主变呼吸器硅胶更换与重瓦斯保护 投退探析

马少杰

中广核新能源学院

摘要：瓦斯保护是变压器的主保护之一，在变压器的保护中起着重要作用，关于重瓦斯保护的投退规程也做了一些说明，但是对于日常运维工作中常见的主变呼吸器硅胶更换作业，是否进行重瓦斯保护改投信号的操作，业界也是一直众说纷纭。今天笔者将从呼吸器工作原理、瓦斯继电器的保护原理以及油枕的工作原理进行分析，探讨一下硅胶更换过程中的重瓦斯保护投退问题

关键词：呼吸器 瓦斯继电器 重瓦斯保护 波纹管式油枕

0 引言

主变呼吸器硅胶更换作业是变压器日常维护工作中常见作业，但是作业过程中是否将重瓦斯保护由跳闸改投信号，业界也是众说纷纭，未形成一致意见。有人认为不需要，有人认为需要，也有人认为应该改投信号但是更换作业结束后，主变还需要经过24小时试运行才能将重瓦斯保护由信号改投跳闸。今天笔者就从呼吸器工作原理、瓦斯继电器的工作原理以及油枕的工作原理进行分析，探讨一下硅胶更换过程中的重瓦斯保护投退问题。

1 主变油枕

1.1 油枕的作用及种类

主变的油枕也叫储油柜，安装在主油箱斜上方，通过油管和主油箱相通。主要作用是给变压器油因受温度变化而热胀冷缩提供了一个膨胀室，同时还可以给变压器引线和套管内的出线提供绝缘油，增加绝缘强度。油枕分为胶囊式、隔膜式和金属波纹管式。胶囊式油枕由于易龟裂基本已被淘汰。现在主变油枕大部分是隔膜式和金属波纹管式，而又以金属波纹管式油枕居多。金属波纹管式油枕又分为内油式和外油式两种。由于内油式波纹管的变压器油在金属波纹管内部，不与空气直接接触，因此内油式油枕没有呼吸器。而外油式油枕的变压器油在波纹管外部，波纹管内腔室通过管道末端安装的呼吸器与大气进行气体交换，在油枕和主油箱相连接的管道上还装有瓦斯继电器，用于变压器的瓦斯保护（如图1所示）。下面讲一下外油式油枕的结构及工作原理。

图1 外油式油枕结构

1.2油枕的结构及工作原理

外油式油枕采用柔性不锈钢波纹补偿器做为变压器油容积变化的补偿元件和隔离元件，又称外油式波纹管油枕，其在彻底隔绝空气和潮气的条件下，实现对变压器主体油的体积补偿。如图1所示金属波纹管和油枕之间的空间为变压器油，称为“油室”。油室内的油通过瓦斯继电器及连接管道和主油箱相通。金属波纹管的内腔通过与侧面管道末端相连的呼吸器实现与大气相通称为“气室”。在工作状态下，内置的波纹管像一个巨大的风匣漂浮在变压器油环境中，当变压器本体内的油随温度变化时，绝缘油发生体积的热胀冷缩，促使波纹管伸缩，从而改变油枕内油室的容油体积，实现对变压器油体积的补偿。当变压器油温度升高时，主油箱内的油通过连接管道流经瓦斯继电器进入油枕的油室，实现对主油箱的排油。同时油枕油室内的油压缩金属波纹管，使得气室中多余的空气通过呼吸器排到大气，维持整个油枕与大气压处于平衡状态；当变压器油温度降低时，油室内的油通过连接管道流经瓦斯继电器进入主油箱实现对主油箱的补油，同时金属波纹管伸长，使得气室通过呼吸器吸入大气，维持整个油枕与大气压处于平衡状态。

2 主变呼吸器

2.1 呼吸器的作用

主变在运行过程中，当变压器内油的体积因温度发生变化时，为使变压器内的压力不发生变化，就要由呼吸器通过呼出和吸入的空气来补偿这种变化，这种吸气排气的现象就像人的呼吸一样因此叫做“呼吸器”。另外呼吸器也叫吸湿器，因为其内部充有吸附剂，下部装有油封杯。吸附剂常采用变色硅胶，其作用是吸收空气中的水分，对进入油枕的空气进行干燥，防止变压器油受潮；油封杯内装有变压器油，其作用是过滤空气中的杂质，防止变压器油被污染。

与油枕相通

外油盅

（油封杯）

最低油位刻度

最高油位刻度

内油盅

硅胶颗粒

排气孔

大气

正常运行时 负荷降低吸气时 负荷升高呼气时

图2 变压器不同运行状态运行时呼吸器的工作原理

呼吸器的工作原理如图2所示：

1）正常运行时：变压器油枕内为微负压（低于大气压力），呼吸器內油盅与油枕相通，外油盅与大气相通。由公式： 可知：內油盅的油位高于外油盅油位h。

2）负荷降低时，由于油枕内温度降低，变压器内气体收缩吸气， 减小， 不变，內油盅继续从外油盅吸油，则 增大即h增大，內油盅的油位上升，外油盅油位下降，内油盅高于外油盅的油位h继续增大。

3）负荷升高时，由于油枕内温度升高，变压器内气体膨胀呼气， 增大， 不变，内油盅向外油盅排油，则 减小为负值即公式： ，內油盅的油位降低，外油盅油位升高，最后內油盅油位低于外油盅油位。

由此可知，油枕内的压力通过内外油盅的油位进行补偿调节，始终与大气保持压力平衡状态。

2.3 呼吸器硅胶失效分析

呼吸器硅胶吸气时，內油盅油位过高，堵住內油盅顶部呼吸气孔，造成吸气困难，并会将內油盅内油吸入呼吸器硅胶罐内，引起硅胶失效，失去除湿的作用。当油位过低时（低于最低油位刻度）：吸气时外油盅杯油位过低，容易在吸气时，外油盅杯不能起到油封的作用，使外部湿润气体进入到呼吸器，容易造成硅胶快速失效，除湿效果减小，又因为外部环境一般又有杂质灰尘，因此影响变压器油的油质。

3 瓦斯继电器

3.1 瓦斯继电器的作用

瓦斯继电器是变压器用的一种保护设备。当变压器内部发生轻微故障时如内部发生轻微放电，由于短路电流和短路点电弧的作用，使变压器油及其它绝缘材料受热而分解产生气体，因气体比较轻，就要从油箱流向上部油枕，产生的气体使气体继电器的接点动作从而及时发出轻瓦斯报警信号；又或者因油箱密封不严混入空气也有可能会发生轻瓦斯报警信号。当变压器内部发生严重故障时，如发生严重的匝间短路，产生大量的热量，会使油迅速膨胀并有大量气体，此时由于油箱内的瞬间压力会远远高于油枕内压力，就会产生剧烈的油流和气流由油箱冲向上部油枕，产生的油流或气流就启动继电器的接点，接通指定的控制回路，自动切除变压器这就是重瓦斯保护跳闸。

利用变压器内部故障会使变压器油产生气体或者油流这一特点，我们设置了轻瓦斯保护和重瓦斯保护，统称为瓦斯保护，这个实现瓦斯保护动作的装置称为瓦斯继电器。它安装在主变的油枕和主油箱的连接管路上如上图1所示。

3.2 瓦斯继电器的结构及工作原理

瓦斯继电器的种类主要有三类：开口杯式、单浮球式和双浮球式。而对于现在的新能源电场来说其容量比较小电压等级也比较低，基本都是使用的开口杯式，开口杯式瓦斯继电器内部结构主要如图3所示。

1. 保护罩 2、顶针 3、排气塞 4、磁铁 5、开口杯 6、重锤 7、探针 8、开口销

9. 弹簧10、挡板 11、磁铁 12、螺杆 13、干簧接点（重瓦斯） 14、调节杆

15、干簧接点（轻瓦斯）16、接线柱 17、排气口

图3 开口杯式瓦斯继电器内部结构图

在正常运行时，继电器内充满油，开口杯5浸在油内，处于上浮位置，通过重锤6保持平衡，开口杯侧面的磁铁4和一对干簧片保持一定的距离，干簧片不吸合干簧接点15断开。当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于瓦斯继电器的上部空间，上部空间压力变大，使油面下降，但是开口杯内液面不下降，此时打破和重锤保持的原有平衡，开口杯随油的液面下降而下落，直至与重锤达到一个新的平衡点，而这个平衡点正好使得开口杯侧面的小磁铁4使干簧片吸合，簧节点15接通，发出报警信号，这就是所谓的“轻瓦斯”。

在正常运行时，变压器主油箱和油枕之间管路内的油流由于压力保持平衡，基本属于静止状态。即便是由于油温的变化，油枕对主油箱有补油或者排油造成的油的流动，也是流速比较小的紊流。因此挡板10背面的两块小磁铁11与两对干簧片保持一定的距离，干簧片不吸合干簧接点13断开。与当变压器内部发生严重故障时，则产生大量的的瓦斯气体，使油箱内压力瞬时突增，远远高于油枕内压力，就会产生强烈的油流冲向上部油枕，产生的油流冲击挡板10，使挡板背面的两块小磁铁11接近两对干簧片使两对干簧片吸合，干簧节点13接通，发出跳闸信号，自动切除变压器这就是重瓦斯保护跳闸。

4 问题分析

通过前文油枕的结构及工作原理、呼吸器的结构及工作原理以及瓦斯继电器的结构及重瓦斯保护工作原理的讲解可知：主变油因温度变化而产生的热胀冷缩的容积变化通过呼吸器呼出和吸入油枕气室的空气量来补偿了这种变化，而使的主变油箱内的压力不发生变化。维持了整个系统与外界大气压的平衡。

由瓦斯继电器的工作原理可知：当油箱内压力突然变大或者是油枕内压力突然减小，就会引起油箱内产生强烈的油流流向油枕，冲动瓦斯继电器的挡板，使两对P（跳闸）接点闭合，发出重瓦斯跳闸信号，自动切除变压器。

当更换呼吸器硅胶时，在拆除呼吸的过程中，实际上呼吸器内外油盅的油位的变化h实际并不大，而且油枕内压力与大气相通，始终保持平衡，因此h的变化也基本是无扰缓慢的，因此不会引起油枕内压力的突然变化，所以主变油箱内也不会产生强烈的油流流向油枕而发出重瓦斯跳闸信号。因此很多人建议在进行呼吸器硅胶更换的时候不用退出重瓦斯保护，甚至很多论文支持这个观点。但是笔者持有不同的观点，呼吸器硅胶更换时应该将重瓦斯保护改投信号。其理由如下：

1）当油枕和呼吸器以及大气之间呼吸通畅的时候，主变油因温度变化而产生的热胀冷缩的容积变化通过呼吸器呼出和吸入油枕气室的空气量来补偿了这种变化，而使的主变油箱内的压力不发生变化。因此油箱和油枕之间总是保持压力平衡状态，不会形成强烈的油流。但是假如油枕和呼吸器以及大气之间呼吸不通畅，有前文图1可知，油枕和呼吸器以及呼吸器和大气之间没有阀门，发生不通畅的可能只能是呼吸器通气孔堵塞。如果呼吸器通气孔堵塞，主变油因温度变化而产生的热胀冷缩的容积变化不能通过呼吸器呼出和吸入油枕气室的空气量来进行补偿这种变化，而使的主变油箱内的压力发生变化，温度越高，油箱内压力将越大，由于变压器内油压无法调节，当内部油压增加到一定程度时，此时如果进行硅胶更换作业时使得呼吸器通气孔被重新打开，油流瞬时涌向油枕，导致重瓦斯误动故障。在国家电网有限公司十八项反措中第九部分《防止大型变压器（电抗器）损坏事故》9.3.3.3中也提到

“吸湿器安装后，应保证呼吸顺畅且油杯内有可见气泡。寒冷地区的冬季，变压器本体及有载分接开关吸湿器硅胶受潮达到2/3 时，应及时进行更换，避免因结冰融化导致变压器重瓦斯误动作”。另外如果硅胶颗粒不符合规范，比如硅胶颗粒直径小，造成的呼气不畅，也可以近似认为通气孔不畅堵塞。由此可见因呼吸器通气孔堵塞而在换呼吸器硅胶时的概率还是有的，在电力行业，只要有这种可能性我们就要防止重瓦斯误动作，因此应该将重瓦斯保护改投信号。

2）也有人认为瓦斯保护是主变保护的主保护，退了以后，如果此时主变内部发生严重故障时，主变就会缺少重瓦斯保护跳闸，因此不应该随便退出重瓦斯保护。而实际上主变还有一个重要的主保护即差动保护，也是当主变内部发生严重故障时，使变压器保护跳闸，实际并未缺少主保护，因此笔者认为更换呼吸器硅胶时重瓦斯误动作发生跳闸的几率比主变内部忽然发生故障的几率更大，况且差动保护还在投入中。 “两利相权取其重，两害相权取其轻”，因此笔者认为在更换呼吸器硅胶时可以短时间内将重瓦斯保护改投信号。但是更换作业完成后，检查瓦斯继电器无异常报警后应该立刻将重瓦斯保护改投跳闸而不是经过24小时试运行。

5、结论

通过前面分析我们不难得出，在更换呼吸器硅胶时，为了防止主变因重瓦斯误报警而发生跳闸事故，在更换呼吸器硅胶时可以短时间内将重瓦斯保护改投信号。但是更换作业完成后，检查瓦斯继电器无异常报警后，应该立刻将重瓦斯保护由信号改投跳闸，而不必经过24小时试运行。在国家电网有限公司十八项反措中第九部分《防止大型变压器（电抗器）损坏事故》9.3.3.1中提到“运行中变压器的冷却器油回路或通向储油柜各阀门由关闭位置旋转至开启位置时，以及当油位计的油面异常升高、降低或呼吸系统有异常现象，需要打开放油、补油或放气阀门时，均应先将变压器重瓦斯保护停用”。

参 考 资 料

[1] 国家电网公司运维检修部。国家电网公司十八项重大反措事故措施修订版。2018。中国电力出版社。

[2] 丁毓山，罗毅，张中清，张运山。变电站值班员。 中国水利电力出版社。