的设计，通过使用聚酰胺(例如Nomex®)等高温绝缘材料，并配置为单相变压器，以方便快速运输和灵活部署现场。

   通过运输填充变压器绝缘液(包括合成酯，例如midl®7131)和使用可插拔套管和电缆连接，可以缩短安装和调试时间。经验表明，一个300MVA的自耦变压器设置有三个单相单元，可以在30个工作小时内通电。

   这个概念已经很好地建立了大型输电变压器(高达345kV和400MVA)，遵循模块化架构和“即插即用”概念，允许最大的灵活性，而不会损害变压器尽快恢复电力的目的。

   弹性概念的逻辑进一步发展是将即插即用概念扩展到发电机升压(GSU)变压器。这样的解决方案可以运输充满合成酯(midl®7131)，并在许多不同的位置使用，由于非常紧凑的设计，变压器最热的部分使用Nomex®(芳纶)绝缘。根据配置的选择，运输重量从51吨到100吨以下不等。弹性GSU解决方案由三个单相-60Hz 83.3MVA的单元组成。

图5  250MVA弹性GSU的可用工作电压

   弹性装置的快速部署包括装运准备、设备和油的运输、现场卸载、小型装配、油处理和测试。由于创新的设计，这些活动可以在很短的时间内完成，从而减少了总停机时间。

图6 组合式弹性GSU变压器

7  结论

   大型电力变压器通常充满可燃液体，对操作人员构成真正的环境和安全风险。这些风险可以通过不同的措施来降低，运营商可以根据他们对风险的容忍度以及公司内部安全和环境目标进行选择。实施上述所有降低风险的措施，将大大改善安全和环境风险，对提高运行安全性有很大帮助。与目前市场上可用的大多数解决方案一样，风险无法完全消除，因此仍然需要以可快速部署的替换变压器的形式制定应急计划。当故障确实发生时，通常需要有一个可以在短时间内组装、运输和安装的替换变压器。这些替换变压器有时需要安装在故障单元附近，因为地基可能因火灾而损坏，或者故障单元可能可以修复，也可能在现场维修。这就要求替换单元要灵活，这样它就可以在没有基础的情况下部署，并且有方便的电缆连接，这样它就可以绕过故障的变压器。