防止变压器爆炸的方法
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图片说明:在实验室中,SINTEF材料的油箱在200千伏安充油式配电变压器中产生短路。首先,短路在左图的标准箱内创建,右图则是在一个能量吸收箱中创建。在传统箱内,由于压力所致的破壁是由短路产生的气体所引起。新设计的箱则没有泄露。为了进行实验,我们采取了一个比实际变压器高的多的短路电流。图片来源:SINTEF
 
研究者相信,用于汽车溃缩吸能区(crumple zone)的技术可以避免变压器中的严重爆炸事故。
 
Håkon Nordhagen是挪威科技工业研究院(SINTEF,斯堪的纳维亚最大的独立研究机构)的材料专家,他说:“当发生严重问题时,变压器故障将危及人的生命。”
 
大型充油变压器存在于所有能源转换站,也存在于许多大型建筑中。如果变压器内部产生短路,将会形成电弧和气体,导致压力增加。
 
Nordhagen说,挪威因此类短路发生大爆炸的可能性较低。但这种事故一旦发生,就会造成生命和财产损失,因此,Nordhagen和他的同事现在希望供电部门采取安全措施,而这种措施已在汽车领域中使用。
 
Nordhagen说:“目前,变压器通常被安装在坚硬钢罐中。如果这种工业设计可以变为现代汽车中吸能的‘软’壳,就可以降低爆炸的风险”。
 
试点项目正在进行
 
将汽车工业技术应用于变压器外壳的想法已经在一个试点工程中实施,它是由SINTEF的材料专家和电力专家协作执行的。
 
大约4年前,该项目发起人开始寻求解决问题的方法。现在他们想获得该领域更多的基本知识,同时,四家挪威电力公司已经加入试点项目。
 
油雾膨胀
 
所有大型变压器采用油进行冷却和绝缘,这大大降低了能量损失,并提高了可靠性(相对于干式变压器而言)。对能源效率的重视,也会促使许多小型干式隔离变压器被充油变压器代替。
 
统计数据表明,在挪威约3000台变压器中,平均每年有15台会发生内部故障。这种情况下产生的电弧,会使油蒸发形成可燃气体。当发生较大内部故障时,气体剧烈膨胀,导致变压器油箱迅速形成强大的压力。
 
如果油箱破裂,可燃气体将会泄露。如果气体被点燃,就会发生爆炸,并且任何在变压器附近的可燃材料都可能被点燃。火也可能借助油箱内的油继续燃烧。
 
刚性材料的副作用
 
通常采用两种不同的措施以防止此类火灾和爆炸发生:
当内部发生短路时,变压器使用继电保护来切断系统内的动力循环,以此快速灭弧。
另外,变压器油箱使用焊接钢梁进行加固,以使其能承受更大压力,可以进行真空充油。
 
内部高压
 
但是Nordhagen指出,刚性材料通常具有副作用。
 
一方面,变压器油箱能够比未加固时承受更大压力。另一方面,当电弧燃烧时,引起油气压力急剧上升,而刚性材料的体积却无法扩展。
 
SINTEF的材料学家说,内部高压的害处表现在:
 
可燃气体和油料可从垫圈和渗透装置泄露,可能引起火灾和爆炸。另外,油箱内部的压力上升,将会增加油箱破壁的可能性。如果这种情况发生,螺栓、舱口盖和类似部件可能被巨大的力量顶出,当然这取决于内部气压有多高。
 
这就是Nordhagen和他的同事对“车身”代替方案如此热衷的原因。
 
能量吸收油箱
 
汽车车身采用软带来吸收碰撞所产生的能量。我们的想法是按照这种方式来设计变压器油箱,当内部压力增加时,油箱体积可以扩大,从而规避因膨胀导致的压力和材料薄弱处所产生的风险。如果碰撞在允许范围之内,那么变压器就有更多的时间来切断系统,从而防止发生破壁。这是完全有可能实现的,同时它能够确保容器具有足够的硬度,用以承受运输压力和真空处理。
 
近期启动的变压器安全试点项目的目的是为大型能力建设的主要项目做好准备。
 
Håkon Nordhagen说:“随着知识的完善和新数学模型的发展,我们能够弄清电弧物理现象、变压器油箱和电气保护系统之间的关系。这将为我们提供寻找安全和可靠解决方案的新方向。”(科学之家,译审:XQ Chen)

文章来源: http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150108092050.htm
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