排油注氮消防裝置檢修閥漏油故障分析

劉奕奕，李孟強，萬濤，吳俊杰，龔尚昆

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.武漢大學，湖北武漢430072)

0 引言

油浸式變壓器是變電站和發電廠的主要電力設備,長期運行過程中,由于鐵芯產生的持續高溫,以及短路、過電壓、絕緣老化等故障引起的突發性短暫高溫,因此變壓器油受熱分解產生氫氣和烴類等易燃氣體,這些氣體溶解在油中降低油的閃點,并隨著易燃氣體的增多,變壓器內部壓力劇增,導致油箱破裂甚至爆炸,可燃性油氣遇明火將迅速燃燒,嚴重危害電網安全和運行人員的人身安全[1-5]。因此,對油浸式變壓器開展消防設計,做到防患于未然具有重要意義。其中,變壓器排油注氮消防裝置以預防火災為主,能最大限度地控制變壓器火災并將其消滅在萌芽狀態[6-7]。

變壓器排油注氮消防裝置主要由可編程控制系統、消防柜、斷流閥、排油管路、注氮管路等組成,其中排油管路主要包括檢修閥、排油閥、排油閥的閥開檢測開關、閥關檢測開關等[8-9]。為防止閥門漏油,使用耐油、耐高溫性能良好的橡膠密封墊至關重要,其中丁腈橡膠材料制作的密封墊應用最為廣泛。丁腈橡膠 (Nitrile Butadiene Rubber,簡稱NBR)是由丁二烯和丙烯腈為主要單體共聚制得的一種合成橡膠,化學結構式為CH2─CH由于分子結構中含有氰基極性基團,丁腈橡膠對礦物油具有極好的穩定性,被廣泛用于制造各種耐油橡膠制品、密封墊圈、套管、電纜材料等,是石油、航空、汽車等行業中必不可少的彈性材料[10-11]。本文針對兩起主變壓器排油注氮消防裝置內檢修閥漏油故障,對檢修閥的橡膠密封墊開展分析檢測,并提出建議處置措施,為同類故障調查、處理提供參考[12]。

1 故障分析

1.1 故障簡述

某500 kV變電站1號主變壓器和220 kV變電站2號主變壓器新改造安裝的排油注氮消防裝置內檢修閥相繼出現漏油,對主變壓器安全穩定運行造成巨大風險。某500 kV變電站1號主變壓器排油注氮消防裝置型號為BPZM-40×2-Ⅱ-PL,2015年05月生產,閥門型號為D71JR-10/16Q；某220 kV變電站2號主變壓器排油注氮消防裝置型號為BPZM-40×2-Ⅱ-XFFE,2018年12月生產,閥門型號為D7A1XP-16。針對兩起漏油故障,調查得知閥門在生產安裝時,存在燒焊行為,初步認為密封墊劣化失效并導致運行過程中出現漏油,檢查發現劣化橡膠密封墊損毀十分嚴重,失去密封性能。為了確定具體故障原因,開展反射紅外光譜分析[13-14]、熱失重分析[15]以及與礦物絕緣油的相容性試驗[16],并對220 kV產品進行第二次采樣,采集模擬電焊前后的試驗數據,綜合分析密封墊性能。

1.2 反射紅外光譜分析

采用BRUKER TENSOR傅里葉紅外光譜儀(ATR采樣系統)和OPUS操作軟件,光譜采集范圍600～4 000 cm-1,光譜分辨率4 cm-1,掃描次數32次,測量環境的濕度小于70%RH,在室溫下測量,紅外光譜如圖1—2所示。

圖1 500 kV變電站1號主變壓器橡膠密封墊反射紅外光譜圖

圖2 220 kV變電站2號主變壓器橡膠密封墊反射紅外光譜圖

對圖1進行譜圖分析可知,波數2 232 cm-1處對應—CN的伸縮振動吸收峰；波數1 638 cm-1處對應C═C雙鍵的彎曲振動吸收峰 (強度較弱,難以識別)；波數2 921 cm-1和2 852 cm-1處對應飽和烷基的C—H伸縮振動吸收峰,波數1 456 cm-1和1 375 cm-1處對應飽和烷基的C—H彎曲振動吸收峰 (波數1 425 cm-1處存在譜圖疊加現象,對應飽和烷基的C—H彎曲振動吸收峰)；波數962 cm-1處對應—CH═CH—雙鍵上的C—H彎曲振動吸收峰；波數914 cm-1處對應丁二烯中端基乙烯基的C—H彎曲振動吸收峰。因此,選擇波數2 232 cm-1、 962 cm-1、 914 cm-1處的吸收峰作為NBR的特征峰。圖1中,劣化橡膠在2 232 cm-1、962 cm-1、914 cm-1處沒有明顯特征峰；圖 2中,密封墊樣品的紅外譜圖與圖1基本一致。初步分析發現,劣化橡膠密封墊的成分與丁腈橡膠不同。

1.3 熱失重分析

采用島津TGA-51/51H熱重分析儀,升溫區間由室溫至600℃,升溫速率20℃/min,保護氣體為高純N2,氣體流速50 mL/min。

如圖3所示,合格丁腈橡膠在212.88℃開始發生熱分解,此時為初級階段各種有機助劑的分解；455.11℃時,主要結構成分開始分解；580.00℃時,失重率為45.92%。而劣化橡膠在141.15℃就已經開始發生熱分解；580.00℃時,失重率達到75.59%。圖4的熱失重分析結果與圖3基本一致。綜合反射紅外光譜的分析結果表明,劣化橡膠與合格丁腈橡膠的材質存在明顯差異,可能誤用了非丁腈橡膠。

圖3 500 kV變電站1號主變壓器橡膠密封墊TG圖

圖4 220 kV變電站2號主變壓器橡膠密封墊TG圖

1.4 相容性試驗

根據DL/T 1836—2018《礦物絕緣油與變壓器材料相容性測定方法》的要求,開展了220 kV產品劣化橡膠與礦物絕緣油的相容性試驗,由于劣化橡膠損毀嚴重且形狀十分不規則,因此僅對試驗后絕緣油的測試結果進行評價。由表1可知,空白油樣老化后的指標滿足標準要求,將老化后的試驗油樣與老化后的空白油樣比較發現,擊穿電壓與介質損耗因數均有明顯差異,表明劣化橡膠與絕緣油存在相容性問題。

表1 絕緣油測試結果

2 二次采樣分析

為進一步查明檢修閥漏油故障原因,對某220 kV主變壓器產品進行第二次采樣,共準備2個閥門并模擬電焊試驗,前后采集4組樣品的分析數據,樣品信息見表2。

表2 第二次采樣的閥門樣品信息

采集以上2個閥門在模擬電焊試驗前后密封墊的分析數據,橫向對比某220 kV變電站2號主變壓器消防裝置內檢修閥的密封墊性能參數,縱向對比合格丁腈橡膠密封墊燒焊前后的性能參數。經檢查,模擬管路焊接前兩個檢修閥外觀完好,輪廓清晰。焊接后經短時冷卻并取下閥門,發現用于3號變電站消防裝置的檢修閥橡膠密封墊有燒融痕跡,輪廓清晰；備品檢修閥的橡膠密封墊同樣有燒融痕跡,且部分輪廓模糊。

2.1 反射紅外光譜分析

通過反射紅外光譜分析得知,第二次采樣的兩個閥門密封墊材質均為丁腈橡膠。由圖5可看出模擬焊接后樣品在2 234 cm-1、967 cm-1、911 cm-1處的吸收峰明顯減弱,丁腈橡膠特征鍵發生斷裂,同時在其他位置出現新的特征峰。該樣品特征與某500 kV變電站1號主變壓器和220 kV變電站2號主變壓器消防裝置內的劣化橡膠密封墊不同。由圖6可看出,焊接后丁腈橡膠表面的主鏈分子結構未發生明顯改變,特征鍵保留完好。

圖5 橡膠密封墊備品反射紅外光譜圖

圖6 3號變電站橡膠密封墊反射紅外光譜圖

2.2 熱失重分析

由圖7可知,備品橡膠中添加的各種有機助劑在140℃左右開始發生熱分解；410℃時,主要結構成分才開始分解；580℃時,失重率為52.18%。模擬管路焊接后,樣品同樣在140℃左右開始發生熱分解,580℃時失重率為57.55%。并且從圖中可以看出,燒焊后樣品主結構發生分解的溫度略低于原樣品,但總的失重率相差不大。圖8中的熱失重測試結果與圖7基本一致,結合反射紅外光譜的分析結果推斷,兩個檢修閥在模擬管路焊接前后橡膠密封墊的表面結構雖然會顯著變化,但橡膠內部并未發生明顯的劣化現象。

圖7 橡膠密封墊備品TG圖

圖8 3號變電站橡膠密封墊備品TG圖

3 故障原因分析

綜合兩次試驗分析結果,500 kV變電站1號主變壓器和220 kV變電站2號主變壓器排油注氮消防裝置內檢修閥的橡膠密封墊在300℃以下就出現了嚴重的熱失重,說明樣品耐熱性能很差。進行故障復現的兩個樣品,雖然在模擬燒焊后耐熱能力較燒焊前略有降低,但基本都是在450℃以上才出現明顯的熱失重現象,且總失重率相差不大,即檢修閥在模擬管路焊接前后橡膠密封墊不會發生顯著劣化現象。因此,判斷500 kV變電站1號主變壓器和220 kV變電站2號主變壓器排油注氮消防裝置內檢修閥的橡膠密封墊和復現樣品材質不同,進一步確認故障原因不是由于電焊加熱導致密封墊老化失效,而是誤用了非丁腈橡膠材料制作的密封墊,且該橡膠材料與礦物絕緣油存在相容性問題。根據目前調查情況,從排油注氮消防裝置以及檢修閥的生產廠家、型號等信息無法判斷其密封墊是否使用耐油丁腈橡膠。

4 處置措施

1)加強對排油注氮消防裝置的巡視檢查,結合500 kV變電站每日站內巡視,打開現場裝置柜檢查是否存在漏油,增加220 kV變電站巡視頻次,及時發現可能存在的漏油故障。巡視檢查時應防止誤動、誤碰。

2)發現排油注氮消防裝置有滲漏時,應立即進行現場檢查處理。若發生嚴重漏油故障,立即關閉變壓器本體與排油管間的閥門,關閉閥門后監視滲漏狀況。若本體閥門無法可靠關閉、漏油現象無法遏制,申請主變壓器停電。

3)發生漏油故障后,應立即準備補充油,并做好變壓器本體補油的準備,及時恢復主變壓器運行。

4)對目前已改造完成的排油注氮消防裝置,提供一定數量的合格閥門備品；結合主變壓器停電檢修工作,對閥門密封墊進行檢查,對不合格的進行更換。

5)針對后續需要改造的排油注氮消防裝置,在安裝前應拆開消防柜內的檢修閥和排油閥,檢查閥門密封墊上是否有NBR(丁腈橡膠)標識,對無標識的產品進行更換。