一种变压器升高座电弧短路爆燃预防监测及设计改进方法与流程

本技术涉及特高压变压器的领域，尤其是涉及一种变压器升高座电弧短路爆燃预防监测及设计改进方法。

背景技术：

1、典型单相1000mva，1000kv特高压变压器在瓷套管下为与油箱器通过近似90度转弯连接的升高座及出线装置，与常规500kv及以下电压等级的电力变压器相比，1000kv特高压大型充油设备具有电压等级高、设备变压容量大(通常1000kv变压器单相容量可达500kv变压器的三相容量)、内部绝缘结构复杂，油箱体积大及充油量大等突出特点。典型单相1000kv特高压变压器线圈结构在电气上分为主体变，调压变及补偿变三部分。如图1所示。

2、由于特高压系统短路电流水平普遍要高于常规超高压500kv电力系统，最高三相对称短路及非对称接地短路电流可达到63ka，一旦内部出现带电体对接地金属外壳的接地故障，其电弧放电电流非常巨大，电弧温度非常高，可在极短的数个工频周波内，即十几到几十毫秒内，极高温电弧会分解周围的绝缘油，在诸如升高座及有载分接开关小室的狭小空间内产生大质量以及超高温度的可燃气体(瓦斯气体)。

3、近十几年来，特高压交流1000kv输电及特高压直流800(1000)kv系统得到了快速发展，建成及运行了非常多的特高压交流站及直流换流站，站内相应安装及运行了数量巨大的特高压变压器。近5年中，电网出现多次特高压换流变压器，和特高压交流变压器等特大容量的大型充油设备内部故障，主要为1000kv套管升高座及变压器有载分接开关小空间内部由于短路电流巨大的电弧短路导致了充油设备的爆燃事故，尤其是导致了油箱结构撕裂和爆炸起火事件，造成严重的经济损失和不良社会影响。

4、实际上国内外有很多研究电弧爆炸(electric arc explosions)的学术成就，主要是研究电弧在空气中，诸如电缆头短路爆炸，特别是在封闭的空间(closed volume)的金属封闭(metal enclosed)开关柜中的电弧爆炸问题，在电力运行系统中，有很多关于10-35千伏开关柜爆炸(实际金属封闭开关柜内通常装有压力释放装置)的公开事故报道和材料。

5、根据国内外的公开研究资料，大的电流在空气中电弧燃烧后，会制造压力，并在膨胀、扩张的弧道产生、制造出两个方面的物理作用，即制造冲击波和声波(the shock andsound waves)，由此在空气中电弧燃弧会在空气封闭体内制造巨大的压力。

6、国内外目前都认为关于这方面的研究现状是不彻底及不是详尽的。但总的原则及认识为：电弧电流大小与电弧等离子体温度正相关(我司针对几十安到三百安的电弧长时间燃弧试验也证明了电弧电流大到200-300安时，电弧发出耀眼白光及强烈的电弧燃弧声音，几十安小电流时电弧为红光，声音也为小的滋滋声，电弧温度差别巨大)，电弧电流足够大时会制造巨大的压力，会产生对建筑物及机械结构(例如空气封闭式开关柜及变压器等)产生损伤，以及伤害到附近的人员。

7、统计显示变压器电弧放电部位主要发生在变压器套管升高座以及有载分接开关油室等小空间内。由于这些部分通常电场分布复杂，导体、导线连接的接触点多，易发生过热，局部放电及局部接触不良等产生的小的电弧放电故障，并由此产生及积聚一些气体，气体升高至升高座顶端死角积聚，或随油流扩散到变压器主油箱，气体上升流入储油柜途中被瓦斯继电器发现进行了告警，同时积聚过多的气体后，升高座顶端的绝缘油被气体挤压占领，此空间出现无油或油气混合的绝缘空间，电气绝缘能力急剧下降，容易发生带电导体对接地壳体的放电短路故障，进而由于短路电流巨大的电弧燃弧短路导致了充油设备的爆燃事故，尤其是导致了油箱结构撕裂和爆炸起火事件。对其及时发现和及时检测是至关重要的。

技术实现思路

1、为了及时发现和及时检测特高压变压器油箱结构撕裂和爆炸的风险，本技术提供一种变压器升高座电弧短路爆燃预防监测及设计改进方法。

2、本技术提供的一种变压器升高座电弧短路爆燃预防监测及设计改进方法采用如下的技术方案：

3、一种变压器升高座电弧短路爆燃预防监测及设计改进方法，针对变压器升高座电弧短路爆燃预防监测包括至少获取s1-s3中一个信息，并执行s4步骤；

4、s1:获取特高压变压器的受力，基于对特高压变压器的受力计算，评估特高压变压器的油箱金属外壳、升高座的受力对应的破坏作用程度，其中破坏作用程度包括：正常可控和异常关注；

5、s2:获取升高座内瓦斯气体含量，并基于所述瓦斯气体含量，确定特高压变压器升高座内运行异常产生瓦斯气体的程度；其中瓦斯气体的程度包括：正常可控和异常关注；

6、s3:获取绝缘油温度，并基于所述绝缘油温度，确定升高座内绝缘油温度升高程度；其中绝缘油温度升高程度包括：正常可控和异常关注；

7、s4:当评估为异常关注，则基于异常关注信息进行调控分析，确定调控信息和警示信息；将所述调控信息发送至调控设备，和/或，将警示信息发送至警示设备。

8、通过采用上述技术方案，针对特高压变压器升高座内可能发生电弧短路爆燃的现象，进行特高压变压器的受力估算，或通过监控设备监测升高座内瓦斯气体含量、绝缘油温度等情况，通过评估后，针对异常情况，进而通过调控设备予以调控(启动强迫循环油泵，强迫油流流动，带走油中气体，消除局部气体积累)，从而预防爆燃的发生，通过警示设备将异常状态及时报警，便于提前控制，能够在出现异常时快速响应和处理，提高了干预措施的及时性。

9、优选的，s1步骤中包括：

10、估算短路电弧的电弧能量；获知特高压系统中当特高压变压器的升高座内部形成短路电弧时，一个周波工频短路电流电弧释放的能量情况；

11、估算电弧能量加热并分解绝缘油成为瓦斯气体的温度；获知操作时间内电弧能量加热和分解电弧周围绝缘油的温度升高情况；

12、估算电弧加热并分解绝缘油成为瓦斯气体的压力；获知在特高压变压器的升高座内部封闭空间的压强变化情况；

13、估算特高压变压器的升高座和油箱金属外壳产生的受力；据此受力分析特高压变压器升高座和油箱金属外壳在电弧燃弧作用下的突发性受力状况。

14、公开了通过短路电弧的电弧能量、电弧能量加热并分解绝缘油成为瓦斯气体的温度和压力的估算，进而估算升高座内部封闭空间的压强变化情况，通过压力估算及压力传导、压力破坏分析，解释及量化分析了变压器升高座内短路后的电弧能量能够制造足够的压力，在特殊的封闭结构下，能够将巨大的特高压变压器钢结构器身撕裂，估算方法对压力产生机理以及压力大小进行了估算，通过试验证明了短路电弧制造的压力可以达到器身正常压力的数百倍，也能反过来指导特高压变压器升高座内可能发生电弧短路爆燃的提前预警和干预处理。

15、优选的，在估算短路电弧的电弧能量步骤中：特高压变压器的升高座内部短路电弧的等值电弧电阻估算公式为：

16、

17、其中：r为等效电弧电阻，la为可能的电弧燃弧长度(单位为毫米)，isc为可能的短路电流(单位为安培)，66伏特为实验测量数据，(66v/254a)为实验数据电弧电阻值，(la/15)弧长比例值，为电流比例开方值，电弧电流越大，则等值电弧电阻会按照电流的开方值比例减小。

18、公开了等值电弧电阻估算方式，是计算瓦斯气体温度及压力的基础，是估算特高压变压器的升高座和油箱金属外壳产生受力的前提。

19、本技术在一较佳示例中可以进一步配置为：针对变压器升高座电弧短路爆燃预防的设计改进方法包括：特高压变压器的升高座呈水平管段与垂直管段，所述水平管段与特高压变压器的油箱金属外壳一侧壁连通，所述垂直管段的一端顶部密封且固定设置套筒；所述油箱金属外壳、所述升高座内部填充有绝缘油；

20、所述升高座内部设置有包裹在屏蔽管内的软导线、套设在所述屏蔽管外侧的绝缘纸筒，所述软导线、屏蔽管、绝缘纸筒的一端均经由所述水平管段延伸至所述油箱金属外壳内部，另一端延伸至所述垂直管段的顶部；

21、在所述垂直管段靠近顶端处设置有与所述油箱金属外壳连通的油路循环管路；

22、在该特高压变压器还设有用于检测的监测设备、调控设备、警示设备。

23、通过设置监测设备、调控设备、警示设备，以便于通过检测设备检测特高压变压器升高座内运行异常(气体产生、油温度异常)的情况，进而通过调控设备予以调控，从而预防爆燃的发生，通过警示设备将异常状态及时报警，便于提前控制。并且，设置了油路循环管路，便于升高座内部导体金属过热、局部放电等异常时形成的少量气体不再聚集在升高座的垂直管段的顶端形成气体腔，而是通过油路循环管路及时的向外溢出，进入油箱金属外壳内，以此消除局部绝缘由于结构末端气体积聚造成的绝缘降低及失效，产生电弧短路故障问题。

24、本技术在一较佳示例中可以进一步配置为：分析模块，用于基于监测设备的监测信息，确定特高压变压器中运行异常爆燃发生状况，其中，运行异常爆燃发生状况包括：正常可控和异常关注；

25、调控分析模块，用于当运行异常发生状况为异常关注时，则基于监测设备的监测信息的分析，确定调控信息和警示信息；

26、信息发送模块，用于将调控信息发送至调控设备，并将警示信息发送至警示设备。

27、通过分析模块分析监测到的信息、调控分析模块针对监测到的信息的情况分析确定对应的调控措施，并通过信息发送模块将其发送，以执行。

28、本技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述油路循环管路与所述垂直管段的连通口的高度小于所述所述油路循环管路与所述油箱金属外壳连通口的高度；

29、在所述油路循环管路上设置有用以获取升高座内瓦斯气体含量的监测设备轻瓦斯继电器，所述轻瓦斯继电器设置在倾斜管段处。

30、通过设置轻瓦斯继电器，能够在产生瓦斯气体后及时的检测到瓦斯，以便于尽早反馈并及时预防和处理。

31、本技术在一较佳示例中可以进一步配置为：该特高压变压器还设置有调控设备主动电动油泵，所述主动电动油泵设置在所述油箱金属外壳或升高座或油路循环管路内部。

32、通过设置主动电动油泵便于对绝缘油形成循环。

33、本技术在一较佳示例中可以进一步配置为：在所述升高座的侧壁上设置调控设备体积膨胀装置，所述体积膨胀装置包括膨胀容室，开设在所述膨胀容室靠近所述升高座的侧壁一侧的膨胀通道，通过所述膨胀通道将所述膨胀容室和所述升高座的内部连通，在所述膨胀通道上设置有易爆板，所述易爆板的爆裂阈值大于正常油压。

34、通过设置防止短路电弧燃弧产生的极高温度及极高压瓦斯气体的体积膨胀装置，当油箱金属外壳和升高座内部的压力明显高于正常油压，达到易爆板的爆裂阈值时，易爆板发生爆裂，导入高温高压瓦斯气体，利用气体积急剧膨胀体积后压力温度剧烈降低特性，从而实现瞬间的压力降低及减压、泄压。

35、本技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述体积膨胀装置设置有多个，不同所述体积膨胀装置的易爆板的爆裂阈值相同或不同。

36、公开了设置的体积膨胀装置设置多个时，易爆板的爆裂阈值的选择。

37、本技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述体积膨胀装置(9)在正常状态内部填充常压氮气。

38、公开了体积膨胀装置内平常充入氮气，防止普通空气腐蚀金属内壁及爆裂后能冷却高温瓦斯气体及高温绝缘油。

39、本技术包括以下至少一种有益技术效果：

40、1.本技术针对特高压变压器升高座内可能发生运行异常爆燃的现象，进行特高压变压器的受力估算，或通过监控设备监测升高座内瓦斯气体含量、绝缘油温度等情况，通过评估后，针对异常情况，进而通过调控设备予以调控，从而预防爆燃的发生，通过警示设备将异常状态及时报警，便于提前控制，能够在出现异常时快速响应和处理，提高了干预措施的及时性。

41、2.本技术对特高压变压器做了适应性的改进，通过设置油路循环管路，便于升高座内的导体金属过热或局部放电等异常产生的形成的气体不再聚集在升高座的垂直管段的顶端形成气体腔，而是通过油路循环管路及时的向外溢出，进入油箱金属外壳内，消除末端死角气体积聚造成的局部绝缘下降或失效问题。

42、3.本技术对特高压变压器做了适应性的改进，通过设置体积膨胀装置当油箱金属外壳和升高座内部的压力明显高于正常油压，达到易爆板的爆裂阈值时，易爆板发生爆裂，导入高温、高压瓦斯气体，利用气体积急剧膨胀体积后压力温度剧烈降低特性，从而实现瞬间的压力降低，进行减压、泄压。