管腔式變壓器事故油池設計

趙世海

摘要：為了解決目前多數電站事故油池結構復雜、施工不便、安全性能不高等問題，介紹了一種新型管腔式變壓器事故油池，該事故油池由一個腔體和一根管道組成，正常運行情況下只需保證池內有水且淹沒管底一定高程即可。對事故油池的工作原理、設計和計算方法以及注意事項進行了詳細描述。新型管腔式變壓器事故油池可用于解決現有事故油池結構復雜、占地面積大的問題，節約了資源和費用，且結構簡單、便于推廣應用。

關鍵詞：變壓器事故油池;管腔式;油水分離;水電站

中圖法分類號：TM41文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.009

文章編號：1006 - 0081（2021）08 - 0044 - 04

0 引 言

大中型油浸式變壓器絕緣與導熱性能好，能夠解決大容量變壓器散熱和高電壓絕緣問題，且投資經濟、維護簡便，運行時對環境要求低，得以廣泛應用[1]。但當設備出現極端故障時，可能會造成變壓器油的溢出。早期系統設計時一般將油排入事故油池，較少考慮設置排水和油水分離措施，特別是露天布置的變壓器，會因為平時的大雨或暴雨導致事故油池充滿雨水，如果這些雨水不能及時排出，一旦變壓器發生事故排油，變壓器油將無法進入油池而溢出，從而間接排入河流，將對河流造成嚴重污染。因此，設置油水分離功能排水設施的事故油池十分必要。

李輝等[2]利用數值模擬研究了事故油池油水分離性能，發現目前事故油池的重力隔油法只能初步實現浮油與水的分離，水中仍含有可溶油，也會隨水外排。因此采用了一種油水分離器設備，對事故排油進一步處理，從而達到更好水油分離效果。郭增輝等[3]通過設置廊道及隔板等對油池進行構造優化設計，并安裝自動排水裝置，以提高油水分離效率，從而減少因廢油排放引起的污染。但以往設置具有油水分離功能排水設施的事故油池，一般需要額外增加設備，加大項目投資，還存在結構設計復雜、施工難度較大等問題。因此，本文提出了管腔式事故油池結構設計，對比分析了管腔式結構的優勢，闡述了該結構設計的詳細計算過程，旨在簡化施工方案，節省工程投資。

1 事故油池型式

1.1 三腔式結構

目前，已建變壓器事故油池多為兩腔或三腔結構，下面選擇現有電站常見的三腔結構事故油池與本文設計的事故油池進行比較。常見的事故油池結構如圖1所示。

正常運行時，A腔與B腔需有一定水量，淹沒下部連通孔一定高度，B腔右側墻體高度低于左側墻體。當變壓器事故排油時，油和水在B腔充分沉淀，由于油水比重不同，且不溶于水，因此油會慢慢進入C腔，水會從A腔排水口排出[3]。

對于戶外變壓器，當有長時間強降雨發生時，雨水會進入事故油池。當B腔的進水量大于A腔的排水量時，C腔就會充滿雨水，從而沒有足夠空間容納變壓器事故排油，詳細情況如圖2所示。

考慮到最不利工況，當C腔雨水沒有及時排出，而此時又正好發生變壓器事故，那么變壓器絕緣油將會通過排水管，流入下游河流，對河流造成污染，如圖3所示。

當事故排油工況達到最終平衡后，事故油池狀態如圖4所示。

由此可見，該事故油池方案在極端工況下并不安全，存在一定環保隱患。

1.2 管腔式結構

為避免不利情況的發生，進一步優化事故油池結構，根據工程經驗及相關總結，本文設計的事故油池為管腔式，如圖5所示。

由圖5可以看出：該事故油池只有一個腔體和一根管道組成，正常運行情況下只需保證池內有水且淹沒管底一定高程即可。如果為室內事故油池，可以在變壓器運行之前，提前向池內注入要求水量;如果為戶外事故油池，在工程建設期由于降水，腔體內基本可以保證具有安全運行的水位。當變壓器有事故發生時，事故油池運行狀態見圖6。

由圖6可以看出：當事故排油時，由于腔體內原本就有一定清水，油混水通過進水口進入腔體后，因油水比重不同，油會慢慢浮于水的上表面，收集于腔體之內，而分離后的清水則會通過排水口向下游排出。達到平衡后，油池最終狀態如圖7所示。

比較以上兩種事故油池方案可以看出：管腔式事故油池結構簡單，節省油池占地面積與體積，節約大量資源及費用，且更加安全可靠，便于推廣利用。

2 事故油池設計及計算方法

2.1 事故油池有效容積確定

根據GB50872-2014《水電工程設計防火規范》規定：當設有水噴霧、細水霧滅火設施時，公共事故油池容積按最大一臺充油設備的全部油量和滅火水量之和確定。當公共事故油池內設有油水分離設施時，容積按最大一臺充油設備的100%油量確定。該規范中提及的事故油池容積，即為滿足事故排油時最低要求的有效容積。在設計時事故油池總容積要大于有效容積，現場有條件的可以適當加大事故油池的有效容積[4]。

根據規范和工程經驗，事故油池有效容積按下列3種情況計算[5]：

（1）室內主變且無水噴霧系統，其主變事故油池的有效容積一般按單臺主變的總油量進行設計。

（2）主變設置細水噴霧系統，其主變事故油池的有效容積一般按單臺主變的總油量加上噴霧水量進行設計。

（3）對于室內主變設置普通水噴霧系統，如果供水采用消防水池（無連續補水設施），則主變事故油池的有效容積一般按單臺主變的總油量加上水池的有效容積進行設計。

2.2 事故油池排水設計

對于室內主變設置普通水噴霧系統，如果供水采用消防水池（有連續補水設施），或者水源取自水庫，則事故油池應設置油水分離和排水設施[6]。

當變壓器布置在室外時，如果遇到長時間的大雨，事故油池若沒有排水設施，油池可能會被雨水灌滿或溢出，這種情況下也應設置排水措施[7]。

2.3 事故油池相關參數計算

2.3.1 平面尺寸確定

根據現場地形，初步確定事故油池可能的平面尺寸，然后根據高度計算或開挖深度限制進行必要調整。

2.3.2 深度（高度）尺寸確定

深度（高度）相關尺寸見圖8。

（1）h1、h2計算。如圖8所示：根據事故油池的平面尺寸和一臺主變油的總體積，可利用式（1）和式（2）計算出油池中油的高度（h1+h2）和水的高度（h1），即排水管底部的安裝高程[8]。

式中：V為主變油的總體積， m3;S為事故油池的平面凈面積， m2;ρoil為主變油的密度，約0.895 t/m3;ρwater為水的密度，取1.0 t/m3。

（2）h3計算。事故油池排水管能否順利排出，主要取決于壓差（h2+h3），因此，可用式（3）計算[9-10]。

式中：[∑ξ]為事故油池排水管總阻力損失系數（包括沿程損失系數與局部損失系數）;v為管道內水的流速， m/s;g為重力加速度， m/s2。

根據式（3），由于流量已經確定（流量取主變消防供水泵流量），如果管徑已經確定，可計算出高度h3，如果給定h3，則可以計算出排水管的最小內徑。

（3）h4計算。主變油坑內的油水能否順利進入事故油池，主要取決于壓差h4，因此，可用式（4）計算：

根據式（4），由于流量已經確定（流量取主變消防供水泵流量），如果管徑已經確定，可計算出高度h4，如果給定h4，則可以計算出排水管的最小內徑。

（4）h0計算。h0為油水分界面距離排水管進口的安全高度，沒有特別規定，建議采用800 mm，但最好不小于500 mm。

以上為管腔式油池方案相關尺寸計算，可據此對事故油池進行詳細設計。

3 事故油池設計注意事項

（1）根據GB50872-2014《水電工程設計防火規范》規定：公共事故油池應設置排油、排水設施。為便于檢修，事故油池需要設進人孔及活動蓋板，以方便工作人員抽取廢油和下井檢修，一般配置移動式潛水泵進行抽排。進人孔要高出地面并設有通氣管，進人口的寬度應設置合理，方便檢修人員操作。事故油池內部應設供檢修人員上下進出的檢修鋼爬梯[11]。

（2）事故油池的總容積，應保證所有的事故油排入池中后，仍有一定高度的水面。

（3）因為該種事故油池只有一個腔體，油和水分離路徑較短，以防止事故排油時，發生流態紊亂，油和水不能徹底分離，油隨水流排出池外而污染環境。變壓器投入運行前，需檢查油池底部是否具有正常運行水位，最好采用高水位，且將排水（油）口淹沒一定深度[12]。

（4）變壓器油坑排水（油）管出水口最好向上布置，位置應盡量遠離事故油坑排水管進口位置，最好對角線布置，以增加油水分離的時間。

（5）多臺變壓器共用1個事故油池時，應注意各進油管標高，以防止發生倒灌現象。

（6）事故油池排水管出口為淹沒出流，則應在排水管頂部設置通氣管，以免形成虹吸現象，把廢油排到河道，污染河流。

（7）對于室外事故油池，排水可結合電站的站區排水系統綜合考慮。

（8）對于具有自流條件，但有開挖深度限制的事故油池，盡可能減小腔內儲水空間，根據現場實際情況，只對事故油池局部進行深挖即可。

（9）對于沒有自流條件，不方便排入河流的情況，可以不設置排水管，但需設置兩個腔體，變壓器事故排油后用潛水泵排出多余積水，詳細結構見圖9，具體計算過程與管腔式事故油池相同。

4 結 語

事故油池是水電站內的重要建筑物之一。在工程設計中，合理選擇滿足規范要求變壓器油容量的事故油池，是設計關鍵。容量選擇過大，增加了工程建設的投資，造成資源的浪費，不經濟;容量選擇過小，不能完全容納事故排油，運行安全得不到保障，且極易造成環境污染。

參考文獻：

[1] 徐望真，何峻，胡旭，等. 水電站事故油池改進與應用初探[J]. 水電站機電技術，2016， 39（增2）：70-72.

[2] 李輝，朱敏，劉曉華，等. 500kV變電站事故油池油水分離性能及處理研究[J]. 資源節約與環保，2018（11）：71-72.

[3] 郭增輝，杜紅金，向定安. 新型變壓器事故油池的設計優化分析[J]. 低碳世界，2017（1）：57-58.

[4] 王蘇明，推薦一種自流式環保事故油池[J]. 電力建設，2003（11）：13-14.

[5] 郭增輝，江潤霞. 變壓器事故油池的優化設計[J]. 工程建設與設計，2013（10）：77-79.

[6] 陶承鼎，水電站主變壓器事故排油池設計[J]. 湖南水利水電，2010（6）：12-13.

[7] 韋德筠，張志高，杜海波. 某水電站主變事故集油池改造淺談[C]//第二次全國水電站機電技術學術討論會. 中國電機工程學會 第二次全國水電站機電技術學術討論會論文集.? 北京：中國水利水電出版社，2016.

[8] 鄧睿，事故水池設計計算要點及建議[J]. 建筑工程技術與設計，2017（4）：744.

[9] 張彥清，王楠，楊子敬，等. 變壓器事故油池設計計算[J]. 山東工業技術，2015（2）：25-26.

[10] 鄭耀斌. 變電站事故油池的設計優化[C] //2013年全國電網設計技術交流會―中國電力規劃設計協會 國家電力規劃研究中心 電力規劃設計總院. 2013年全國電網設計技術交流會論文集.? 北京：中國電力出版社，2013.

[11] 劉兵，淺析變電站主變事故油池的設計[J]. 湖南水利水電，2007（5）：12-13.

[12] 鄭耀斌，鄧玉華，鮑衛. 事故油池的優化設計[J]. 山東電力技術，2008（5）：55-57.

（編輯：江 文）