CN117316587A - 一种特高压变压器升高座结构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种特高压变压器升高座结构，升高座呈一体连通的水平管段与垂直管段，水平管段一端连接于油箱金属外壳一侧壁上；油箱金属外壳、升高座、套筒内部填充有绝缘油；在垂直管段靠近顶端处设置有与油箱金属外壳连通的油路循环管路，其中，油路循环管路与垂直管段的连通口的高度小于油路循环管路与油箱金属外壳连通口的高度。本申请通过设置油路循环管路，便于升高座套筒内因为导体过热、局部放电形成的瓦斯气体通过油路循环管路及时的向外、向高处溢出；通过设置体积膨胀装置，当油箱金属外壳和升高座内部的压力达到易爆板的爆裂阈值时，易爆板发生爆裂，从而实现瞬间的压力急剧降低、泄放电弧燃弧气体的压力。

Description

一种特高压变压器升高座结构

技术领域

本申请涉及特高压变压器的领域，尤其是涉及一种特高压变压器升高座结构。

背景技术

典型单相1000MVA，1000kV特高压变压器在瓷套管下为与油箱器通过近似90度转弯连接的升高座及出线装置，与常规500kV及以下电压等级的电力变压器相比，1000kV特高压大型充油设备具有电压等级高、设备变压容量大(通常1000kV变压器单相容量可达500kV变压器的三相容量)、内部绝缘结构复杂，油箱体积大及充油量大等突出特点。典型单相1000kV特高压变压器线圈结构在电气上分为主体变，调压变及补偿变三部分。如图1所示。

由于特高压系统短路电流水平普遍要高于常规超高压500kV电力系统，最高三相对称短路及非对称接地短路电流可达到63kA，一旦内部出现带电体对接地金属外壳的接地故障，其电弧放电电流非常巨大，电弧温度非常高，可在极短的数个工频周波内，即十几到几十毫秒内，极高温电弧会分解周围的绝缘油，在诸如升高座及有载分接开关小室的狭小空间内产生大质量以及超高温度的可燃气体(瓦斯气体)。

近十几年来，特高压交流1000kV输电及特高压直流800(1000)kV系统得到了快速发展，建成及运行了非常多的特高压交流站及直流换流站，站内相应安装及运行了数量巨大的特高压变压器。近5年中，国内电网出现多次特高压换流变压器，和特高压交流变压器等特大容量的大型充油设备内部故障，主要为1000kV套管升高座及变压器有载分接开关小空间内部由于短路电流巨大的电弧短路导致了充油设备的爆燃事故，尤其是导致了油箱结构撕裂和爆炸起火事件，造成严重的经济损失和不良社会影响。

实际上国内外有很多研究电弧爆炸(electric arc explosions)的学术成就，主要是研究电弧在空气中，诸如电缆头短路爆炸，特别是在封闭的空间(closed volume)的金属封闭(metal enclosed)开关柜中的电弧爆炸问题，在电力运行系统中，有很多关于10-35千伏开关柜爆炸(实际金属封闭开关柜内通常装有压力释放装置)的公开事故报道和材料。

根据国内外的公开研究资料，大的电流在空气中电弧燃烧后，会制造压力，并在膨胀、扩张的弧道产生、制造出两个方面的物理作用，即制造冲击波和声波(the shock andsound waves)，由此在空气中电弧燃弧会在空气封闭体内制造巨大的压力。

国内外目前都认为关于这方面的研究现状是不彻底及不是详尽的。但总的原则及认识为：电弧电流大小与电弧等离子体温度正相关(我司针对几十安到三百安的电弧长时间燃弧试验也证明了电弧电流大到200-300安时，电弧发出耀眼白光及强烈的电弧燃弧声音，几十安小电流时电弧为红光，声音也为小的滋滋声，电弧温度差别巨大)，电弧电流足够大时会制造巨大的压力，会产生对建筑物及机械结构(例如空气封闭式开关柜及变压器等)产生损伤，以及伤害到附近的人员。

统计显示变压器电弧放电部位主要发生在变压器套管升高座以及有载分接开关油室等小空间内。由于这些部分通常电场分布复杂，导体、导线连接的接触点多，易发生过热，局部放电及局部接触不良等产生的小的电弧放电故障，并由此产生及积聚一些气体，气体升高至升高座顶端死角积聚，或随油流扩散到变压器主油箱，气体上升流入储油柜途中被瓦斯继电器发现进行了告警，同时积聚过多的气体后，升高座顶端的绝缘油被气体挤压占领，此空间出现无油或油气混合的绝缘空间，电气绝缘能力急剧下降，容易发生带电导体对接地壳体的放电短路故障，进而由于短路电流巨大的电弧燃弧短路导致了充油设备的爆燃事故，尤其是导致了油箱结构撕裂和爆炸起火事件。

发明内容

为了降低变压器油箱结构撕裂和爆炸的风险，本申请提供一种特高压变压器升高座结构。

本申请提供的一种特高压变压器升高座结构采用如下的技术方案：

一种特高压变压器升高座结构，包括升高座，所述升高座呈一体连通的水平管段与垂直管段，所述水平管段的一端连接于特高压变压器的油箱金属外壳一侧壁上，所述垂直管段的一端顶部固定设置套筒，在所述套筒的顶部固定设置有屏蔽环；所述油箱金属外壳、所述升高座、所述套筒内部填充有绝缘油；

所述升高座内部设置有包裹在屏蔽管内的软导线、套设在所述屏蔽管外侧的绝缘纸筒，所述软导线、屏蔽管、绝缘纸筒的一端均经由所述水平管段延伸至所述油箱金属外壳内部，所述软导线、屏蔽管、绝缘纸筒的另一端延伸至所述垂直管段的顶部；

在所述垂直管段靠近顶端处设置有与所述油箱金属外壳连通的油路循环管路，其中，所述油路循环管路与所述垂直管段的连通口的高度小于所述所述油路循环管路与所述油箱金属外壳连通口的高度。

通过设置油路循环管路，便于升高座内部导体金属过热、局部放电等异常时形成的少量气体不再聚集在升高座的垂直管段的顶端形成气体腔，而是通过油路循环管路及时的向外溢出，进入油箱金属外壳内，首先以此消除局部绝缘由于结构末端气体积聚造成的绝缘降低及失效，因此生产了电弧短路故障问题。

可选的，所述油路循环管路至少包括倾斜管段，所述倾斜管段倾角大于10°。

通过设置油路循环管路，公开了油路循环管路的设置倾斜管，便于气体的溢出。

可选的，在所述油路循环管路上设置有轻瓦斯继电器，所述轻瓦斯继电器设置在倾斜管段处。

通过设置轻瓦斯继电器，能够在产生瓦斯气体后及时的检测到瓦斯，以便于尽早反馈并及时预防和处理。

可选的，该特高压变压器还设置有主动电动油泵，所述主动电动油泵设置在所述油箱金属外壳或升高座或油路循环管路内部。

通过设置主动电动油泵便于对绝缘油形成循环。

可选的，在所述升高座的垂直管段内部、所述油路循环管路与所述油箱金属外壳连通口处下方设置有换热冷却组件。

可选的，在所述油箱金属外壳内部、靠近所述油路循环管路与所述油箱金属外壳连通口处设置有换热冷却组件。

通过设置换热冷却组件用于降低气体及绝缘油的温度。

可选的，所述绝缘纸筒设置为单层或多层；设置为多层时，相邻所述绝缘纸筒之间填充满绝缘油。

公开了绝缘纸筒的设置方式。

可选的，在所述升高座的侧壁上设置体积膨胀装置，所述体积膨胀装置包括膨胀容室，开设在所述膨胀容室靠近所述升高座的侧壁一侧的膨胀通道，通过所述膨胀通道将所述膨胀容室和所述升高座的内部连通，在所述膨胀通道上设置有易爆板，所述易爆板的爆裂阈值大于正常油压。

通过设置防止短路电弧燃弧产生的极高温度及极高压瓦斯气体的体积膨胀装置，当油箱金属外壳和升高座内部的压力明显高于正常油压，达到易爆板的爆裂阈值时，易爆板发生爆裂，导入高温高压瓦斯气体，利用气体积急剧膨胀体积后压力温度剧烈降低特性，从而实现瞬间的压力降低及减压、泄压。

可选的，所述体积膨胀装置设置有多个，不同所述体积膨胀装置的易爆板的爆裂阈值相同或不同。

公开了设置的体积膨胀装置设置多个时，易爆板的爆裂阈值的选择。

可选的，所述体积膨胀装置在正常状态内部填充常压氮气。

公开了体积膨胀装置内平常充入氮气，防止普通空气腐蚀金属内壁及爆裂后能冷却高温瓦斯气体及高温绝缘油。

本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请通过设置油路循环管路，便于升高座内的导体金属过热或局部放电等异常产生的形成的气体不再聚集在升高座的垂直管段的顶端形成气体腔，而是通过油路循环管路及时的向外溢出，进入油箱金属外壳内，消除末端死角气体积聚造成的局部绝缘下降或失效问题。

2.通过设置体积膨胀装置当油箱金属外壳和升高座内部的压力明显高于正常油压，达到易爆板的爆裂阈值时，易爆板发生爆裂，导入高温、高压瓦斯气体，利用气体积急剧膨胀体积后压力温度剧烈降低特性，从而实现瞬间的压力降低，进行减压、泄压。

附图说明

图1是典型单相1000kV特高压变压器线圈电气原理接线图。

图2是现有的特高压变压器升高座及出线装置的结构示意图。

图3a、3b、3c是电弧燃弧短路实验研究中示波器记录的波形图。

图4是特高压变压器升高座局部封闭管路空间电弧短路产生的气体压力形成及传导原理图。

图5是本申请的特高压变压器升高座结构的结构示意图。

附图标记说明：

1、油箱金属外壳；2、升高座；3、套筒；4、屏蔽环；5、油路循环管路；6、轻瓦斯继电器；7、主动电动油泵；8、换热冷却组件；9、体积膨胀装置；21、水平管段；22、垂直管段；23、软导线；24、屏蔽管；25、绝缘纸筒；91、易爆板。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种特高压变压器升高座结构。

针对现有特高压变压器中，参照图2，电弧放电部位主要发生在特高压变压器的升高座2内的问题，对这些通常电场分布复杂，导体、导线连接接触点多，易发生过热，局部放电及局部接触不良高温过热等产生的绝缘油分解。由此产生了小量瓦斯气体，并由此产生及积聚一些瓦斯气体，瓦斯气体升高至顶端死角积聚，或部分随油扩散到油箱金属外壳。通常的，升高座中的瓦斯气体上升流入储油柜途中被瓦斯继电器发现进行了告警，同时在末端死角积聚过多的气体后，升高座2的垂直管段22顶端的绝缘油被气体挤压占领，此空间出现无油的绝缘空间，电气绝缘能力急剧下降，容易发生带电导体对接地壳体的放电短路故障。

短路电弧的电弧能量及加热周围绝缘油，分解成为等质量瓦斯气体的分析计算如下：通过现场电弧燃弧短路实验研究(石墨间隙电弧放电燃弧实验)，示波器记录的波形如图3所示。图中上部通道为示波器记录的电弧电压波，下部为电流波。电流为几十安培，弧间隙为几个毫米时，弧电压降与接近正弦波的电流瞬时值不一致，弧压基本为一稳定(饱和)水平值。而当电弧电流增大到数百安培以后，并且弧通道从几毫米到10毫米以上时，弧电压波形则随着弧电流的瞬时值变化而变化，瞬时电流增大，则弧电压也同步增大。当电弧电流巨大，且弧通道有几十毫米或更长时，电弧放电电压瞬时值也是随着电流瞬时值增大的，波形基本一致。也因此电弧的能量也越大，电弧温度也越高。当电弧电流足够大(数百安培)时，电弧等值电阻约为0.1-0.3欧姆水平(对应间隙3-10毫米)。特高压系统单相短路电流水平一般在30-50千安水平，当变压器升高座内部发生带电体对金属外壳发生击穿放电，形成短路电弧，电弧电流波形几乎为完美的正弦波，电弧电压也是同步的正弦波。

根据工频交流电弧燃弧电流电压及弧间隙特性实验(石墨棒间隙电弧放电实验)，当弧电流为254安，弧间隙约为15毫米时，弧电压为66伏，根据现场观察，此时等离子发光体的温度已经达到了5000-6000k以上的温度值。当电流继续增大同，电弧长度一定时，电弧的几何圆柱体外径会自动按比例扩大(电弧电流密度保持一常数值不变)，电弧沿长度切面的面积按照电流比例平方增大，电弧圆柱体的周长按照电流比例开方增大。根据常规导体的集肤效应原理，等离子体的导电电子也会集中在周长边沿流动。电流越大，电流燃弧的等效圆柱体面积按比例增大(气体中的电弧电流单位面积电流密度会随着电流大小自动适应)，单位长度的等值电阻则受到类似金属导体一样的集肤效应影响，电阻值随面积的开方值按照比例减小。

根据实验数据所得经验，可以认为电弧等值电阻与弧长成正比，与电流比例开方成反关系(与电弧外径周长成反比)。

则电弧燃弧达到等离子体温度5000-6000k及更高时，根据254安，弧间隙约为15毫米时，弧电压为66伏的实验数据，以及与长度、与电弧电流的比例关系，则可以估算等值弧电阻，公式如下：

其中：R为等效电弧电阻，La为可能的电弧燃弧长度(单位为毫米)，Isc为可能的短路电流(单位为安培)。66伏特为实验测量数据，(66V/254A)为实验数据电弧电阻值，(La/15)弧长比例值，为电流比例开方值，电弧电流越大，则等值电弧电阻会按照电流的开方值比例减小。

电弧电阻有两个作用，一是建立弧端电压，二是消耗能量、产生发热维持气体在高温下的等离子状态。

根据以上的公式(1)进行电弧燃弧的等值电阻估算后，就可以计算电弧能量，据此可以进一步计算电弧加热气体的温度和压力值。

针对特高压变压器，根据典型内部尺寸，升高座内部电弧故障弧的长度可以按照200毫米计算，短路电流即电弧电流可以取40kA(系统最大短路电流可达63kA，此处取中间一般短路电流水平)，根据公式(1)，弧电阻约为0.25欧姆，弧端电压为40(千安)*0.25(欧姆)＝10kV。

则电弧的能量功率计算为：P＝40千安*10千伏＝400MW/S，按照1秒50周波计算，每个周波为1/50秒。则一个周波工频短路电流电弧释放的能量为400*1/50＝8MJ。

进而计算电弧加热并分解绝缘油成为瓦斯气体的温度。

电弧直线长度按照升高座内导体对外壳约200毫米(实际弯曲电弧长度取300毫米)计算，电弧(电弧非理想的一条线，而是随着短路电流大小呈现一定外经的圆柱体)圆柱体直径按照200毫米(根据经验，取电弧电流密度为1.3安培/平方毫米)考虑，则电弧加热油、分解油的圆柱体体积为300*((200/2)^2)*3.1415926＝9.42L(升)。

考虑电弧长度及电弧外经更大，则油的质量按照10kg考虑比较合适。

以上计算的一个周波的短路电流电弧能量(8MJ)加热绝缘油到高温高压气体的温度升高值如下示例计算：

T＝8MJ/(10kg*2.3×10³J/(kg℃))＝347℃＝(347+273)K＝620K

变压器绝缘油的比热容为2.20～2.43kJ/(kg·℃)，计算取2.3×10³J/(kg℃)。

8MJ的热能可以将10kg的绝缘油在一个周波(20毫秒)时间从0℃加热到347℃(620k)。

因此，根据目前保护最快切除故障时间约在60-80毫秒内(约为3～4个周波)，足以将电弧周围的油加热到接近或超过1000k((3～4)x347+273)大于1000k的温度高压气体。

参照图2，特高压变压器升高座结构包括油箱金属外壳1、升高座2、套筒3，升高座2呈一体连通的水平管段21与垂直管段22，水平管段21的一端连接于油箱金属外壳1一侧壁上，垂直管段22的一端顶部固定设置套筒3，在套筒3的顶部固定设置有屏蔽环4；油箱金属外壳1、升高座2、套筒3内部填充有绝缘油。在升高座2内部设置有包裹在屏蔽管24内的软导线23、套设在屏蔽管24外侧的绝缘纸筒25，软导线23、屏蔽管24、绝缘纸筒25的一端均经由水平管段21延伸至油箱金属外壳1内部，软导线23、屏蔽管24、绝缘纸筒25的另一端延伸至垂直管段22的顶部。升高座2为一90度折弯的桶状结构，外壳通常为钢结构金属壳体，内部由软导体，导体屏蔽导管，纸绝缘板以及绝缘油形成了复合绝缘部分。

由于在特高压变压器及升高座2内，局部放电或局部接触不良等产生的电弧放电故障，产生并积聚气体，气体升高至顶端死角积聚，且由于升高座2的垂直管段22与套管连接的垂直段部分上端一端完全封闭，升高座2的垂直管段22顶端的绝缘油被气体挤压占领，此空间出现无油的绝缘空间，电气绝缘能力急剧下降，容易发生带电导体对接地壳体的放电短路故障。

当升高座2的垂直管段22顶部死角空间发生电弧对地(对油箱金属外壳1)放电故障时，端部死角空间由于电弧等值电阻制造的高能及高温作用，极短时间内(几个工频周波，约60-80毫秒)分解绝缘油，产生大质量、极高温度(温度达到数千摄氏度(或开尔文)的瓦斯气体，极短时间内，瓦斯气体不能扩散，被压缩在受限的极小空间，形成了巨大的类似于千斤顶或火箭发动机产生的压力(强)、推力源，通过升高座相对细小的充满绝缘油的管路，将压力(压强)传递给体积巨大的变压器封闭器身金属外壳，即如附图4所示，压力(强)通过一端开放的油路，传递给油箱金属外壳。

根据理想气体状态方程公式：

则封闭空间的气体压强公式为：

其中，方程变量P是指理想气体的压强(Pa)，V为理想气体的体积(m^3)，m表示气体物质的量(kg)，M表示气体摩尔质量(kg/mol)，T表示理想气体的热力学开尔文温度(K)，R为理想气体常数,约为8.31J/(mol·K)。

实际公式中的质量m即为电弧分解的等质量绝缘油的成为瓦斯气体的质量，气体体积V也为被电弧燃弧所分解的油的体积。

理想气体状态方程成立条件为极短时间产生的气体被压缩限制在极狭小空间，不能扩散出去，形成了近似于封闭空间的理想气体状态。

假设电弧分解10L，约为0.01m³的绝缘油，其质量约为10kg，被分解并加热的气体温度为1000K)，体积为0.01m³，分解的瓦斯气体按照主成份甲烷考虑，摩尔质量取0.016kg/mol，则故障处高气压对电弧周围的液体施加计算压强为：

当气体温度升高到1000K时，则P＝51,937.5kN/m^2，相当于每平方米特高压变压器油箱壁承受了额外约为52t的力。

以特高压变压器正、反大面约3*6＝18平方米计算，该一个六面体的其中一个大面承受了额外的936t推力。

特高压变压器要承受正常运行条件下的绝缘油压力，电弧短路所制造的压力为增量及额外之力。即使被分解的高温瓦斯气体温度在大于1000K时，这个额外的向外推力约为936t。变压器六面体器身同时受力，结构被撕裂是合理的受力结果。

在内部对金属外壳的接地短路故障中，短路电流可以达到30-63kArms水平，电弧中心温度可达到3000-5000摄氏度，电弧在极短时间内分解绝缘油后的气体成分主要如同DL/T722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中所示绝缘油中电弧产生的氢气，乙炔以及甲烷、乙烷等气体。

根据上述电弧燃烧分解气体消耗的绝缘油的质量及产生的体积空间所分析计算，则在狭小封闭空间里，实际根据公式(2)，电弧持续燃烧时(持续燃烧取决于保护动作以及断路器切除短路电流的时间)，电弧持续加热气体温度，气体温度T可以加热到热力学温度的接近或超过1000k水平程度，气体质量也不断的积累，其质量等同于被分解的绝缘油的质量。

由于电弧剧烈燃烧时，极短的几个周波(时间长短取决于变压器差动保护动作切除故障时间，一般最快约为60-80毫秒内，这些气体被限制在顶端死角空间，因此，利用电弧电能估算计算方法及加热分解变压器油液体的计算方法，以及公式(2)就可以计算出电弧燃弧动态过程中的气体压强值。

据此压力值可以计算并分析特高压变压器六面体在电弧燃弧作用下的突发性受力状况及其可能后果。

此随电弧短路燃弧时间加长而不断加大的压强，会通过升高座内的油路液体传递到主变压器具大面积的油箱金属外壳，油箱金属外壳产生的受力可以采用下式计算：

F＝ΔPS (3)

ΔP为电弧分解油成为高温气体的增量压强，此增量压强通过约3米长的纸板绝缘同心圆油路，将压力传递到了面积巨大，外形为六面体的各个封闭式油箱金属外壳箱壁S上，面积为S外壳壁承受与压强与面积乘积相等的向外压力，最终将箱体金属外壳撕裂。

在特高压爆然故障中，虽然在油箱金属外壳安装了压力释放装置，但没有动作，内部向外的高压力压破或撕裂器身后，高温可燃气体与氧气接触发生了剧烈的化学反应，发生了所谓的爆燃事件。

故障中的爆燃及变压器油箱被(顶破)撕裂，首先由于特殊的管路及油路条件，形成局部的高压强源(升高座顶端死角空间电弧极短时间内分解了大量气体，极高温气体在受限空间具有巨大的压强(公式(2)计算)，根据分析，差动保护切除时间越长，则公式(2)及(3)制造的压强及压力越大。实际的多起相同事故故障说明，在升高座顶部发生对地短路后，传统的差动保护的总的保护动作时间(保护动作加断路器开断)是不能起到保护这种特殊故障的作用。

其次，由于升高座相对狭长的管路，以及内部有同心圆纸板及绝缘油道形成的高压油管压力传输管路，将高压强的压力传递给了尺寸及体积巨大的变压器的油箱金属外壳，制造了巨大的内部向外压力，这些综合因素形成了类似于千斤顶的物理学工作原理及其作用，即一个小面积的高压强制造源，通过高压管路，将面积巨大的变压器钢结构器身(顶破)撕裂。

实际变压器在注油前要进行密封性及耐压试验，试验根据DL/T 264《油浸式电力变压器(电抗器)现场密封性试验导则》进行，变压器的油箱金属外壳密封后进行的空气加压耐受及密封性试验，试验加压压力为30kPa(相当于0.3个大气压)。与前述计算中计算出的大电流电弧分解油产生瓦斯气体的压力不能相比。如此大的压强产生的破坏作用及其后果，可以根据计算数据很直观地反映出来。

根据1标准大气压＝101.325kPa(kN/㎡)计算，则电弧周边的瓦斯气体温度为1000k时就可以制造出约51，937.5kPa＝519.4个标准大气压的压强值，形成强烈的压力冲击。

由上述计算分析可知，如果几十千安的短路电流在诸如升高座顶部极小的空间内燃烧电弧，将一定质量的绝缘油液体转化为等质量的含有氢气、甲烷为主的瓦斯气体，同时由于狭小空间及特殊结构的限制及束缚，一端为刚性封闭的长桶状管道中的油液体阻止、限制这些气体的体积扩散及膨胀，同时电弧等离子体不断分解绝缘油并制造瓦斯气体、同时还会剧烈加热气体。根据公式(2)，可以计算出气体温度在500k、1000k、1500k等温度下的类似于千斤顶的压强值。

表1为不同瓦斯气体温度下的压强值及单位面积/㎡的压力值计算表。

公式(2)显示，气体体积受限制及受约束后，其压强值大小取决于被不断加温的气体温度值，气体温度值则决定于电弧的温度及燃弧时间长短。

表1不同瓦斯气体温度下的压强值及单位面积压力值计算表

总之，计算及分析量化了并显示了这种由30～63kArms巨大电流短路发生在特殊电路及绝缘油路中进行电弧燃烧时的物理特性及其必然的破坏作用。总长约3米的桶装结构的套管出线升高座装置，因为其一端为封闭的刚性结构，一端为对巨大体积空间的充油器身开放的细桶柱结构，顶端如果由于电弧放电分解并产生了压力强度巨大的压力源，则必然在密闭的大体积的变压器钢结构器身内面上施加巨大的突发的额外顶出压力，很容易在极短时间内将钢结构破坏，制造所谓的“撕裂”后果及现象。

参照图5，在通常的使用的过程中，随着通常会在垂直管段22的顶端死角内部具有形成气体腔的隐患状态。在本申请中，在垂直管段22靠近顶端处设置有与油箱金属外壳1连通的油路循环管路5，其中，油路循环管路5与垂直管段22的连通口的高度小于油路循环管路5与油箱金属外壳1连通口的高度。油路循环管路5至少包括倾斜管段，倾斜管段具有扩散气体，便于气体顺着油路升高扩散并移出的效果。油路循环管路5可以整体设置为倾斜管段，也可以部分设置为倾斜管段，倾斜管段倾角大于10°为宜，可优选15°。通过设置油路循环管路5，便于过热，局部放电及局部接触不良高温过热等产生形成的气体不再聚集在升高座2的垂直管段22的顶端形成气体腔，而是通过油路循环管路5及时的向外溢出，消除末端死角气体积聚造成的局部绝缘下降或失效问题。

参照图5，在油路循环管路5上设置有轻瓦斯继电器6，轻瓦斯继电器6设置在倾斜管段处。瓦斯继电器是特高压变压器所用的一种保护装置，通常是装在特高压变压器的储油柜和油箱之间的管道内，利用特高压变压器内部故障而使油分解产生气体或造成油流涌动时，使气体继电器的接点动作，接通指定的控制回路，并及时发出信号告警(轻瓦斯)或启动保护元件自动切除特高压变压器(重瓦斯)。目前的实践和检索相关专利均体现出，重瓦斯继电器和轻瓦斯继电器6均有使用，实际在一些特高压站主特高压变压器在发生爆燃之前已经出现轻瓦斯气体继电器的报警，说明特高压变压器内部有了一定量的瓦斯气体产生，由常规的轻瓦斯继电器6监测了出来，并且发出了告警信号，之后不久就发生了严重的爆燃事故。也就是目前的特高压变压器虽然使用了轻瓦斯继电器6用于检测瓦斯气体，但由于安装的位置，距离升高座瓦斯气体产生的位置较远，并且，传统的特高压变压器中产生瓦斯气体是通过自由扩散后采集到检测的，检测明显滞后。在本申请中，在垂直管段22靠近顶端处设置有与油箱金属外壳1连通的油路循环管路5，也就是在瓦斯气体产生的位置与油箱金属外壳1之间设置倾斜状态的油路循环管路5，便于在产生瓦斯气体后的第一时间，瓦斯气体即可向空间更大的油箱金属外壳1内扩散，从而及时的产生外溢，避免聚集，并且将轻瓦斯继电器6安装在该扩散通道上，从而能够在产生瓦斯气体后第一时间及时的监测、检测到瓦斯气体积聚到瓦斯继电器的气体量，以便于尽早反馈并及时预防和处理。

参照图5，该特高压变压器还设置有主动电动油泵7，通过启动主动电动油泵7，来带动绝缘油的运动，同时也能够主动带动内部产生的瓦斯气体的被抽走、移动，从而将瓦斯气体从局部聚集的状态，变为疏散、带走的状态，规避由于局部聚集产生绝缘油被排挤、油纸绝缘急剧下降或失效的现象。作为一种设置方式，可以将主动电动油泵7设置在油箱金属外壳1或升高座2或油路循环管路5内部，主动电动油泵7可以定期或不定期的启动带动绝缘油的循环运动，当然，也可以与其他检测器连接，通过检测到瓦斯气体时，及时启动。优先将主动电动油泵7设置在轻瓦斯继电器6的后方。

在本申请的实施例中，设置有换热冷却组件，用于对绝缘油就行热交换，从而起到对绝缘油降温的效果。换热冷却组件优先设置在升高座2的垂直管段22内部、油路循环管路5与油箱金属外壳1连通口处下方，或，设置在油箱金属外壳1内部、靠近油路循环管路5与油箱金属外壳1连通口处。通过启动换热冷却组件对绝缘油换热，从而起到降温的作用，达到降低升高座内电弧短路爆燃的干预效果。

参照图5，在本申请的实施例中，在升高座2的侧壁上设置体积膨胀装置9，体积膨胀装置9包括膨胀容室，开设在膨胀容室靠近升高座2的侧壁一侧的膨胀通道，通过膨胀通道将膨胀容室和升高座2的内部连通，在膨胀通道上设置有易爆板91，易爆板91的爆裂阈值大于正常油压。通过设置体积膨胀装置9当油箱金属外壳1和升高座2内部的压力明显高于正常油压，达到易爆板91的爆裂阈值时，易爆板91发生爆裂，从而实现瞬间的高温高压瓦斯气体的被导入体积膨胀装置9的空腔中正常充常规大气压氮气，相对极高压力的瓦斯气体为理想的空腔)，气体体积急剧下降、降低、进行电弧燃弧分解油后的瓦斯气体的泄压。

参照图5，在本申请的实施例中，体积膨胀装置9设置有多个，不同体积膨胀装置9的易爆板91的爆裂阈值相同或不同。作为一种实施方式，设置两个体积膨胀装置9，其中两个易爆板91的爆裂阈值相同，当油压显著升高时，两个易爆板91同时破裂，瞬间泄压能力较强，从而使瓦斯气体压力降低、温度降低，防止特高压变压器的爆裂事故发生。作为另一种实施方式，设置两个体积膨胀装置9，其中两个易爆板91的爆裂阈值不同，当油压显著升高时，爆裂阈值较低的一个易爆板91首先破裂，进行第一次泄压，从而使内部压力降低、温度降低，防止特高压变压器爆裂。当油压再次显著升高时，达到第二个易爆板91的爆裂阈值，爆裂阈值较大的易爆板91破裂，进行第二次泄压，从而使内部进一步压力降低、温度降低，防止了爆裂。

易爆板91的设计与特高压变压器的体积膨胀装置9密切相关，其主要目的是在特高压变压器内部压力过高时，通过易爆板91爆裂来释放压力，防止特高压变压器发生器身的撕裂和爆燃(炸)。材料选择：易爆板91的材质应选择具有较高抗压强度和韧性的材料，如钢、铝或复合材料。同时，材料应具有良好的耐高温性能，以适应特高压变压器内部高温环境。结构设计：易爆板91的结构设计考虑其较高压力下的爆破性能。此外，易爆板91的四周边缘应采用圆角过渡，以减少应力集中，提高爆破安全性。防爆膜设计：防爆膜是易爆板91的关键组成部分，其作用是在压力作用下迅速破裂，形成大量碎片，从而将压力导入充满氮气的体积膨胀装置。防爆膜的厚度、强度和延展性应根据特高压变压器内部压力和温度进行调整。同时，防爆膜表面应涂覆耐磨、耐高温的特殊涂料，以提高其抗腐蚀性能。安装方式：易爆板91的安装方式应确保其在特高压变压器内部的压力达到一定值时能够迅速、均匀地爆裂。可采用磁力吸附式、螺栓固定式等安装方式。同时，为防止易爆板91在运输、安装过程中受到冲击而破裂，可采取加强筋、防震垫等辅助措施。

防护措施：为防止易爆板91在使用过程中受到外部环境的影响，可采取一定的防护措施。如在易爆板91表面涂抹防水、防腐涂料；采用防爆玻璃或透明材料制作易爆板91表面；综上，易爆板91的应综合考虑材料选择、结构设计、防爆膜设计、安装方式、安全阀设计和防护措施等多个方面，以确保其能够在特高压变压器内部压力过高时有效地释放压力，保障特高压变压器的安全运行。

本申请针对这种特高压变压器、特高压换流器变压器套管升高座2内部存在诸如导体接头发热、局部放电产气及接头松动后的局部过热产气等故障的发生、发展过程，以及监测由此产生的气体变化及积累过程；采用油路循环管路5贯通及联通结构，开通绝缘油中气体的向上通路，油中气体可以随时顺畅进入主油箱顶部空间，由此消除并避免由于气体的产生及积累在升高座2的垂直管段22顶部死角局部，导致油空间被气体占领，容易收集积累由于过热、局放以及接头松动后的异常产生的气体，消除产生局部绝缘失效问题，减少故障几率或避免最终发生升高座2内部的接地短路故障事件。在升高座2外部，加装吸收扩张气体压力的体积膨胀装置9，在电弧放电短路、出现压力冲击波后体积膨胀装置9的易爆板91碎裂，通过扩大空间的方式释放压力及冷却高温气体。高压气体的体积膨胀装置9瞬时可以膨胀高压气体体积(每个压力扩张冷却装置体积增大按照大于0.5立方米设计，可根据升高座2体积尺寸设置至少2个，扩大高温高压气体的体积，成100倍的增大气体体积，显著增大公式(3)气体体积V，同时气体及时扩张后气温度T也会随之下降，则气体压力就会急剧下降，加装了气体膨胀装置后，改变特高压变压器的器身的刚性结构为非刚性结构，提供气体膨胀空间，显著降低压强值。通常，在体积膨胀装置9内充入常压(正常大气压)的氮气，释放的高温瓦斯气体在氮气空间不会与氧气接触而燃烧。

当高温瓦斯气体压力被扩大100倍(从10升扩张到1000升)后，瓦斯压强值及单位面积压力值会剧烈下降到安全值。经过测试，采用体积膨胀装置即压力释放箱体装置后电弧燃弧产生的瓦斯压强值及单位面积压力值从表2修正值如下。

表2不同瓦斯气体温度下的压强值及单位面积压力值修正计算表

压强/kpa	单位面积受力/t/㎡	3*6㎡变压器的器身正面额外受力/t
			260	0.26	4.68
520	0.52	9.36
			1040	1.04	18.72

由上表计算证明特高压变压器的升高座内部故障时，变压器主油箱即油箱金属外壳1将受到非常巨大的向外的力，将油箱金属外壳1撕裂是必然结果。也证明了本申请中的电弧电阻估算的方法，以及电弧分解油量计算、分解后的瓦斯气体温度计算，瓦斯气体压力计算，特高压变压器的油箱金属外壳有力计算方法及其步骤的合理性。

在升高座2加装体积膨胀装置9，在压力超过10个标准大气压值后动作，扩大及伸张高压气体体积，降低气体压力及温度。在开放通路形成内形成后及加装压力冲击波动作体积膨胀装置9后，气体体积V就不再等于受限空间条件下的被分解的油的体积，而是电弧不断分解气体(实际内部故障差动保护一定会动作，最长80毫秒，四个周波会切除故障)可以同时通过向上及向下开放的管路及爆破后的易爆板91向外逃逸出去(主要逃逸扩张到体积膨胀装置9充氮气空间里)，不再形成强迫聚集被约束后的极小体积，气体分子快速逃逸疏散后的等值体积V可以变得很大，同时气体温度也会被油冷却后剧烈下降，因此，T(气体的热力学温度)也会剧烈下降，因此，压力强度P也会因之下降100倍之多。仅通过采用体积膨胀装置9进行压力降低，可以减低到1％水平值。

本申请还设置有控制系统，为了保证特高压变压器的正常运行，需要对其进行实时监控和控制。可以通过安装传感器和控制器来实现对瓦斯气体检测、主动电动油泵7等的自动控制等。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种特高压变压器升高座结构，包括升高座（2），所述升高座（2）呈一体连通的水平管段（21）与垂直管段（22），所述水平管段（21）的一端连接于特高压变压器的油箱金属外壳（1）一侧壁上，所述垂直管段（22）的一端顶部固定设置套筒（3），在所述套筒（3）的顶部固定设置有屏蔽环（4）；所述油箱金属外壳（1）、所述升高座（2）、所述套筒（3）内部填充有绝缘油；其特征在于，

所述升高座（2）内部设置有包裹在屏蔽管（24）内的软导线（23）、套设在所述屏蔽管（24）外侧的绝缘纸筒（25），所述软导线（23）、屏蔽管（24）、绝缘纸筒（25）的一端均经由所述水平管段（21）延伸至所述油箱金属外壳（1）内部，所述软导线（23）、屏蔽管（24）、绝缘纸筒（25）的另一端延伸至所述垂直管段（22）的顶部；

在所述垂直管段（22）靠近顶端处设置有与所述油箱金属外壳（1）连通的油路循环管路（5），其中，所述油路循环管路（5）与所述垂直管段（22）的连通口的高度小于所述所述油路循环管路（5）与所述油箱金属外壳（1）连通口的高度。

2.根据权利要求1所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

所述油路循环管路（5）至少包括倾斜管段，所述倾斜管段倾角大于10°。

3.根据权利要求2所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

在所述油路循环管路（5）上设置有轻瓦斯继电器（6），所述轻瓦斯继电器（6）设置在倾斜管段处。

4.根据权利要求3所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

该特高压变压器还设置有主动电动油泵（7），所述主动电动油泵（7）设置在所述油箱金属外壳（1）或升高座（2）或油路循环管路（5）内部。

5.根据权利要求3所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

在所述升高座（2）的垂直管段（22）内部、所述油路循环管路（5）与所述油箱金属外壳（1）连通口处下方设置有换热冷却组件（8）。

6.根据权利要求3所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

在所述油箱金属外壳（1）内部、靠近所述油路循环管路（5）与所述油箱金属外壳（1）连通口处设置有换热冷却组件（8）。

7.根据权利要求1所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

所述绝缘纸筒（25）设置为单层或多层；设置为多层时，相邻所述绝缘纸筒（25）之间填充满绝缘油。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

在所述升高座（2）的侧壁上设置体积膨胀装置（9），所述体积膨胀装置（9）包括膨胀容室，开设在所述膨胀容室靠近所述升高座（2）的侧壁一侧的膨胀通道，通过所述膨胀通道将所述膨胀容室和所述升高座（2）的内部连通，在所述膨胀通道上设置有易爆板（91），所述易爆板（91）的爆裂阈值大于正常油压。

9.根据权利要求8所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

所述体积膨胀装置（9）设置有多个，不同所述体积膨胀装置（9）的易爆板（91）的爆裂阈值相同或不同。

10.根据权利要求8所述的一种特高压变压器升高座结构，其特征在于，

所述体积膨胀装置（9）在正常状态内部填充常压氮气。