换流变储油柜胶囊综合改进技术研究

2020-07-22张启浩马小兵冯宇徐杰海马正霖王小岭

电器工业 2020年7期

张启浩马小兵冯宇徐杰海马正霖王小岭

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局 2. 南通世睿电力科技有限公司）

0 引言

变压器储油柜是大型油浸式变压器最重要的部件之一[1]，主要作用首先是补偿绝缘油因温度变化而产生的体积膨胀或收缩，其次是将绝缘油与空气和水分隔离，防止绝缘油吸湿和氧化，其运行情况至关重要。目前常用的储油柜按照原理大致可分为以下四种：敞开式储油柜、胶囊式储油柜、隔膜式储油柜、金属波纹式储油柜[2-3]。

胶囊是胶囊式储油柜必不可少的重要组件，经呼吸器联管与大气相通，胶囊浮在储油柜内油面上，当油面随温度变化上升或下降时，胶囊也随之收缩或膨胀，起到了呼吸和隔绝绝缘油与空气接触的作用。

目前，国产储油柜胶囊类型多为圆柱形胶囊，也称为手工胶水粘接胶囊。手工胶水粘接胶囊采用刮胶涂布后手工粘贴工艺生产，需要使用溶剂和滑石粉等辅助材料，作业环境恶劣、刺激性气味重，产品内的滑石粉对变压器油有污染；胶布搭接强度低，接缝处由于人工操作分散性会导致细微漏点，无法保证质量一致性，容易在接缝处发生漏气现象[4]。

而在直流输电工程中，换流变压器由于负荷重，功率变化大，油温高，随之产生的油位波动也较大，胶囊呼吸频繁、剧烈，对换流站储油柜胶囊的性能要求较高，近年来换流变运行过程中储油柜胶囊暴露出了一系列问题[5-6]：

（1）胶囊破损

胶囊剧烈呼吸时更容易出现故障，故障原因多为磨损、戳坏、撕裂、涨裂等，进而发生漏油现象，导致胶囊失去呼吸补偿的功能。胶囊破损后，当变压器内温度升高，油受热膨胀，油面上升时，由于变压器油可以进入胶囊内部，胶囊不会随液面上升而收缩，胶囊将浸在变压器油中，压住油位计浮球，油位计示数不能准确地指示油位，始终处于低油位状态，形成假油位；并导致不同程度的油质劣化。

（2）胶囊底部容易产生褶皱

胶囊设计要求为展开体积接近储油柜体积，当储油柜中有油存在时，胶囊展开体积普遍大于储油柜有效展开空间，胶囊出现大量的底部褶皱情况，有可能压住油位计连杆导致假油位；裹住浮球导致连杆折断。

本项目针对直流输电系统中换流变的运行特性，以解决上述问题为目标，研制一种抗磨损、抗撕裂能力更强，耐老化能力更优，在储油柜内不会裹住浮球的新型龙骨胶囊；并设计全透明储油柜，用于进行胶囊运行可靠性研究。

1 胶囊运行可靠性研究

1.1 透明储油柜

变压器储油柜均为不透明的密闭腔体，无法观察到胶囊运行状态；且出现异常时只能通过油位计观察到油位异常，无法观察到异常的过程。为进行胶囊可靠性研究，模拟胶囊运行状态，直观研究油位、胶囊、浮球在储油柜中不同阶段的形态，分析胶囊运行问题和薄弱点、进行研发产品验证，我们设计研制出全透明储油柜（见图1），储油柜体积约为900L，等同于31500kVA/110kV变压器储油柜容量，配套整体成型胶囊尺寸为1316mm×2516mm。该透明储油柜能够加速运行，缩短试验时间，模拟短时间油位急剧变化时各部件的运行情况。

储油柜循环试验采用PLC程序自动控制[7]，将油位计以及压力传感器作为信号输入，通过反馈的高低油位信号，控制水泵上下水运行，从而模拟实际情况，不间断地进行胶囊收缩、膨胀试验；通过调节水泵频率可以加快循环时间，验证极端运行条件下的储油柜及胶囊的可靠性。此循环系统可调节的最快的循环参数为8min一次循环。

1.2 胶囊运行形态研究

胶囊在储油柜中的工作原理：柜体与胶囊间充满变压器绝缘油，胶囊通过呼吸管及连接的呼吸器与大气连通，储油柜内变压器油通过主联管与变压器油箱内部连通，当变压器内变压器油由于热胀冷缩作用，使储油柜绝缘油体积发生变化，胶囊浮在油面上，随着油面上升或者下降进行排气或吸气（见图2、图3、图4）；同时油位计的浮球亦随油位上下浮动（见图5），从而带动油位计指针转动显示油位。

按照正常运行时胶囊平均一天5次的呼吸频率，三年的呼吸次数为5480次，在进行胶囊运行可靠性研究时我们设计为模拟胶囊三年的运行周期即循环次数为5500次。循环参数设定为10min一次循环时，试验结果显示胶囊稳定运行，未出现异常。

1.3 胶囊运行异常

在进行胶囊运行可靠性试验时，设定循环参数为8min一次循环，运行次数约为4500次时发生连杆弯曲的现象。检查胶囊发现胶囊底部与浮球接触位置有皱褶现象，浮球由于连杆弯曲造成一直位于低油位，实际液位为高油位，在油位计信号和压力传感器液位信号双重作用下，储油柜一直保持高液位，如图6、图7所示。为验证该试验的可靠性，我们设计了一组重复试验，试验过程中发现运行2200次时胶囊下层布裹住浮球，连杆先出现轻微弯曲，继续运行后连杆弯折程度增大，循环运行三次后，连杆折断，该现象符合实际运行时胶囊布一旦裹住浮球，连杆先出现弯曲再折断的现象。

该试验模拟的是油位瞬时变化的情况，这种情况只会出现在变压器非正常运行油位急剧变化、且位于高油位时，变压器正常运行时，胶囊膨胀和收缩非常缓慢，加速模拟未出现异常。当采用注油排气法操作时，液位到达最高位或以上时，液位压差较大，液体下泄回流速度相对较快，在液面下降过程中，浮球附近胶囊会随液面快速下降，同时胶囊重力会压迫浮球随液面下降，但由于作用力与反作用力的原理，即浮力会反方向阻止浮球的下降。因此，在高位开始下降的瞬间，浮球附近的胶囊会先于浮球下降，从而产生褶皱、包裹，初始褶皱包裹较小，如果此时控制液面下降速度，浮球能够慢慢滑出褶皱包裹，随着液位下降，褶皱会慢慢消失，但是如果液面下降速度过快，褶皱有可能会越来越大，使得浮球承受侧向的力，形成弯矩使连杆弯曲折断。

两次试验我们发现异常现象出现时间并不固定，存在偶发情况，无法提前预测，但一旦发生，就会出现连杆弯折的现象，进而发生断裂，导致假油位现象。

2 新型龙骨胶囊的研制

鉴于传统胶囊运行过程中存在的问题，我们从胶囊设计、材料、工艺等方面入手改进，研制一种抗磨损、抗撕裂、抗压能力更强，耐老化能力更优，在储油柜内不会裹住浮球的的新型龙骨胶囊。

2.1 双面异种胶复合胶布结构

胶囊实际应用时，外侧接触变压器油，内侧接触空气，传统国产胶囊布内外两层均采用同一种胶料——丁腈橡胶。

丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈两种单体聚合而成的橡胶材料。丁腈橡胶[8]中的腈基极性非常强，且属于高能的基团，因此丁腈橡胶的极性非常强，具有优异的耐油性能。但同时丁腈橡胶是极性不饱和碳链橡胶，其耐热性，耐氧化性和耐臭氧性能较差，可通过橡塑共混的方式改善上述问题。NBR与PVC溶度参数接近，具有很好的相容性，使用NBR/PVC共混制备的热塑性弹性体既具有 NBR 突出的橡胶弹性、耐油性, 又兼具 PVC 的可塑性、耐候性、耐臭氧性、耐化学品等特性，与纯丁腈橡胶相比，显著提高了物理机械性能、耐臭氧和耐天候性能[9]。

考虑胶囊的使用条件，我们设计采用“气面胶-布基骨架-油面胶”双面异种胶复合结构（见图8），取代行业现有的双面同种胶结构。主材选用NBR/PVC，内外壁材料设计不同配方，外侧胶料选择不易被油抽取的耐油性防老剂提高胶囊外壁的长期耐油性；内侧胶料采用物理防老剂与化学防老剂并用，综合作用保证内壁的耐热老化和耐臭氧老化性能。

两种配方的针对不同性能，设计更加合理，更加适应胶囊内外壁不同的使用环境，提高了胶囊运行时对内外两种不同介质的耐老化性能，大幅延长胶囊使用寿命。

2.2 胶布厚度

传统国产胶囊厚度在0.6～0.7mm，胶层较薄，长期运行过程中会出现胶囊外壁磨损漏油的情况。

我们通过增加胶层和纤维骨架厚度，将胶囊厚度控制在1.0～1.1mm范围内，既能增强胶布的强度，又能增加胶布的耐磨性，延长胶囊使用寿命。

2.3 整体成型工艺

国内首创胶囊整体成型工艺，采用大型设备高温高压整体硫化，压力贴合工艺，无需任何溶剂。一是生产坏境更加环保，不采用手工粘贴工艺中使用的滑石粉材料；采用新型隔离材料，完全保证了胶囊对变压器油零污染。二是增强了胶布之间的剥离、搭接强度，耐压性能更好。三是保证了胶囊产品质量一致性，彻底杜绝因人工分散性导致的质量隐患。整体成型胶囊与手工胶水粘接胶囊性能对比数据见下表。

2.4 唇边结构

传统国产胶囊采用无唇边设计，胶囊在呼吸运行过程中，胶囊外表面长期与储油柜内壁摩擦，容易造成胶囊外壁破损漏气（见图9）。

我们研究胶囊采用带唇边设计，唇边结构为30mm，唇边结构采用“＜”方式（见图10），运行过程中，唇边直接接触储油柜内壁与之摩擦（见图11），唇边胶布上无最低点，不会发生胶布中间断裂现象，且有效避免因储油柜内壁金属毛刺导致的胶囊破损。

表整体成型胶囊与手工胶水粘接胶囊性能对比

2.5 弹性龙骨

高油位时胶囊胶布褶皱多，展开困难，胶囊底平面与浮球接触，胶囊易裹住浮球或者压住连杆，导致假油位。为解决此问题，我们在胶囊底部采用龙骨设计（见图12），龙骨安装到胶囊本体上，能使胶囊下层胶布与浮球接触部分平整，容易展开，不会产生褶皱，包裹浮球，避免产生导致连杆弯曲或折断的侧向的力，杜绝假油位的现象，且龙骨安装在胶囊下层胶布外壁，即使龙骨发生破损，也不损坏胶囊。

龙骨材料应满足的性能：耐高温、耐油、不产生褶皱。考虑材料性能和加工工艺要求，选用板材和织物两种高分子材料作龙骨材料。板材龙骨刚性较大，抗折皱性好；织物龙骨弹性好，抗折皱性好。两种龙骨都能够增强胶囊底部与浮球接触部位的抗褶皱能力，杜绝胶囊裹住浮球现象的发生。织物龙骨的加工性要优于板材龙骨，我们研究确定采用织物作为龙骨材料，既可满足不产生褶皱的要求，又满足易于加工的工艺要求。