摘要：当变压器内部因电弧故障使绝缘液汽化膨胀时，就会发生油箱破裂。这会导致变压器油箱内的压力增大。电弧故障的位置、持续时间和大小对变压器油箱内压力升高的大小有很大的影响。内部电弧故障产生的压力波的动态放大作用在油箱破裂中也起着非常重要的作用。内部电弧故障的动态作用可

1. 概述

当变压器内部因电弧故障使绝缘液汽化膨胀时，就会发生油箱破裂。这会导致变压器油箱内的压力增大。电弧故障的位置、持续时间和大小对变压器油箱内压力升高的大小有很大的影响。内部电弧故障产生的压力波的动态放大作用在油箱破裂中也起着非常重要的作用。内部电弧故障的动态作用可导致非常高且短暂的局部高压，比气体膨胀引起的持续时间较长的静态高压要高出很多数量级。

现有的IEEE标准仅提供了关于如何在正常工作条件下和现场真空注油条件下变压器油箱结构的指导。该标准不涉及异常情况，如内部电弧。

从理论上讲，变压器油箱可以承受由内部电弧更坏的故障产生的压力。但是，这样会使变压器油箱变成压力容器。由于并非所有的内部电弧故障都是高能故障，因此，若对变压器油箱进行小的改进可以显著提高油箱的强度，则无需将变压器油箱变成压力容器。这些改进将提高油箱承受低能量电弧故障的能力。

减压装置在保护变压器油箱免受低能量电弧故障的影响方面一直被证明是有效的；然而，装有减压装置的变压器仍然会发生破裂。这表明这些装置可能不适用于高能电弧故障。电弧故障的位置也是一个关键因素。1958年通用电气公司进行的一项试验说明了这一点，一台顶部可打开的变压器，在变压器油箱底部附近发生电弧故障时，油箱破裂了。

一种新的减压装置已经开发出来，经过测试，表明能够保护高达20MVA的变压器免受能量高达2.4MJ的内部电弧故障的影响。这种新装置由一个巨大的爆破片组成，该爆破片安装在变压器油箱壁上，并可将内部电弧故障产生的油和气排放到一个单独的容器中。设计中还包括其他预防措施，如关闭阀，防止储油柜中的油流入变压器油箱，氮气注入变压器油箱，以减少产生爆炸性环境和火灾的风险。本产品适用于1000MVA甚至更大的变压器。

讨论了改进电气保护以减少内部电弧故障的切断时间，从而降低电弧能量以及减小允许故障电流的方法。这些方法是从电气的角度而不是从机械的角度来解决变压器油箱破裂和缓解问题的。

魁北克水电公司开发了一种变压器油箱耐受压力公式，该公式已作为新变压器规格的一部分。该公式考虑了变压器可能遇到的故障级别、变压器的大小以及内部电弧故障的动态影响。魁北克水电公司发现，变压器制造商越来越多地参与到这个问题中，将促进新的变压器油箱设计。目前这方面的工作还不多。

还讨论了天然酯类绝缘液。结论是，实验室测试不能复制现实运行条件，也不支持这些液体不会因内部电弧故障而汽化的说法。然而，天然酯绝缘油具有非常高的燃点，这是非常有利的。当油箱破裂时这些液体被释放时，较高的着火点降低了发生火灾的可能性。如果被点燃，产生的火焰将更容易控制。天然酯绝缘油的另一个优点是其可生物降解性，减少了油箱破裂对环境的影响。

对气体绝缘变压器也进行了讨论。这些变压器中使用的SF6气体是可压缩的；因此，与充油变压器相比，变压器内的压力上升非常低。这使得由于内部电弧导致变压器油箱破裂的可能性非常小。S6F气体也是不可燃的，从火灾的角度来看，这使得变压器本质上更安全。

本文的目的是提供所有现有的方法和技术的描述，以防止或减轻变压器油箱破裂。本文不认可任何特定的产品或方法。这取决于变压器业主选择最适合自己的情况的最合适的方法或技术。每一种方法或技术在防止或减轻变压器油箱破裂方面都有各自的优缺点，效果也各不相同。

2. 变压器油箱破裂现象

充油变压器内部电弧故障会在变压器油箱内导致压力上升。这是由内部电弧使油蒸发并产生迅速膨胀的气体引起的。压力上升的大小将取决于电弧电流的大小、电弧持续时间和电弧位置。

产生内弧的典型原因有匝间故障、换位故障、饼间故障、引线对油箱故障和高压引线故障。这些故障按电弧能量增加的顺序排列。最坏的情况，内部电弧是由高压引线故障引起的。由于绕组的阻抗，绕组内发生的电弧具有较低的电弧电压和较低的电弧电流。

对于275kV级变压器高压引线处发生的内部电弧故障，已计算出气体产生率为500ml /kW·s(常压和2000K情况下)。

内部电弧故障产生的压力波引起变压器油的运动对油箱承受电弧引起的压力的能力起着重要的作用。这种动态效应导致持续时间很短的非常高的局部超高压力。SERGI对大型油浸式变压器的测试表明，局部压力超过14巴，持续时间小于60毫秒。这些局部压力以25 bar/s到5000 bar/s的速率发展。

当静压上升和传播压力波的动态作用的综合作用超过变压器油箱的机械强度时，就会发生油箱破裂。

实验研究表明，变压器油箱承受这种动压上升的能力还取决于油箱的膨胀特性和油箱容积。

油箱破裂将可燃气体和变压器油以雾状和液态形式释放。这种情况经常发生，但并不总是导致火灾。

3. 变压器油箱破裂统计

A. EPRI项目3212-1“电力变压器油箱破裂：风险评估和缓解”

1991年，美国电力研究所(EPRI)与西屋科技中心、匹兹堡大学和ABB电力输配电公司共同发起了对电力变压器油箱破裂的研究。EPRI项目收集并分析了42例变压器油箱破裂故障的案例历史矩阵，见表1。

表1 EPRI项目3212-1收集的变压器破裂历史案例

这些数据是在十年期间(1980-1990年)从22家公司收集的，作为“代表性故障”，通过调查和电话采访，以获得故障的细节，以支持调查的回应。案例历史包括变压器油箱破裂或变形但没有破裂。它们涉及七家变压器制造商产品的故障。

该项目的主要目的是了解与内部故障相关的油箱破裂过程。因此，团队检查了参数，如电弧电压、电流，作为时间的函数，以及系统特性。该团队还开发了工具和方法来评估油箱设计的破裂特性。此外，他们还研究了几种油箱设计，通过改变参数来确定油箱破裂的影响。

以下是本文的部分结论。

1)历史案例数据证实，电弧能量是油箱破裂的关键参数，变压器设计和应用的差异不是油箱破裂的主要判别因素。

2)通过提高油箱的极限破裂压力和油箱的柔韧性，可以提高油箱的故障能量容量。油箱破裂时的压力可以通过局部加强薄弱点来增强，而油箱的灵活性可以通过用一些较小的梁代替大梁来增加(在给定的应力水平下允许更大的挠度)。

3)储油柜或辅助油箱进行排气，对严重故障(电弧功率大于300MW)，效果不明显。

图1 油箱变形破裂随故障电流和故障持续时间的函数图

B. 魁北克水电公司变压器故障统计

魁北克水电公司对其735kV输电系统进行了25年的故障统计，记录了175次故障，111次高能电弧。这些导致44个油箱破裂，其中18个导致火灾。这些统计数据如表2所示。

表2 魁北克水电公司735kV变压器故障

这些统计数据表明，涉及高压套管或绕组的故障最有可能导致变压器油箱破裂。

统计数据还表明，并非所有的油箱破裂都会导致火灾。高压套管故障引起的油箱破裂是最容易引起火灾的。这种故障模式被魁北克水电公司认为是最坏的情况。

魁北克水电公司对电弧能量和油箱破裂以及由此引发火灾的可能性进行了比较(见表3)。对比显示，在700kV电压下，8.5MJ及以上的电弧能量会导致油箱破裂。这与EPRI的调查结果相当，该调查显示，在电弧能量为5MJ或更高时，油箱很可能发生破裂。魁北克水电公司发现，电弧能量与油箱破裂后发生火灾之间没有明显的相关性。

表3 电弧能量与油箱破裂和由此引起的火灾的关系

4 现行IEEE关于变压器油箱破裂的标准

IEEE C57.12.00《液浸式配电变压器、电力变压器和调压变压器的通用要求》和IEEE C57.12.10《230及以下变压器的安全要求》是两个标准，讨论了与变压器油箱破裂有关的问题。

本文总结了这两个IEEE标准的要点。

•在额定条件下，变压器油箱内的最大工作压力不允许超过2.03 bar。否则，油箱必须按照ASME锅炉和压力容器规范的要求建造和处理为压力容器。

•变压器油箱应能承受超过最大工作压力25%的压力，且无永久性变形。

•绝缘等级为350kV及以上的变压器油箱，以及所有额定10000kVA及以上的变压器，都要求能承受全真空。这是为了适应现场变压器的真空注油。

•所有变压器箱上都应有焊接的箱盖。箱盖应该有一定尺寸的手孔或人孔，这取决于检修孔的形状是圆形、矩形还是椭圆形。

•所有2500kVA及以上或绝缘等级200kV及以上的变压器的箱盖应安装减压装置。

•如果变压器装有有载分接开关，并且切换分接开关有与绝缘流体直接接触的元件，则这些元件应位于单独的油室中，密封方式应防止油室和主油箱中的变压器油连通。

•需要进行设计验证，以证明特定的变压器油箱类型、样式或型号是否足以满足C57.12.00中列出的压力要求。这些设计试验是在有代表性的变压器上进行的，一旦设计得到验证就不必再重复。

需要注意的是，C57.12.00和C57.12.10给出了变压器油箱在正常运行时预期能满足的压力要求。它不提供异常情况下的压力要求，如内部电弧故障。

5 防止变压器油箱破裂的方法

以下几种方法可以减少或消除变压器油箱破裂的危险。

A. 改进的变压器油箱结构

在变压器矩形油箱中，内部电弧故障时最容易失效的点按弱点从小到大排列:

1）箱盖与箱沿处的焊缝;

2）箱壁拐角处焊缝;

3）箱壁与箱底处的焊缝;

4）升高座和电缆盒处的高应力点;

5）箱壁侧壁端部和箱盖加强处的高应力点

矩形油箱的承受压力约为140~210kPa。圆筒形油箱能够承受大于350kPa的高压。这些压力都小于高能量内部电弧故障所产生的压力。

构造一个能够抵抗在更糟糕的内部电弧故障(涉及高压引线的电弧故障)期间产生的压力的变压器油箱是有可能的。但是，这种油箱必须是一种压力容器，因此必须接受每个国家管辖机构的检查和测试要求。此外，这样的变压器一些简单的操作，如取油样，仪器和传感器的重装，甚至为防坠落而附加的安全点保护，都将变得更加复杂。一个能抵抗电弧的油箱也会使变压器成本显著增加和溢价。

由于并非所有的内部电弧故障都像高压引线处电弧故障的那样严重，因此可以改进变压器油箱的结构，使其能够更好地抵抗较小能量级的内部电弧故障的压力，而不必将油箱变成压力容器。其中一些方法将被描述。

在735kV系统发生一系列变压器故障后，魁北克水电公司与ABB公司在1984年至1987年间进行了联合调查。本研究项目的一个发现是，焊接式箱盖比螺栓连接式箱盖更能抵抗油箱的破裂。C57.12.10现在要求在230kV及以下的所有变压器上都要采用焊接的箱盖和箱底。

然而，箱盖的焊接边缘是应力最高的区域。这些焊缝的质量和状态对油箱承受内部电弧故障产生的压力的能力至关重要。通常采用全渗透焊接。对这些焊缝进行成形无损检测是确保高质量焊缝存在的好方法。

使用拱顶箱盖代替平顶箱盖也能增加变压器箱的强度。拱顶箱盖还有一个额外的优点，即防止水的积聚，从而防止箱盖及其焊缝生锈。

加强铁也可用于增加油箱侧壁和箱盖的强度。然而，应该理解的是，这些支架末端的焊缝是高应力区域，这些焊缝应该是高质量的，以避免损害油箱的强度。也可以通过安装另一个垂直于加强铁的支撑来减轻加强铁末端的应力(见图2)。

图2提高油箱强度的方法

可额外对壳式变压器箱盖、箱底连接处进行加固，如图2所示。

如果在箱盖上开有手孔或人孔，则应仔细评估这些开口的大小和位置，以确保这些开口不会降低箱盖的强度。这些开口可能需要加强，也可以对箱盖进行支撑，以补偿由于这些开口造成的强度降低(见图3)。

图3 箱盖支撑

油箱壁接缝的焊接方法对油箱的强度也有重要影响。焊接的接头所产生的应力要高于折弯形成箱壁拐角的单个钢板(见图4)。因此，与将四块钢板焊接在一起形成油箱壁相比，通过钢板折弯形成油箱壁并进行一次焊接的结构，可以构造更坚固的油箱。然而，根据油箱的大小，用一块钢板形成油箱壁可能是不现实的。

图4 箱壁接缝加工方法

带储油柜变压器油箱中的空气空间，也可用来提供一种吸收内部电弧故障期间的一些压力上升的手段。这将要求储油柜和主油箱之间的连接管道的尺寸和长度具有一定的大小。一般来说，截面积大的短管(直径约500~1000mm)是最有效的。储油柜内的空气空间也需要足够大以吸收压力上升。

虽然通常认为制造一个能够抵抗内部电弧故障最坏情况的变压器油箱成本过高，而且不切实际，但仍应鼓励变压器制造商考虑新的油箱设计，以提高其抗电弧能力。这是因为当所有其他缓解和预防破裂的方法都失效时，油箱设计至关重要。为了鼓励这一点，魁北克水电公司开发了一个公式，规定了变压器油箱压力承受能力。

式中

Ps 计算的油箱压力(kPa)

E 可承受的故障能量等级（KJ）

K 电弧能量转换系数(=5.8×104 m3/kJ)

C 油箱膨胀系数(m3/kPa)

V 主油箱的油量(m3)

F 动态放大系数（见图5）

包括耐受压力公式作为变压器规格的一部分，将激发新的和创新的油箱设计概念，如双层箱壁设计或其他类似的概念。目前在这方面的工作很少。

目前的油箱设计在700kV时可抑制高达10兆焦耳的内部电弧能量，在230kV时可承受15000MVA的短路容量。

B. 减压装置

缓解因内部电弧故障引起的变压器油箱内部压力有助于防止油箱破裂。早期的减压装置由位于“鹅颈”末端的爆破片组成(鹅颈是垂直的管道，弯曲的一端连接到主油箱上——见图6)。

图6 鹅颈末端爆破片

这些早期减压装置的问题在于鹅颈的长度，这可能会引入反压力，从而阻止爆破片的工作，而且在爆破片工作后，变压器油箱相当于是敞开的。

为了解决这些问题，开发了一种新的可再密封减压装置。这种可重新密封的装置直接安装在变压器箱上。该装置目前广泛使用，是安装在所有大于2500kVA的变压器上的主要减压装置类型(符合IEEE C57.12.10要求)。

然而，即使安装了这些减压装置，变压器油箱破裂仍在发生。那么，这些减压装置是否有助于防止油箱破裂呢?有证据表明，减压装置已经成功地防止了数以千计的变压器油箱因内部电弧、断路器绝缘击穿、有载分接开关问题、相位调节器问题和内部绕组问题等事件而破裂。然而，减压装置保护变压器油箱不破裂的能力取决于内部电弧故障的位置、大小和持续时间。1958年在斯克内克塔迪通用电气公司进行的两次试验说明了这一点。

在第一次测试中，在一个直径6英尺、深4英尺的油箱的箱盖中央安装了一个减压装置。油箱里装满了700加仑的油，盖下有10英寸的空气。铜电极与铜线螺纹被用来触发在油中的电弧。最高电弧电流为25kA，电弧电压为20kV。减压装置成功地保护了油箱和变压器油，烟雾和油雾被喷洒到半径40英尺的范围内。

在第二次试验中，在变压器底部触发电弧电流为10kA，电弧电压为10kV的内部电弧，并将变压器的箱盖从油箱上取下。即使油箱的整个顶部打开，可以释放压力，电弧还是导致油箱底部破裂。

第二个测试说明了内部电弧问题的复杂性，并表明内部电弧过程中产生的传播压力波的动态影响可能导致非常大的局部超高压力，并且可能无法得到充分缓解。

应该指出的是，减压装置在防止油箱破裂方面的成功主要归功于较小的变压器油箱。对于较大的油箱，计算表明，在减压装置动作之前，峰值压力和变形已经发生。对于低能量故障，油箱足以容纳压力，减压装置仅有助于释放残余压力。

C. 现有的爆破片(“变压器保护器”)

SERGI开发了用于保护变压器油箱的初始爆破片的主要改进。[4]在对充油变压器内部电弧故障进行了广泛的建模和全尺寸试验后，研究出了一种在变压器内部电弧故障后对油箱进行减压并防止油箱破裂的技术。

2004年，对3台6、10和20MVA大小的变压器进行了全尺寸测试。这些变压器经历了34次电弧故障，电弧电流高达15kA，电弧能量高达2.4MJ。这些试验是在电弧故障位于变压器器身底部的情况下进行的，减压设备位于对面的油箱壁上。

电弧产生动态压力峰值，在变压器油内以声速(1200m/s)传播。这个动态压力峰值触发了“减压装置”(图7中的项2)。减压设备由一个安装在油箱壁上的大型爆破片(图7中的项目1)组成。爆破片的作用是将变压器油箱中的油气排出到油气分离罐(图7中第3项)中。油气分离罐通过单向空气隔离阀将可燃气体排出到安全区域。单向隔离阀防止空气进入分离罐并产生爆炸性或可燃气体。在储油柜与主油箱之间的连接管中还安装有阀门。当减压装置启动时，这个阀门将自动关闭，以防止储油柜中的油流入油箱。这降低了油箱内燃油起火的风险。氮气也可以手动或自动注入变压器油箱底部和油气分离罐底部(图7中第4项)。氮气的注入使变压器油箱和油气分离容器内减少了火灾和爆炸的风险，特别是当事故发生后打开油箱进行调查时。氮气的注入持续45分钟，以冷却油并防止着火。多余的氮气通过油气分离器排出。

图7变压器带有油箱快速直接减压装置

可在充油电缆盒上安装额外的减压装置(图7中第5项)。

防止油箱破裂的关键在于减压装置在几毫秒内被冲击波的第一个动压力峰值激活，防止变压器在静压增加之前爆炸。

减压装置的直径根据变压器额定功率和变压器功能(发电、配电或输电)单独确定尺寸。

有趣的是，魁北克水电公司1984-1987年与ABB的联合研究项目也得出结论，变压器油箱与其散热器和储油柜之间的连接管道工程上应配备防止油箱破裂时漏油的装置，并降低火灾风险。

D. 电气保护

来自EPRI和Hydro Quebec的失效统计数据表明，油箱破裂是电弧能量的函数。因此，减少故障排除时间和降低电弧能量可以降低油箱破裂的风险。魁北克水电公司已经将其735kV系统的故障排除时间从平均3.5个周期减少到不到3个周期，这是他们减少油箱破裂努力的一部分。

限流熔断器和其他限流装置也可用于减少低到中压变压器的故障排除时间。目前有几家配电变压器制造商为此目的生产带有整体式限流熔断器的变压器。

E. 系统设计和可用故障级别

另一种减少油箱破裂风险的方法是设计电气系统，使变压器暴露的可能故障水平降低。这本质上限制了内部电弧故障期间可以释放的电弧能量。使用限流电抗器、高阻抗电缆和高阻抗上游变压器是降低变压器暴露故障水平的一些典型方法。

F. 改进变压器设计(器身部分)

变压器油箱破裂是由变压器内部绝缘故障导致的电弧引起的。内部电弧故障的风险可以通过确保变压器的器身部分(相对于油箱)没有可能导致内部电弧故障的设计弱点来降低。这可以通过增加爬电距离、电气间隙、降低电气应力、安装相间隔板以及在可能发生内部电弧的区域提供额外的绝缘来实现。作为魁北克水电公司降低735 kV系统变压器故障风险工作的一部分，该公司与变压器供应商合作，改进变压器的设计，以降低内部电弧的风险。

然而，这并不能排除所有内部电弧故障的发生，因为针对所有内部故障进行设计在经济上是不可行的或不切实际的，这种方法也不能保证变压器的绝缘强度随着变压器的老化而保持高水平。

G. 天然酯绝缘油

与矿物油(燃点165℃)相比，天然酯绝缘油具有更高的燃点(360℃)。这使得天然酯绝缘油更难点燃，一旦点燃，也比矿物油更容易熄灭。在油箱破裂的情况下，这在最大限度地降低火灾风险方面是一个明显的优势。

在实验室进行的试验表明，施加600次循环的480V、3000A的电弧源不足以点燃天然酯绝缘油。然而，这种电弧源并不能代表由断路器保护的大型电力变压器中所经历的典型电弧能量。这些变压器在几个循环中可以看到高达100MJ的电弧能量，而在实验室测试中使用的电弧源在600个循环中电弧能量为14.4MJ，或在5个循环中电弧能量为0.12MJ。

在这一领域需要进行更多的研究，同时也需要对使用天然酯绝缘油的大型电力变压器进行监测，以确定使用天然酯绝缘油是否会降低油箱破裂的风险。到目前为止，只能说天然酯绝缘油降低了油箱破裂后的火灾风险，但不能结论性地说天然酯绝缘油降低了油箱破裂的风险。

天然酯绝缘油的另一个优点是它们的生物降解能力。这将最大限度地减少油箱破裂释放绝缘油对环境的影响。

H. 气体绝缘变压器

在变压器中使用SF6气体代替油或其他流体将消除变压器油箱破裂的风险。SF6气体是可压缩的，在内部电弧故障时，变压器油箱内的压力上升很低。下图(见图8)比较了绝缘油变压器(OIT)和类似尺寸的SF6气体变压器(GIT)的压力上升与故障持续时间的关系。该图显示，当故障持续超过1秒时，GIT中的压力上升远低于油箱强度。

图8 绝缘油变压器与气体绝缘变压器的升压比较

使用GIT还有另一个好处。SF6气体是不可燃的，所以即使发生变压器油箱破裂，SF6释放的气体也不会造成爆炸或火灾的危险。

第一台GIT是在1967年制造的，到今天有几千台在服役，从配电变压器到400MVA, 345kV的变压器。这些装置主要用于城市地区的地下变电站，在这些变电站中，变压器采用不易燃、不易爆的绝缘介质是有利的。

该变压器技术的其他一些显著设计特点是使用塑料薄膜、芳纶纸和纸板作为固体绝缘介质而不是传统的牛皮纸，并利用高SF6压力(高达0.5 MPa)来实现更高的冷却和更好的绝缘性能，用于更大容量，更高电压的GIT。

I. 状态监测

使用状态监测工具，如气体在线监测仪，进行常规油中溶解气体分析和其他在线测试，在防止变压器油箱破裂方面的有效性不应被忽视。[10]良好的状态监测使业主能够确定何时可能发生内部电弧故障，并在油箱发生破裂之前将变压器停机进行调查和维修。

6 结论

变压器油箱因内部电弧故障而破裂是一个复杂的问题。变压器内的压力上升既受电弧故障产生的气体膨胀的影响，也受传播的压力波与变压器油箱及其内部元件的相互作用的影响。压力上升的严重程度与电弧位置、电弧电流、电弧持续时间以及油箱容积和油箱膨胀特性有关。IEEE目前还没有标准提供变压器油箱破裂缓解的指导。

可以通过对油箱进行小的修改来降低变压器油箱破裂的风险，而不需要将油箱变为压力容器。传统的减压装置也被证明有助于保护变压器油箱免受低能量内部电弧故障的影响。改进的电气保护和电气系统设计也可以通过减少内部电弧故障时可用的电弧能量来帮助防止油箱破裂。

使用高燃点、可生物降解的天然酯绝缘油将通过降低由此引起的火灾和环境污染的可能性来减少油箱破裂的后果;然而，还没有证明这些绝缘油是否会防止油箱破裂。

使用GITs将消除由于绝缘气体的可压缩性而导致油箱破裂的风险。一种新产品已经开发出来，经过测试表明，当电弧能量高达2.4MJ，电弧故障高达15 kA时，它能够防止20MVA的充油变压器油箱破裂。

来源：虹电力