解析变压器储油柜及主要附件设计

莫向宁

摘要：用户需求多样化引起油浸式电力变压器的设计结构变化较多，储油柜作为其主要组成部件，按订制需求正确调整设计以满足设备性能要求是极其重要的。通过对国内外关于变压器设计结构的研究及资料调查，根据实际工作积累的设计经验，本文作者较为详细地解析了油浸式变压器储油柜的作用、主要部件及设计原理。

关键词：油浸式变压器；储油柜；原理

1 变压器储油柜的作用

高电压变压器通常采用油浸式变压器类型，变压器主体内部充满绝缘油，器身以及内部带电部件、引线等完全浸入油中，从而更容易达到带电部件消除放电所需的绝缘距离要求。相对于空气作为绝缘介质所需要的更大绝缘距离，通过采用适当的绝缘隔离结构设计，高电压部件在油中的绝缘距离可降低到空气绝缘距离的约1/10至1/5，极大地缩小高电压中大型变压器的外形尺寸，达到降低变压器及变电站造价成本的效果。其次，绝缘液体油具有很好的冷却效果，可更好地降低变压器内部的大电流导体温度，从而增加带电体周边绝缘纸板等材料的老化周期，因此，油浸式变压器往往有30年以上的使用寿命。

储油柜是油浸式变压器的重要组成部件，主要作用是避免变压器内部绝缘油热胀冷缩导致内部压力过大或主体缺油。储油柜是通过一截较短的导流油管与变压器主体连接，其内部只填充部分绝缘油。工作原理是：当变压器运行时，线圈和铁心发热，就会使绝缘油的温度增高，从而油体积增大,绝缘油就开始通过导流管流向储油柜，从而保持变压器内部处于稳定均衡的压力状态，避免因油体积增加带来的压力过大导致内部部件变形损坏；同时，储油柜也需保持有足够的绝缘油，当变压器负载降低，引起内部温度降低，油体积变小时，储油柜中的油就会通过导流管流向变压器主体，从而避免因油体积减小导致器身和带电体没有浸入油中发生发电，使高电压电位持续处于安全的绝缘状态。

储油柜的另一个重要作用是把变压器绝缘油与外部空气及空气水分隔离开，避免绝缘性能降低以及延缓绝缘油及绝缘件的老化。变压器绝缘油与空气接触会加速油质老化，并且如果绝缘油受潮会降低其绝缘性能，所以对于高电压变压器，让绝缘油处于真空隔离状态对保证良好油质有很大帮助。

图1：油浸式变压器外貌

2 储油柜类型

储油柜由多个部件组成，分别为外壳、胶囊或波纹芯体、油位计、连接管、支架等。

储油柜可分为两大类：密封式储油柜和开放式储油柜。

密封式储油柜内的油通过可膨胀附件（即胶囊或金属波纹芯体）与空气隔离，防止潮气与氧气接触变压器油，从而延长变压器油的使用寿命。密封式储油柜有良好的防止变压器油老化效果。

图2：密封式储油柜常见结构

开放式储油柜内的油通过吸湿器与空气直接接触(不使用胶囊等隔离附件)。开放式储油柜仅用于对油质要求相对不那么严苛的情况。例如：电压较低的配电变压器，或油量很小的开关油室储油柜。此类储油柜使用范围小，结构简单，附件单一，这里就不再对其进行解析。

图3：开放式储油柜结构

两种类型的储油柜的区别主要在于是否使用胶囊等隔离附件对油与空气进行隔离。下文我们用占市场份额约90%的密封式储油柜中最为常见的圆柱型胶囊储油柜来做解析示例。

3 胶囊储油柜解析

3.1 胶囊储油柜设计结构

胶囊储油柜结构简洁，技术成熟，维护方便。它能完全满足变压器制造工艺流程中的真空注油和正压渗漏试验要求。此外，此类储油柜可根据各类变压器需求做定制化设计。因此，胶囊储油柜有很广泛的应用范围。

图4：胶囊储油柜结构分解图

胶囊储油柜通过胶囊和吸湿器配合达到双重保护的效果,一方面通过胶囊让变压器油与空气隔离，另一方面利用吸湿器避免了空气中的水分进行胶囊，极大延长了胶囊自身的使用寿命。具体的油保护逻辑图如下：

图5：油保护逻辑图

3.2 胶囊储油柜容积设计

储油柜最重要的设计要求之一是如何计算容积量。如果容积设计过小，会造成功能达不到要求，运行时变压器负载偏高但没有超出正常负载，也会出现高油位报警，严重时甚至会因内部油压过高造成压力释放阀喷油及变压器跳闸。如果容积过大，则会造成不必要的成本增加，降低产品竞争性。

储油柜容积设计可使用以下公式：

需求容积=变压器总油量 x 油膨胀系数 x （环境最高温度-最低温度+内部温升）x 校正裕度

其中，油的热膨胀系数由绝缘油自身的性能决定。虽然各个生产商的绝缘油参数略有偏差，但是也须满足标准要求，所以绝缘油在不同温度下的热膨胀系数虽略有变化，为了简化计算，通常只取常温数值，以及通过调节校正系数达到足够的运行安全裕度。对于常用的矿物油，油膨胀系数可参照以下数值：

热膨胀系数
20~30°C	30~40°C	40~50°C	50~60°C	60~70°C	70~80°C	80~90°C	20~90°C
0.00078	0.00078	0.00078	0.00078	0.00079	0.00081	0.00082	0.000791

明显地，储油柜内部容积等于截面积乘以长度。但实际上，受内部结构限制，储油柜有效储油容积会小于几何总容积，这需要在储油柜设计时详细核算。

首先，受机械结构限制。在储油柜下部，出于防止污质沉淀进入变压器主体的考虑，储油柜导向主体的导流管应伸入内部高于底部约20-40毫米处，即下图储油柜底部的（1）处，以便避免沉淀在底部的杂质跟着导流管落到主体。在储油柜上部，需要留出足够的空间用以安装胶囊挂钩和法兰，即下图储油柜上部的(1)处。此外，为了防止导流管和挂钩割破胶囊，增加保护结构也会影响有效容积。

其次，受储油柜油位计结构影响。主要的影响因素包括油位计浮杆旋转角度以及浮杆长度。油位计浮球摆在最下部的位置就是储油柜有效截面积的下限，即下图储油柜截面底部的（2处）。油位计浮杆按自身设计制作最大摆动角度，再配合调整浮杆长度，使浮球达到预留安装空间允许的最大高度，此处位置就是储油柜有效截面积的上限，即下图储油柜底部的（2）处。由此，就可以得到储油柜的有效截面积，则储油柜有效容积即可计算出来：

有效容积=有效截面积 x 储油柜长度

储油柜有效容积大于需求容积即可满足设计要求，使变压器在运行及试验的任何工况都能正常运行。但是，设计时注意控制储油柜容积的上限，避免过设计导致变压器高度、长度过大制约变电站的使用条件。

 

图6  储油柜有效截面积分解图

3.3 胶囊设计

作为胶囊储油柜的核心附件，胶囊的设计很重要。当前，胶囊使用的主要材料是NBR(丁腈橡胶)与PVC混合橡胶，该材料同时具备绝缘油兼容性及抗老化特性。胶囊的边框主要是使用聚酰胺纤维或者聚酯纤维材料，可具有很强的包裹和抗拉强度。在一些优异的胶囊品牌，其外层还会增加一层保护层，材料为PVF，加强了坚固性，可极大地加强抗老化能力，使其在各种环境下都能有超过15年的使用寿命。

胶囊尺寸需按储油柜尺寸适配，具体的计算方式按参考以下公式：

胶囊展平长度 X（mm）= 储油柜长度 + Y - 储油柜直径

胶囊展平宽度 Y（mm）= (πx 储油柜直径)/2 + 40mm

挂钩间距 Z (mm) = X – Y – 200mm

安装法兰的位置（下图尺寸B）通常设计在正中位置，即下图尺寸B=0。

                 

                             图7 胶囊加工尺寸图

4 储油柜机械强度要求

因为在变压器制造工艺中，为了满足绝缘要求，需把内部空气全部抽出达到真空后再注油，则意味着储油柜须满足承受真空状态下的压力而不会变形损坏。此外，变压器渗漏试验需要在储油柜油面加至少30kPa气压，这同样需要储油柜能承受对应的压力。

储油柜外壳材料通常采用市场上通用的Q355或Q235碳钢，该材料具有较高屈服应力、抗拉应力、易加工焊接等属性。设计时需根据实际结构、尺寸进行强度分析，对储油柜在真空或1个大气压正压状态下的应力及形变进行核算，要求其应力小于储油柜外壳钢材的屈服应力并保证一定的安全裕度，另外，其在受力状态下的弹性形变值也需小于制造过程中的工艺可接受数值。并且，真空或正压试验后，储油柜外壳的塑性变形(永久性变形)不能超过国际或国内标准推荐值。

5 结束语

综上所述，油浸式变压器储油柜设计须配合变压器工艺流程要求，具备承受内部正压或真空的能力。变压器运行时，储油柜需缓冲内部绝缘油温度变化引起的体积变化，避免内部发生过压或缺油，同时，储油柜还把内部绝缘油与空气隔离从而延缓油质的老化。可见，确保储油柜设计正确性是达到变压器性能和预期寿命的重要保障。

参考文献：

[1] 变压器用储油柜，JB/T 6484，变压器油标准[S]

[2] 三相油浸式电力变压器技术参数和要求，GB/T 6451，变压器油标准[S]

[3] 油浸式电力变压器技术参数和要求500kV级，GB/T 16274，变压器油标准[S]

[4] 谢毓城, 电力变压器手册. 北京: 机械工业出版社,2003

[5] 赵静月主编，变压器制造工艺.  北京：中国电力出版社,2009.

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