CN111710503A - 特高压换流变动力排油注氮装置、控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

特高压换流变动力排油注氮装置、控制系统及方法，属于特高压换流变动力排油领域，本体油箱排油装置包含油泵，油泵与与本体油箱通管道连接；本体三通第一端口通过管道与储油柜底部连接，第二端口通过管道与储油柜排油装置连接，第三端口设置断流阀，断流阀的输出端口通过管道与本体油箱连接，本体油箱排油装置通过管道连接于本体油箱底部，本体油箱排油装置、储油柜排油装置的输出端通过管道分别与事故油池连接；本体油箱两侧中部偏上位置开有多个充气口与多个注氮装连接，启动油泵进行排油，速度大大提高，在动力排油的同时，注氮装置向本体油箱内充入氮气，避免空气进入排空的换流变本体油箱势导致火势在换流变本体油箱内部蔓延。

Description

特高压换流变动力排油注氮装置、控制系统及方法

技术领域

本发明属于特高压换流变排油技术领域，具体涉及特高压换流变动力排油注氮装置、控制系统及方法。

背景技术

特高压是指交流1000千伏及以上和直流正负800千伏及以上的电压等级，特高压输电的主要特点是电压高、输送容量大、线路走廊窄，适合大功率、远距离输电。

换流站是特高压输电工程中直流和交流进行相互能量转换的系统，除有交流场等与交流变电站相同的设备外，换流站还有以下设备：换流器、换流变压器、交直流滤波器和无功补偿设备、平波电抗器等。

换流变压器是特高压输电工程中至关重要的关键设备，是交、直流输电系统中的整流、逆变两端接口的核心设备，换流变压器属于油浸式变压器。油浸变压器油箱内充装的变压器油是从原油中提炼出的以环烷基为主的烃类液体混合物，通常分为-25(凝点)号和-45号变压器油，常用的是-25号。变压器油的初馏点大于300℃，出厂时，其闪点都在140℃以上，充装到变压器中并经过较长时间的工作后，因局部高温、高电压裂解，会产生少量的氢和轻烃，使气相空间混入气态可燃物。

通过对国内外若干起油浸变压器火灾案例进行归纳分析，可将油浸变压器火灾模式分为三类：初期绝缘子根部爆裂火灾、油箱局部爆裂火灾、油箱整体爆裂火灾。其中，以初期绝缘子根部爆裂火灾为主，油箱局部爆裂火灾多由绝缘子根部火灾发展而成，油箱整体爆裂火灾较为罕见。

由于绝缘子中的气相空间最容易产生电火花，而且绝缘子又是油浸变压器最薄弱的部位，所以油浸变压器初期火灾多表现为绝缘子根部的爆炸着火。油浸变压器油着火时，油品多处于较高温度，且在灭火系统动作之时，往往已燃烧了一定的时间，致使金属结构被加热到较高温度。所以，油浸变压器火灾的主要特点为油火与高温金属结构的共同作用。

特高压输电领域使用的换流变压器含有大量变压器油，我国在运特高压换流变本体油箱内部存油量约为130～200吨，储油柜存油量一般为10～30吨，型号多为昆仑KI50X，储油柜与本体油箱通过阀门连通，因此整个换流变内部的存油量约为140～230吨左右。当网侧套管绝缘子根部发生爆炸起火时，会造成特高压换流变本体油箱的二次伤害，在换流变本体油箱上炸开缺口，大量变压器油在重力作用下通过变压器缺口溢出，流过变压器复杂表面并被部分点燃，形成的复杂垂直流淌，为变压器外部火源提供了持续的燃料供给而发生持续燃烧，同时外部已被点燃的变压器油火对变压器本体有加热作用，使得变压器内部油温增加，变压器油因为热胀冷缩而发生体积膨胀，进一步增加了对外泄漏的油量，导致火势进一步恶化、失控，而几乎不能被灭火剂覆盖，这是特高压输电的换流变压器火灾难以扑灭的根本原因之一。

因此，特高压换流变压器在火灾事故发生时，如何将换流变压器内部的大量的变压器油排至事故油池，从而降低火灾失控的可能性，减弱扑救难度，提高灭火成功率显得十分必要。

现有技术中，申请公布日为2018年11月13日，申请公布号为CN108806932A的中国发明专利申请《特高压变压器事故排油管路高温阻燃组合阀控系统》，公开了一种特高压变压器事故排油管路高温阻燃组合阀控系统，通过设置管道综合控制机构和单向阀门来实现对排油管在低油位时阻隔，高油位时管道开道排油，实现了实时对排油管中的油位进行管控，通过排油管的环状横截面内的阀门绕轴左、右旋转来实现管道的连通。

上述中国专利申请存在的缺点如下：

(1)储油柜和本体油箱共同采用一套排油系统，由于换流变本体油箱是强制重力排油，其排油管路内是有一定压力的，而储油柜中的排油是靠油面高度的自然压力来实现的，如果储油柜的排油与变压器本体排油管路连接到一起，由于压力作用，会出现储油柜内的油根本不能及时排出的现象；

(2)储油柜和本体油箱的排油方式均为依靠重力作用的自然排油模式，排油时间过长；

(3)仅对积油排油池至事故油池进行阻火设计，未对整体系统进行阻火设计，排油过程中火焰会连同大量未燃尽的可燃蒸汽和未预混反应的空气进入排空的油管，导致火势在油管内蔓延；

(4)阀门全部为串行设计，系统可靠性不高，如果单一阀门故障无法开启，则系统无法排油。

且动力排排油时，随着换流变本体油箱的油位下降，换流变本体油箱外部的空气会从变压器缺口窜入换流变本体油箱，空气的进入排空的换流变本体油箱势导致火势在换流变本体油箱内部的蔓延；现有技术中，在换流变本体油箱排油的同时采用向换流变本体油箱内部注入氮气的方式，来解决这一难题，该种方式灭火效率高且不复燃灭火时间小于2min,试验时灭火时间仅需22s，持续充氮时间大于30min，油箱温度可降低到0℃以下；与泡沫喷雾灭火装置比较该装置不需要建设消防间、喷放管网。泡沫罐和氮气瓶组体积大、成本高，喷放管网检修时影响拆卸变压器。泡沫灭火剂使用寿命有年限，氮气灭火剂没有时效性，成本低廉。

试验研究表明，如果变压器内部引燃的绝缘物在没有氮气的保护降温，依然可以辐射变压器油形成燃烧，造成变压器内部油的复燃，注入的氮气对内部的变压器油燃烧起到控制作用，当注入氮气的流量大于变压器套管底座口出口的散失流量，则能完全窒息内部的变压器油燃烧(排油停止时，剩余变压器油位约是原液位的三分之一)。

例如，现有技术中，授权公告号为CN104721992B，授权公告日为2017年6月9日的中国发明专利《组合分配式排油充氮灭火系统及灭火方法》，公开了一种组合分配式排油充氮灭火系统，包括氮气气源，控制柜，设置在每个变压器顶部的火灾探测器，设置在每个变压器上的带瓦斯继电器的变压器储油控制系统、带排油控制阀的变压器排油系统、带充氮控制阀的变压器充氮系统，变压器充氮系统均与氮气气源相连通；火灾探测器、瓦斯继电器、排油控制阀、充氮控制阀均与控制柜电连接；充氮系统还包括单向节流阀、充氮管路、定温阀门，充氮管路与氮气气源相连通，充氮管路穿过储油柜下侧部的变压器壁体延伸到储油柜中，定温阀门设置在储油柜内的充氮管路上，单向节流阀设置在充氮控制阀与变压器之间的充氮管路上。

虽然上述中国发明专利解决了火灾探测器和瓦斯继电器使用一段时间后，误报率随着使用时间的增加而增加，误报会让排油充氮装置误动，导致主变压器跳闸，造成大面积突发停电事故的技术问题。但是上述中国专利除了存在前述《特高压变压器事故排油管路高温阻燃组合阀控系统》存在缺点以外，还存在以下缺点：氮气从换流变本体油箱底部注入，灭火效果较差。

因此，在特高压换流变初期火灾发生时，如何快速、安全、可靠地排出本体油箱和储油柜内部的大量变压器油并防止换流变本体油箱外部的空气会从变压器缺口窜入换流变本体油箱，是急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何解决储油柜和本体油箱均依靠重力作用的自然排油模式，而导致的排油时间过长的问题，并防止换流变本体油箱外部的空气会从变压器缺口窜入换流变本体油箱。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

特高压换流变动力排油注氮装置，用于换流变本体油箱(1)和储油柜(10)的排油，包括本体三通(11)、断流阀(12)、本体油箱排油装置、储油柜排油装置、多个注氮装置和事故油池；所述的本体油箱排油装置包含油泵(7)，所述的油泵(7)与与本体油箱(1)通管道连接；所述的本体三通(11)设置于本体油箱(1)的上部与储油柜(10)的底部之间，本体三通(11)的第一端口通过管道与储油柜的底部连接，第二端口通过管道与储油柜排油装置连接，第三端口设置断流阀(12)，所述的断流阀(12)的输出端口通过管道与本体油箱(1)连接，所述的本体油箱排油装置通过管道连接于本体油箱(1)的底部，所述的本体油箱排油装置、储油柜排油装置的输出端通过管道分别与事故油池连接；所述的本体油箱(1)两侧中部偏上位置开有多个充气口，所述的多个注氮装置与多个充气口连接，关闭断流阀(12)，切断储油柜(10)向本体油箱(1)的供油管道，启动油泵(7)，将本体油箱(1)内的变压器油通过本体油箱排油装置抽向事故油池，此时，储油柜(10)中的变压器油在重力作用下，通过储油柜排油装置向事故油池自然排油，同时注氮装置向本体油箱(1)注入氮气；开启断流阀(12)，保持储油柜(10)向本体油箱(1)的供油管道畅通，启动油泵(7)，将本体油箱(1)和储油柜(10)内的变压器油通过本体油箱排油装置共同抽向事故油池，同时注氮装置向本体油箱(1)注入氮气。

特高压换流变动力排油装置在接收到排油启动信号时，启动油泵对本体油箱排油装置进行排油，考虑重力排油所需时间较长，增大了火灾失控风险，造成扑救难度增大、灭火效率降低，因此尽最大可能缩短排油时间，在本体油箱排油装置装设油泵，将排油时间缩短至21分钟左右，排油速度大大提高，极大地降低火灾失控风险，本体油箱和储油柜各自采用一套排油系统，可靠性高；在动力排油的同时，注氮装置向本体油箱内充入氮气，避免空气的进入排空的换流变本体油箱势导致火势在换流变本体油箱内部的蔓延；同时提供两种排油模式，关闭断流阀时适用于在运行的换流站的排油模式，开启断流阀时适用于再建换流站的排油模式，适用范围广。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的本体油箱排油装置还包括检修阀(2)、第一油流量计(3)、第一双重化配制电动阀组(4)、多个本体油箱泄露报警仪(5)、多个本体油箱蝶阀(6)，所述的本体油箱(1)、检修阀(2)、第一油流量计(3)、第一双重化配制电动阀组(4)、多个本体油箱泄露报警仪(5)、多个本体油箱蝶阀(6)沿着x轴负方向依次通过阻爆燃型阻火器排油管道与事故油池连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的储油柜排油装置包括第二双重化配制电动阀组(13)、第二油流量计(14)，多个储油柜泄露报警仪(15)、多个储油柜蝶阀(16)，所述的第二双重化配制电动阀组(13)、第二油流量计(14)、多个储油柜泄露报警仪(15)、多个储油柜蝶阀(16)沿着y轴负方向依次通过阻爆燃型阻火器排油管道与事故油池连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的注氮装置包括多个氮气瓶组(21)、汇气阀(22)、注气管道(23)，控制阀(24)、氮气注入口(25)，所述的多个氮气瓶组(21)通过汇气阀(22)与注气管道(23)的一端连接，所述的注气管道(23)的另一端与氮气注入口(25)连接，所述的注气管道(23)与氮气注入口(25)之间设置控制阀(24)，所述的氮气注入口(25)与本体油箱(1)两侧中部偏上位置的充气口连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的氮气瓶组(21)的氮气瓶的个数计算公式为：

s＝V₂/V₁ (1)

其中，s为氮气瓶的个数，P₁为充氮后本体油箱内氮气的压力，P₂氮气瓶内氮气的压力，V₁为单瓶氮气在压力为P₁的情况下充入本体油箱内所占的体积，V₂为本体油箱内变压器油的体积，φ为氮气瓶的直径，h为氮气瓶的高度。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第一双重化配制电动阀组(4)包括两个常闭蝶阀，两个常闭蝶阀并联后一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与第一油流量计(3)连接，另一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与本体油箱泄露报警仪(5)连接，每个常闭蝶阀的电源回路和控制回路均独立供电。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第二双重化配制电动阀组(13)包括两个常闭蝶阀，两个常闭蝶阀并联后一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与第二油流量计(14)连接，另一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与储油柜泄露报警仪(15)连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的管道采用阻爆燃型阻火器排油管道。

一种应用于所述的特高压换流变动力排油注氮装置的控制系统，包括排油控制柜、第一控制中心、第二控制中心，所述的排油控制柜集成了第一排油控制单元、第二排油控制单元；所述的第一控制中心分别与第一排油控制单元、第二排油控制单元以及注氮控制单元连接；所述的第二控制中心分别与第一排油控制单元、第二排油控制单元以及注氮控制单元连接；所述的第一排油控制单元分别通过硬接线的方式与本体油箱排油装置、油泵(7)、储油柜排油装置以及断流阀(12)连接；所述的第二排油控制单元分别通过硬接线的方式与本体油箱排油装置、油泵(7)、储油柜排油装置以及断流阀(12)连接，所述的注氮控制单元通过硬接线的方式与注氮装置连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第一控制中心或第二控制中心发出排油启动信号，信号同时传送至第一排油控制单元和第二排油控制单元；第一排油控制单元将信号分别传送至本体排油装置、油泵(7)、储油柜排油装置以及断流阀(12)，同时第二排油控制单元将信号分别传送至本体排油装置、储油柜排油装置、油泵(7)以及断流阀(12)；注氮控制单元将信号送至注氮装置。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的硬接线为耐高温阻燃铠装屏蔽电缆。

一种基于所述的控制系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)本体油箱动力排油、储油柜重力排油，本体油箱注入氮气

1)第一控制中心或第二控制中心给系统上电，并发出排油启动信号至排油控制柜，此时排油控制柜控制断流阀(12)关闭，切断与储油柜(10)向本体油箱(1)供油的管道；

2)本体油箱排油装置接到排油启动信号后，启动油泵(7)并开启本体油箱排油装置，将本体油箱(1)内的变压器油通过本体油箱排油装置抽向事故油池，此时排油控制柜开始计时；

3)累计计时10s后发送信号至储油柜排油装置，储油柜排油装置接到信号开启，此时，储油柜(10)中的变压器油在重力作用下，通过储油柜排油装置向事故油池自然排油；

4)再累计计时15s后，排油控制柜发送信号，注氮装置开启，开始向本体油箱(1)注入氮气；

5)当换流变本体油箱(1)的油位到达排油结束阈值时，本体油箱排油装置和储油柜排油装置的排油过程结束，同时注氮装置关闭，注氮过程结束；

(2)本体油箱和储油柜共同动力排油，本体油箱注入氮气

1)第一控制中心或第二控制中心给系统上电，并发出排油启动信号至排油控制柜，此时排油控制柜控制断流阀(12)开启，保持储油柜(10)向本体油箱(1)的供油管道畅通；

2)本体油箱排油装置和储油柜排油装置接到排油启动信号后，启动油泵(7)，开启本体油箱排油装置以及储油柜排油装置，将本体油箱(1)和储油柜(10)内的变压器油通过本体油箱排油装置共同抽向事故油池；

3)累计计时15s后注氮装置的控制阀(24)开启，多个氮气瓶组(21)中的氮气开始注入本体油箱(1)；

4)当换流变本体油箱(1)的油位到达排油结束阈值时，油泵(7)停止，本体油箱排油装置和储油柜排油装置的排油过程结束，同时注氮装置的控制阀(24)关闭，注氮过程结束。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的排油启动信号的产生方法，包括以下步骤：

1)排油控制柜接收到重瓦斯信号、火警信号及变压器断电信号，将三个信号逻辑“与”后输出；输出的逻辑“与”信号，送入第一控制中心和第二控制中心；

2)第一控制中心或第二控制中心根据现场情况，排除误报、小规模火警等干扰情况后上报请示，综合判断处理后，第一控制中心或第二控制中心发出排油启动信号，传送给排油控制柜。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的排油启动信号采用远程手动电气启动方式

本发明的优点在于：

(1)特高压换流变动力排油装置在接收到排油启动信号时，启动油泵对本体油箱排油装置进行排油，考虑重力排油所需时间较长，增大了火灾失控风险，造成扑救难度增大、灭火效率降低，因此尽最大可能缩短排油时间，在本体油箱排油装置装设油泵，将排油时间缩短至21分钟左右，排油速度大大提高，极大地降低火灾失控风险，本体油箱和储油柜各自采用一套排油系统，可靠性高；在动力排油的同时，注氮装置向本体油箱内充入氮气，避免空气的进入排空的换流变本体油箱势导致火势在换流变本体油箱内部的蔓延；同时提供两种排油模式，关闭断流阀时适用于在运行的换流站的排油模式，开启断流阀时适用于再建换流站的排油模式，适用范围广。

(2)本体油箱排油装置和储油柜排油装置的双重化配制电动阀组先后开启，进行排油，即使单一阀门出现故障时，排油系统仍可正常排油，可靠性高。

(3)采用阻爆燃型阻火器排油管道有效的防止了排油过程中火焰会连同大量未燃尽的可燃蒸汽和未预混反应的空气进入排空的油管，导致火势在油管内蔓延，安全性高。

(4)第一排油控制单元、第二排油控制单元与双重化的第一控制中心、第二控制中心交叉连接，通过硬接线对本体油箱排油装置和储油柜排油装置的双重化配制电动阀组进行控制，两套排油控制单元独立运行，不分主备，防止因为其中一套排油控制单元出现故障而造成无法启动双重化配制电动阀组的情况。

(5)排油启动信号采用远程手动电气启动方式，当需要启动排油系统时，由运行人员确认现场情况并经过远方控制屏或操作箱内双重确认后方可启动。防止出现误报、小规模火警等干扰信号导致的系统误动作带来的巨大损失。

(6)排油管道穿过鹅卵石层，直接通入事故油池中，经排油试验验证，不会将带火的油注入事故油池。

(7)换流变排油系统监视回路功能强大，监视信号包括电动球阀动力电源及控制电源失电信号、开/关状态信号、排油管道漏油信号等，实时监测。

(8)电缆采用耐火电缆加防火罩设计，电动球阀采用防火罩全面保护，可保证在直接燃烧1小时后仍能远方开启排油。

附图说明

图1为本发明实施例的本体油箱动力排油装置结构图；

图2为本发明实施例的储油柜排油装置结构图；

图3为本发明实施例的注氮装置的结构图；

图4为本发明实施例的动力排油注氮系统的框图；

图5为本发明实施例的动力排油注氮系统的控制系统图；

图6为本发明实施例的动力排油注氮启动信号产生逻辑图；

图7为本发明实施例的动力排油注氮系统启动流程；

图8为本发明实施例的动力排油注氮系统顶部注氮的试验效果图；

图9为本发明实施例的动力排油注氮系统底部注氮的试验效果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例

如图1-3所示，特高压换流变动力排油注氮装置，包括本体油箱1、检修阀2、第一油流量计3、油泵7、第一双重化配制电动阀组4、多个本体油箱泄露报警仪5、多个本体油箱蝶阀6、事故油池，储油柜10、本体三通阀11、断流阀12、第二双重化配制电动阀组13、第二油流量计14，多个储油柜泄露报警仪15、多个储油柜蝶阀16，多个注氮装置。

所述的本体三通阀11的第一端口通过阻爆燃型阻火器排油管道与储油柜10连接，第二端口通过阻爆燃型阻火器排油管道与第二双重化配制电动阀组13连接，第三端口输出口设置断流阀12，所述的断流阀12的输出端口通过阻爆燃型阻火器排油管道与本体油箱1连接。

如图1所示，所述的本体油箱1、检修阀2、第一油流量计3、油泵7、第一双重化配制电动阀组4、多个本体油箱泄露报警仪5、多个本体油箱蝶阀6沿着x轴负方向依次通过阻爆燃型阻火器排油管道与事故油池连接。

所述的第一双重化配制电动阀组4包括两个常闭蝶阀，两个常闭蝶阀并联后一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与油泵7连接，另一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与本体油箱泄露报警仪5连接。

优选地，2个本体油箱泄露报警仪5与2个本体油箱蝶阀6沿着x轴负方向通过阻爆燃型阻火器排油管道交错连接。

如图2所示，所述的储油柜10、本体三通阀11、第二双重化配制电动阀组13、第二油流量计14、多个储油柜泄露报警仪15、多个储油柜蝶阀16沿着y轴负方向依次通过阻爆燃型阻火器排油管道与事故油池连接。

所述的第二双重化配制电动阀组13包括两个常闭蝶阀，两个常闭蝶阀并联后一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与第二油流量计14连接，另一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与储油柜泄露报警仪15连接。

优选地，2个储油柜泄露报警仪15与2个储油柜蝶阀16沿着x轴负方向通过阻爆燃型阻火器排油管道交错连接。

所述的油流量计用于实时监测阻爆燃型阻火器排油管道内的换流变油的流量。

所述的双重化配制电动阀组，在控制系统发出信号至本体油箱排油装置和储油柜排油装置后，双重化配制电动阀组由常闭转为常开，进入排油模式；每个双重化配制电动阀组的两个常闭蝶阀各包括1路独立的电源回路和控制回路，每个常闭蝶阀的电源回路动力电源采用220V单相交流电源，分别取自站用交流系统的不同母线段，每个常闭蝶阀的控制回路控制电源分别取自站用110V直流1段和2段，避免一段直流母线失压或直流接地，导致两个常闭蝶阀同时无法正常工作的情况。

所述的本体油箱泄露报警仪5用于在换流变正常运行时或动力排油时，实时监测阻爆燃型阻火器排油管道是否存在泄露。

所述的阻爆燃型阻火器排油管道的具有器壁效应、热传导效应、火焰受阻效应，防止排油过程火焰连同大量未燃尽的可燃蒸汽和未预混反应的空气进入排空的油管导致火势在油管内蔓延。

如图3所示，所述的注氮装置包括多个氮气瓶组21、汇气阀22、注气管道23、控制阀24、氮气注入口25，所述的多个氮气瓶组21通过汇气阀22与注气管道23的一端连接，所述的注气管道23的另一端与氮气注入口25连接，所述的注气管道23与氮气注入口25之间设置控制阀24。

所述的换流变的本体油箱1两侧中部偏上位置、距离箱顶高度在500mm～600mm处设置多个充气口，所述的多个注氮装置的氮气注入口25与本体油箱1两侧中部偏上位置的多个充气口连接。注氮装置的控制阀24在正常状态下为常闭，当换流变的本体油箱1排油一段时间后，在控制系统发出指令后，控制阀24转为常开，进行充氮，注氮装置的控制系统与本体排油控制系统以及储油柜排油控制系统集成在一起。

所述的氮气瓶组21的氮气瓶的个数计算公式为：

s＝V₂/V₁ (1)

其中，s为氮气瓶的个数，P₁为充氮后本体油箱内氮气的压力，P₂氮气瓶内氮气的压力，V₁为单瓶氮气在压力为P₁的情况下充入本体油箱内所占的体积，V₂为本体油箱内变压器油的体积，φ为氮气瓶的直径，h为氮气瓶的高度。

如图4所示，特高压换流变动力排油注氮系统包括控制系统、本体油箱排油装置、储油柜排油装置以及注氮装置，所述的控制系统根据排油启动信号控制本体油箱排油装置、储油柜排油装置以及注氮装置的启动与关闭。

如图5所示，控制系统包括排油控制柜、控制中心A、控制中心B，所述的排油控制柜集成了排油控制单元A、第二排油控制单元B；所述的控制中心A分别与排油控制单元A、排油控制单元B以及注氮控制单元连接；所述的控制中心B分别与排油控制单元A、排油控制单元B以及注氮控制单元连接；所述的排油控制单元A分别通过硬接线的方式与本体油箱排油装置、油泵7、储油柜排油装置以及断流阀12连接；所述的排油控制单元B分别通过硬接线的方式与本体油箱排油装置、油泵7、储油柜排油装置以及断流阀12连接，所述的注氮控制单元通过硬接线的方式与注氮装置连接。

所述的控制中心A或控制中心B发出排油启动信号，信号同时传送至排油控制单元A和排油控制单元B；排油控制单元A将信号分别传送至本体排油装置、油泵7、储油柜排油装置以及断流阀12，同时排油控制单元B将信号分别传送至本体排油装置、储油柜排油装置、油泵7以及断流阀12；注氮控制单元将信号送至注氮装置；关闭断流阀12，切断储油柜10向本体油箱1的供油管道，启动油泵7，将本体油箱1内的变压器油通过本体油箱排油装置抽向事故油池，此时，储油柜10中的变压器油在重力作用下，通过储油柜排油装置向事故油池自然排油，同时注氮装置向本体油箱1注入氮气；开启断流阀12，保持储油柜10向本体油箱1的供油管道畅通，启动油泵7，将本体油箱1和储油柜10内的变压器油通过本体油箱排油装置共同抽向事故油池，同时注氮装置向本体油箱1注入氮气。

排油控制单元A、排油控制单元B与双重化的控制中心A、控制中心B交叉连接，通过硬接线对本体油箱排油装置和储油柜排油装置的双重化配制电动阀组进行控制，两套排油控制单元独立运行，不分主备，防止因为其中一套排油控制单元出现故障而造成无法启动双重化配制电动阀组的情况。

所述的本体油箱排油装置和储油柜排油装置均设有监视回路，用于监视双重化配制电动阀组的动力电源失电信号、控制电源失电信号、阀开/关状态信号、排油管道漏油信号。

如图6所示，所述的排油注氮启动信号的产生方法，包括以下步骤：

1)排油控制柜接收到重瓦斯信号(三取二)、火警信号(至少两个火警信号)及变压器断电信号，将三个信号逻辑“与”后输出；输出的逻辑“与”信号，送入控制中心A和控制中心B。

2)控制中心A或控制中心B根据现场情况，排除误报、小规模火警等干扰情况后上报请示，综合判断处理后，控制中心A或控制中心B远程手动发出排油启动信号，传送给排油控制柜。

所述的排油启动信号采用远程手动电气启动方式，防止出现误报、小规模火警等干扰信号导致的系统误动作带来的巨大损失。

1、本体油箱动力排油、储油柜重力排油，本体油箱注入氮气

如图7所示，特高压换流变动力排油注氮系统的本体油箱排油装置和储油柜排油装置的启动流程，系统上电，首先关闭断流阀12，切断与储油柜10向本体油箱1供油的管路。本体油箱排油装置接到排油启动信号后油泵7启动，同时第一双重化配制电动阀组4的两个常闭蝶阀动作开启，油泵7开始泵出本体油箱1内部的变压器油，本体油箱1进行动力排油；此时排油控制柜开始计时，累计计时10s后发送信号至储油柜排油装置，储油柜排油装置接到信号后第二双重化配制电动阀组13的两个常闭蝶阀动作开启，储油柜10内部的变压器油在重力的作用下开始进行排油；再累计计时15s后注氮装置的控制阀24开启，多个氮气瓶组21中的氮气开始注入本体油箱1；当换流变本体油箱1的油位到达排油结束阈值时，油泵7停止、第一双重化配制电动阀组4、第二双重化配制电动阀组13关闭，本体油箱排油装置和储油柜排油装置的排油过程结束，同时注氮装置的控制阀24关闭，注氮过程结束。

2、本体油箱和储油柜共同动力排油，本体油箱注入氮气

特高压换流变动力排油系统的本体油箱排油装置和储油柜排油装置的启动流程，系统上电，首先开启断流阀12，保持储油柜10与本体油箱1之间供油管道的连通。本体油箱排油装置和储油柜排油装置接到排油启动信号后，油泵7启动、第一双重化配制电动阀组4的两个常闭蝶阀动作开启、第二双重化配制电动阀组13的两个常闭蝶阀不动作保持关闭；本体油箱1和储油柜10内部的变压器油共同通过本体油箱排油装置动力排油；累计计时15s后注氮装置的控制阀24开启，多个氮气瓶组21中的氮气开始注入本体油箱1；当换流变本体油箱1的油位到达排油结束阈值时，油泵7停止、第一双重化配制电动阀组4关闭，排油过程结束，同时注氮装置的控制阀24关闭，注氮过程结束。

图8为本发明实施例的动力排油注氮系统顶部注氮的试验效果图。变压器套管底座口加入93#汽油5升作为助燃油剂，点燃约1分钟后上升的烟气颜色和浓度开始转变，变压器油受到辐射加热蒸发形成油气持续燃烧，3分钟后通过布置于变压器油液面的第一根热电偶，读到火焰温度约750℃，接近变压器油稳定燃烧时的火焰温度，从而判定变压器油到达稳定燃烧状态。

第4分钟排油开始，由无人机提供的视频观测到套管底座口燃烧的火焰，跟随液面下降进入变压器腔体内部，结合原液面上的热电偶温度保持稳定约750℃，同时距离原液面480mm处的第二根热电偶，从油温上升到接近火焰温度约700℃，由此判断燃烧的火焰已经跟随液面的下降进入变压器内部，并持续稳定燃烧(排油停止时，变压器油位约是原液位的五分之三)。

从第5分钟后注入氮气开始计算，约2分钟后变压器套管座口位置冒出白烟，说明此时氮气开始发生作用，从无人机视频观察套管底座口，观察到变压器内部火焰变小，从而判断注入的氮气对内部的变压器油燃烧起到控制作用。

从注入氮气开始计算约8分钟后，变压器顶部烟气基本消失，剩余的是白烟和轻微的温差上升气流，无人机视频通过套管底座口观察内部，看不见火焰，热电偶温度数据回复到约60℃，因此判断变压器内部明火熄灭。

注入氮气开始计算约15分钟后，关闭氮气管路阀门停止向变压器内部注入氮气，通过无人机视频观察变压器内部，没有看见燃烧的火焰，液面上热电偶温度数据保持约60℃，由此判断变压器内部阴燃没有阴燃情况，也没有发生复燃。

图9为本发明实施例的动力排油注氮系统底部注氮的试验效果图。变压器套管底座口加入93#汽油5升作为助燃油剂，点燃汽油的初始阶段，燃烧局限于变压器套管底座口面积范围内的汽油作用，约1分钟后上升的烟气由黑浓烟渐渐变为淡黑烟，判定助燃汽油完全燃烧完毕，变压器油受到辐射加热蒸发形成油气持续燃烧，3分钟后通过布置于变压器油液面的第一根热电偶，读到火焰温度约780℃，接近变压器油稳定燃烧时的火焰温度，从而判定变压器油到达稳定燃烧状态。

排油开始后变压器油液面下降，由无人机提供的视频观测到套管底座口里面有火焰燃烧，结合第一根热电偶的温度保持稳定约780℃，同时距离原液面480mm处的第二根热电偶，从油温上升到接近火焰温度约550℃，由此判断燃烧的火焰已经跟随液面的下降进入变压器内部，并持续稳定燃烧。

从第5分钟后注入氮气开始计算，约3分钟后变压器套管座口位置冒出白烟，说明此时氮气已经浮充在变压器上腔着火位置，部分氮气跟随烟气从点火口冒出，从无人机视频观察套管底座口，观察到变压器内部火焰变小，从而判断注入的氮气对内部的变压器油燃烧起到控制作用，但受制于注入氮气的流量小于变压器套管底座口出口的散失流量，不能完全窒息内部的变压器油燃烧(排油停止时，剩余变压器油位约是原液位的三分之一)。

从注入氮气开始计算约15分钟后，变压器顶部烟气基本消失，剩余的是白烟和轻微的温差上升气流，无人机视频通过套管底座口观察内部，看不见火焰，热电偶温度数据回复到约200℃，说明内部没有燃烧的火焰，因此判断变压器内部明火熄灭，但变压器绕组的绝缘件已经被燃烧碳化后，在内部阴燃。

从注入氮气开始计算的约15分钟后，关闭氮气管路阀门停止向变压器内部注入氮气，约10分钟后变压器顶部的套管底座口开始冒出黑烟，通过无人机视频观察变压器内部，可以看见部分燃烧的火焰，热电偶温度数据回复到约300℃，由此判断变压器内部阴燃的绝缘物此时在没有氮气的保护降温，依然可以辐射变压器油形成燃烧，造成变压器内部油的复燃。

由图8和图9的试验效果可以得知：注氮有助于内部火势的减小，其程度取决于注氮的速度，且变压器顶部注氮效果优于底部注氮。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.特高压换流变动力排油注氮装置，用于换流变本体油箱(1)和储油柜(10)的排油，其特征在于，包括本体三通(11)、断流阀(12)、本体油箱排油装置、储油柜排油装置、多个注氮装置和事故油池；所述的本体油箱排油装置包含油泵(7)，所述的油泵(7)与与本体油箱(1)通管道连接；所述的本体三通(11)设置于本体油箱(1)的上部与储油柜(10)的底部之间，本体三通(11)的第一端口通过管道与储油柜的底部连接，第二端口通过管道与储油柜排油装置连接，第三端口设置断流阀(12)，所述的断流阀(12)的输出端口通过管道与本体油箱(1)连接，所述的本体油箱排油装置通过管道连接于本体油箱(1)的底部，所述的本体油箱排油装置、储油柜排油装置的输出端通过管道分别与事故油池连接；所述的本体油箱(1)两侧中部偏上位置开有多个充气口，所述的多个注氮装置与多个充气口连接；关闭断流阀(12)，切断储油柜(10)向本体油箱(1)的供油管道，启动油泵(7)，将本体油箱(1)内的变压器油通过本体油箱排油装置抽向事故油池，此时，储油柜(10)中的变压器油在重力作用下，通过储油柜排油装置向事故油池自然排油，同时注氮装置向本体油箱(1)注入氮气；开启断流阀(12)，保持储油柜(10)向本体油箱(1)的供油管道畅通，启动油泵(7)，将本体油箱(1)和储油柜(10)内的变压器油通过本体油箱排油装置共同抽向事故油池，同时注氮装置向本体油箱(1)注入氮气。

2.根据权利要求1所述的特高压换流变动力排油注氮装置，其特征在于，所述的本体油箱排油装置还包括检修阀(2)、第一油流量计(3)、第一双重化配制电动阀组(4)、多个本体油箱泄露报警仪(5)、多个本体油箱蝶阀(6)，所述的本体油箱(1)、检修阀(2)、第一油流量计(3)、第一双重化配制电动阀组(4)、多个本体油箱泄露报警仪(5)、多个本体油箱蝶阀(6)沿着x轴负方向依次通过阻爆燃型阻火器排油管道与事故油池连接。

3.根据权利要求1所述的特高压换流变动力排油注氮装置，其特征在于，所述的储油柜排油装置包括第二双重化配制电动阀组(13)、第二油流量计(14)，多个储油柜泄露报警仪(15)、多个储油柜蝶阀(16)，所述的第二双重化配制电动阀组(13)、第二油流量计(14)、多个储油柜泄露报警仪(15)、多个储油柜蝶阀(16)沿着y轴负方向依次通过阻爆燃型阻火器排油管道与事故油池连接。

4.根据权利要求1所述的特高压换流变动力排油注氮装置，其特征在于，所述的注氮装置包括多个氮气瓶组(21)、汇气阀(22)、注气管道(23)，控制阀(24)、氮气注入口(25)，所述的多个氮气瓶组(21)通过汇气阀(22)与注气管道(23)的一端连接，所述的注气管道(23)的另一端与氮气注入口(25)连接，所述的注气管道(23)与氮气注入口(25)之间设置控制阀(24)，所述的氮气注入口(25)与本体油箱(1)两侧中部偏上位置的充气口连接。

5.根据权利要求1所述的特高压换流变动力排油注氮装置，其特征在于，所述的氮气瓶组(21)的氮气瓶的个数计算公式为：

s＝V₂/V₁ (1)

其中，s为氮气瓶的个数，P₁为充氮后本体油箱内氮气的压力，P₂氮气瓶内氮气的压力，V₁为单瓶氮气在压力为P₁的情况下充入本体油箱内所占的体积，V₂为本体油箱内变压器油的体积，φ为氮气瓶的直径，h为氮气瓶的高度。

6.根据权利要求2所述的特高压换流变动力排油注氮装置，其特征在于，所述的第一双重化配制电动阀组(4)包括两个常闭蝶阀，两个常闭蝶阀并联后一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与第一油流量计(3)连接，另一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与本体油箱泄露报警仪(5)连接，每个常闭蝶阀的电源回路和控制回路均独立供电。

7.根据权利要求3所述的特高压换流变动力排油注氮装置，其特征在于，所述的第二双重化配制电动阀组(13)包括两个常闭蝶阀，两个常闭蝶阀并联后一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与第二油流量计(14)连接，另一端通过阻爆燃型阻火器排油管道与储油柜泄露报警仪(15)连接。

8.根据权利要求1所述的特高压换流变动力排油注氮装置，其特征在于，所述的管道采用阻爆燃型阻火器排油管道。

9.一种应用于权利要求1-8任一项所述的特高压换流变动力排油注氮装置的控制系统，其特征在于，包括排油控制柜、第一控制中心、第二控制中心，所述的排油控制柜集成了第一排油控制单元、第二排油控制单元；所述的第一控制中心分别与第一排油控制单元、第二排油控制单元以及注氮控制单元连接；所述的第二控制中心分别与第一排油控制单元、第二排油控制单元以及注氮控制单元连接；所述的第一排油控制单元分别通过硬接线的方式与本体油箱排油装置、油泵(7)、储油柜排油装置以及断流阀(12)连接；所述的第二排油控制单元分别通过硬接线的方式与本体油箱排油装置、油泵(7)、储油柜排油装置以及断流阀(12)连接，所述的注氮控制单元通过硬接线的方式与注氮装置连接。

10.根据权利要求9所述的特高压换流变动力排油注氮装置的控制系统，其特征在于，所述的第一控制中心或第二控制中心发出排油启动信号，信号同时传送至第一排油控制单元和第二排油控制单元；第一排油控制单元将信号分别传送至本体排油装置、油泵(7)、储油柜排油装置以及断流阀(12)，同时第二排油控制单元将信号分别传送至本体排油装置、储油柜排油装置、油泵(7)以及断流阀(12)；注氮控制单元将信号送至注氮装置。

11.根据权利要求10所述的特高压换流变动力排油注氮装置的控制系统，其特征在于，所述的硬接线为耐高温阻燃铠装屏蔽电缆。

12.一种基于权利要求9-11任一项所述的控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)本体油箱动力排油、储油柜重力排油，本体油箱注入氮气

1)第一控制中心或第二控制中心给系统上电，并发出排油启动信号至排油控制柜，此时排油控制柜控制断流阀(12)关闭，切断与储油柜(10)向本体油箱(1)供油的管道；

2)本体油箱排油装置接到排油启动信号后，启动油泵(7)并开启本体油箱排油装置，将本体油箱(1)内的变压器油通过本体油箱排油装置抽向事故油池，此时排油控制柜开始计时；

3)累计计时10s后发送信号至储油柜排油装置，储油柜排油装置接到信号开启，此时，储油柜(10)中的变压器油在重力作用下，通过储油柜排油装置向事故油池自然排油；

4)再累计计时15s后，排油控制柜发送信号，注氮装置开启，开始向本体油箱(1)注入氮气；

5)当换流变本体油箱(1)的油位到达排油结束阈值时，本体油箱排油装置和储油柜排油装置的排油过程结束，同时注氮装置关闭，注氮过程结束；

(2)本体油箱和储油柜共同动力排油，本体油箱注入氮气

1)第一控制中心或第二控制中心给系统上电，并发出排油启动信号至排油控制柜，此时排油控制柜控制断流阀(12)开启，保持储油柜(10)向本体油箱(1)的供油管道畅通；

2)本体油箱排油装置和储油柜排油装置接到排油启动信号后，启动油泵(7)，开启本体油箱排油装置以及储油柜排油装置，将本体油箱(1)和储油柜(10)内的变压器油通过本体油箱排油装置共同抽向事故油池；

3)累计计时15s后注氮装置的控制阀(24)开启，多个氮气瓶组(21)中的氮气开始注入本体油箱(1)；

4)当换流变本体油箱(1)的油位到达排油结束阈值时，油泵(7)停止，本体油箱排油装置和储油柜排油装置的排油过程结束，同时注氮装置的控制阀(24)关闭，注氮过程结束。

13.根据权利要求12所述的控制系统的控制方法，其特征在于，所述的排油启动信号的产生方法，包括以下步骤：

1)排油控制柜接收到重瓦斯信号、火警信号及变压器断电信号，将三个信号逻辑“与”后输出；输出的逻辑“与”信号，送入第一控制中心和第二控制中心；

2)第一控制中心或第二控制中心根据现场情况，排除误报、小规模火警等干扰情况后上报请示，综合判断处理后，第一控制中心或第二控制中心发出排油启动信号，传送给排油控制柜。

14.根据权利要求12所述的控制系统的控制方法，其特征在于，所述的排油启动信号采用远程手动电气启动方式。

Images